文自立肖尊群

（1.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

考慮地下水滲流特性的尾礦壩穩(wěn)定性分析

文自立1肖尊群2

（1.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

選取合適的壩體斷面，對(duì)某尾礦壩進(jìn)行的二維滲流有限元分析，并考慮滲流特征進(jìn)行壩體圓弧整體穩(wěn)定性分析，得到相應(yīng)的浸潤(rùn)線和壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法對(duì)類(lèi)似尾礦壩工程的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

壩體；斷面；尾礦壩；滲流；瑞典圓弧法；穩(wěn)定性

尾礦壩是礦山開(kāi)采中，尾礦庫(kù)的主要支擋方式，由于其一般在離廠區(qū)一定范圍之內(nèi)，有的靠近村莊，有的靠近河流。一旦失事，其破壞性巨大，因此，近年來(lái)，對(duì)尾礦庫(kù)的勘察、設(shè)計(jì)以及尾礦壩的施工越來(lái)越重視[1]。目前，絕大部分的尾礦壩采用上游式尾礦筑壩法，該類(lèi)壩型的穩(wěn)定性受滲流因素的影響很大，在進(jìn)行尾礦壩的設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)壩體進(jìn)行考慮滲流特性的穩(wěn)定性分析[2]。尾礦壩在庫(kù)水位及下游水位的作用下產(chǎn)生滲流，在浸潤(rùn)面以下的壩體處于流場(chǎng)內(nèi)，受到指向下游壩坡的滲透力的作用。這滲透力影響到尾礦壩體的穩(wěn)定狀態(tài)[3]。本文從某具體尾礦庫(kù)工程實(shí)例出發(fā)，選取壩體剖面，對(duì)壩體進(jìn)行二維有限元滲流分析，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩體斷面的整體穩(wěn)定性分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出相應(yīng)的抗?jié)B加固設(shè)計(jì)措施，為類(lèi)似尾礦庫(kù)工程的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 壩體滲流分析方法

滲透計(jì)算選用有限單元法，設(shè)置邊界條件，計(jì)算浸潤(rùn)線位置，壩體和壩基的滲流量以及壩體出逸段的水力坡降。有限單元法是用有限個(gè)單元的集合體代替連續(xù)的滲流場(chǎng)，單元間的結(jié)合點(diǎn)稱(chēng)結(jié)點(diǎn)。選擇簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系近似地表示單元上的水頭分布，最后解得滲流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)處滿足一定精度的水頭值[4]。

滲流計(jì)算的控制微分方程如下：

式中：H—總水頭；xk —x方向滲透系數(shù)；yk—y方向滲透系數(shù)；Q—邊界流量；Θ—微元體積變化量；t—時(shí)間。

滲流控制方程表示在同一時(shí)間內(nèi)，流入和流出微元體積的流量差值等于該微元體積的變化量。對(duì)于二維情況來(lái)說(shuō)，在x方向和y方向的流量改變速率的總和加上邊界流量就等于相應(yīng)時(shí)間的微元體積的變化量。在穩(wěn)態(tài)條件下，相同時(shí)間內(nèi)流入和流出單元體積的流量是相等的。方程的右邊因此就可以去掉，公式簡(jiǎn)化為：

總水頭H定義如下：

式中：wu—孔隙水壓力；wγ —水的容重；y—高程。

穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算公式為：

2 工程概況

該礦區(qū)的銅多金屬儲(chǔ)量為9×104t，擬建選廠規(guī)模為500 t/d（15×104t/a）。與選廠配套使用的尾礦庫(kù)庫(kù)址位于選廠下方的劉家壟溝谷中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，尾礦庫(kù)庫(kù)址內(nèi)有少量旱地，庫(kù)區(qū)內(nèi)無(wú)居民居住，兩岸植被覆蓋較好，溝谷較長(zhǎng)，有較大庫(kù)容；庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無(wú)巖溶、滑坡體等不良地質(zhì)構(gòu)造。

工程地質(zhì)條件：

①耕土：軟塑，含有機(jī)質(zhì)，分布于庫(kù)區(qū)溝谷中，層厚0.6～2.0m。

②粉質(zhì)粘土：軟塑—可塑，韌性中等，干強(qiáng)度中等，含少量粉砂、碎石等，局部含塊石。該層分布于整個(gè)庫(kù)區(qū)，厚度約0.4～5.8m。

③全風(fēng)化砂礫巖：巖芯呈土柱狀、碎塊狀，局部夾強(qiáng)風(fēng)化巖塊。該層分布于整個(gè)庫(kù)區(qū)，該層厚度不均，總體來(lái)講溝谷沿線較薄，山脊沿線較厚，溝谷沿線層厚約0.5～1.0m，山脊沿線層厚約3.0～11.1m。

④強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖：巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，局部石英脈發(fā)育，略見(jiàn)原巖結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)極軟，遇水易軟化，巖芯破碎，呈碎塊狀。該層分布于整個(gè)庫(kù)區(qū)。

⑤中風(fēng)化砂礫巖：中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體完整，膠結(jié)物為泥砂質(zhì)、鐵質(zhì)，巖質(zhì)極軟—軟，巖芯呈長(zhǎng)、短柱狀，RQD=70%～85%。該層分布于整個(gè)庫(kù)區(qū)。

3 尾礦壩穩(wěn)定性分析

3.1滲流分析

（1）計(jì)算模型建立

（2）計(jì)算參數(shù)選取

由于本尾礦庫(kù)屬于新建尾礦庫(kù)，無(wú)法精確取得各尾砂層的滲透系數(shù)及分層情況。按照如下方法解決：

①尾砂分層根據(jù)排礦情況及尾砂粒度進(jìn)行近似模擬，壩基土層分層根據(jù)《壯族瑤族自治縣礦業(yè)有限公司尾礦庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》進(jìn)行。

②尾砂層滲透系數(shù)取值相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，壩體填土等其他土層滲透系數(shù)根據(jù)相關(guān)巖土工程勘察報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)取值。

滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1。

在這次活動(dòng)中，我們學(xué)習(xí)到了很多東西，也提高了我們的社會(huì)責(zé)任感。這次活動(dòng)也許對(duì)我們未來(lái)都有很大的影響，如果還有機(jī)會(huì)參與這樣的活動(dòng)，我絕不錯(cuò)過(guò)。

表1　滲透系數(shù)取值表

（3）滲流計(jì)算分析

尾礦壩滲流計(jì)算的主要任務(wù)，是確定壩體浸潤(rùn)線的位置，壩體和壩基的滲流量及浸潤(rùn)線出逸段的水力坡降，為壩體穩(wěn)定分析提供依據(jù)。進(jìn)行滲流分析時(shí)，將每一土層的水平及垂直滲透系數(shù)分別考慮。滲流分析采用自行編制的滲流有限元分析程序進(jìn)行，其理論基礎(chǔ)就是二維連續(xù)體滲流計(jì)算理論[4]。

尾礦壩滲流分析選取的剖面說(shuō)明如下：

①選取垂直壩軸線的中間剖面作為滲流分析剖面；

②在平面圖中垂直壩軸線的中線為曲線，在滲流分析時(shí)將其拉直。

（4）滲流計(jì)算結(jié)果討論

浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2、圖3和圖4。

圖1　初期正常運(yùn)行狀況下浸潤(rùn)線計(jì)算圖

圖2　初期洪水運(yùn)行情況下浸潤(rùn)線計(jì)算圖

圖3　后期正常運(yùn)行狀況下浸潤(rùn)線計(jì)算圖

圖4　后期洪水運(yùn)行狀況下浸潤(rùn)線計(jì)算圖

從圖1、圖2、圖3和圖4中可以看出：計(jì)算邊界條件以防止水流從堆積壩下游邊坡溢出為準(zhǔn)，上游坡干灘長(zhǎng)度應(yīng)不低于100m，并根據(jù)此邊界條件對(duì)正常洪水位以下的滲流狀況進(jìn)行有限元分析。從整個(gè)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：控制尾礦庫(kù)中的水位，保持于灘長(zhǎng)度對(duì)于滲流穩(wěn)定是十分重要的。干灘長(zhǎng)度超過(guò)100m時(shí)，堆積壩下游坡一般不會(huì)有水流逸出，庫(kù)底表層料的透水性對(duì)于降低浸潤(rùn)線高度的效果十分明顯。

當(dāng)浸潤(rùn)線從壩外坡某高程出逸且出逸點(diǎn)的水力坡降大于筑壩材州顆粒所允許的滲透坡降時(shí)，則壩料顆粒將被沖走從而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生滲流破環(huán)。從該尾礦壩情況來(lái)看，一是初期壩是透水堆石壩，占到總壩高的近1/3，滲水性能特別好，二是尾礦濃度較高 ,尾礦水量小，尾礦庫(kù)內(nèi)的尾礦澄清水盡量排到壩下清水池供選礦廠回收用于選礦生產(chǎn)，庫(kù)內(nèi)存水不會(huì)太多，水位不會(huì)太高，這些都有利于降低浸潤(rùn)線。在實(shí)際運(yùn)行中如有滲水從堆積壩兩側(cè)出逸，則采取降低浸潤(rùn)線的降水措施進(jìn)行治理。

3.2抗滑穩(wěn)定分析

3.2.1計(jì)算方法

根據(jù)《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006－2005）[5]，尾礦庫(kù)初期壩與堆積壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)壩體材料及壩基巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，考慮各種荷載組合，經(jīng)計(jì)算確定。計(jì)算方法采用瑞典圓弧法。尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算采用規(guī)范推薦的瑞典圓弧法（總應(yīng)力）法，公式如下：

式中：W—土條重量；Q、V—分別為水平和垂直地震慣性力（向上為負(fù)，向下為正）；u—作用于土條底面的孔隙壓力；α—條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b—土條寬度；c、φ—土條地面的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；Mc—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R—圓弧半徑。

3.2.2計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，本次設(shè)計(jì)中尾礦壩壩體穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧法，尾礦壩壩體材料及壩基土采用與總應(yīng)力法對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。壩體穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)選取的計(jì)算剖面，對(duì)尾礦的分布進(jìn)行概化分區(qū)，浸潤(rùn)線采用滲流穩(wěn)定計(jì)算中提供的浸潤(rùn)線位置。

尾砂層物理力學(xué)指標(biāo)參考《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程AQ2006-2005》取值，其它土層物理力學(xué)指標(biāo)參考相關(guān)勘察報(bào)告取值。其中浮容重根據(jù)如下公式計(jì)算：

其中GS為土粒比重，e為孔隙比，γω為水的容重10kN/m3。穩(wěn)定分析各巖土層總應(yīng)力法計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　巖土層力學(xué)指標(biāo)取值表

3.2.3抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算分析對(duì)于確保壩體的安全運(yùn)行十分重要?？够€(wěn)定計(jì)算采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)壩體滑動(dòng)圓弧依進(jìn)口和出口以及圓弧半徑按設(shè)定步長(zhǎng)搜索，找出安全系數(shù)最小的可能滑弧及沿該滑弧滑動(dòng)的安全系數(shù)，依據(jù)規(guī)范確定壩體的穩(wěn)定性，計(jì)算采用自行編制的計(jì)算程序進(jìn)行。

穩(wěn)定分析說(shuō)明如下：

①只進(jìn)行初期壩或尾礦壩下游坡的穩(wěn)定分析；

②穩(wěn)定分析剖面中的土層分層同滲流計(jì)算分析剖面；

③穩(wěn)定分析各巖土層總應(yīng)力法計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表2。

根據(jù)擬定的初期壩及尾礦堆積壩結(jié)構(gòu)，抗滑穩(wěn)定分析見(jiàn)

圖5、圖6、圖7和圖8。尾礦壩抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5　初期正常運(yùn)行狀況下穩(wěn)定性分析圖

圖6　初期洪水運(yùn)行狀況下穩(wěn)定性分析圖

圖7　后期正常運(yùn)行狀況下穩(wěn)定性分析圖

圖8　后期洪水運(yùn)行狀況下穩(wěn)定性分析

表3　尾砂壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由以上分析可以看出，尾礦庫(kù)在按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行的情況下，尾礦壩的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。需要注意的是，由于本項(xiàng)目尾礦庫(kù)屬于新建尾礦庫(kù)，因此壩坡穩(wěn)定分析的尾砂分層是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，尾砂力學(xué)指標(biāo)也是參考類(lèi)似工程取得。這與尾礦庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)尾砂的分層可能有較大的差異，而且，尾礦庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，堆積壩內(nèi)的浸潤(rùn)線也可能與模擬計(jì)算有所誤差。因此，此次分析結(jié)果對(duì)工程有一定的指導(dǎo)意義，但不能作為尾礦庫(kù)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際安全系數(shù)。為了驗(yàn)證尾砂分層及浸潤(rùn)線計(jì)算的準(zhǔn)確性，當(dāng)庫(kù)區(qū)尾砂堆積至930.0～935.0m標(biāo)高時(shí)，礦方應(yīng)對(duì)尾礦壩進(jìn)行一次全面的地質(zhì)勘察，并進(jìn)行以穩(wěn)定和防洪安全為主的安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證壩體的穩(wěn)定性，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的處理措施，以確保尾礦壩能安全堆積至最終設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4 結(jié)論

（1）尾礦壩體滲流穩(wěn)定性對(duì)于尾礦壩設(shè)計(jì)具有十分重要，在進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析，建議根據(jù)選取適合的壩體斷面進(jìn)行二維滲流分析，有限元分析結(jié)果更加直觀、更加準(zhǔn)確，能夠防滲設(shè)計(jì)提供很有意義的參考。工程案例計(jì)算結(jié)果表明：為控制尾礦庫(kù)中的水位，需要保持干灘長(zhǎng)度有助于滲流穩(wěn)定。

（2）計(jì)算案例表明：工程是尾礦庫(kù)新建工程，因此，在進(jìn)行尾礦壩的抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，無(wú)法精確取得尾砂的概化分層及浸潤(rùn)線高度，為確保尾礦庫(kù)的順利使用，在庫(kù)區(qū)尾砂堆積至初期壩壩頂930.0m標(biāo)高時(shí)，礦方必須對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行一次全面勘察，對(duì)尾砂的分層及浸潤(rùn)線的高度提供實(shí)測(cè)資料，以便對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。

[1] 齊清蘭,張力霆.尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬與工程應(yīng)用[M].北京:水利水電出版社,2011.

[2] 孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].北京:中國(guó)科技大學(xué)出版社, 2010.

[3] 周漢民.尾礦庫(kù)建設(shè)與安全管理技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[4] 馬池香,秦華禮.基于滲透穩(wěn)定性分析的尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2008,34(9):32-36.

[5] 田文旗,曲忠德.尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程(AQ2006-2005)[M].北京:水利水電出版社,2007.

The stability analysis of tailings dam taking into account the characteristics of ground water flow

The appropriate section of the dam was selected. A tailings dam was analized wtih method of finite element for seepage to determine dam head line and the saturation line. The overall dam stability was analized with arc Swedish method to obtain dam safety factor. It has important reference value and guiding significance for similar tailings dam stability analysis and design.

Dam; section; tailings dam; seepage; Sweden arc method; stability

TD1

A

1008-1151(2015)06-0025-04

2015-05-10

文自立（1962－），男，中國(guó)水利水電第八工程局有限公司土建工程師，從事施工技術(shù)（水電、路橋、建筑）及施工管理工作。