褚學偉　許　?！⊥踔忻?/p>

(①成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)　成都　610059)

(②貴州大學資源與環(huán)境工程學院　貴陽　550025)

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某磷石膏尾礦庫堆積壩滲透穩(wěn)定性分析*

褚學偉①②許模①王中美②

(①成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)成都610059)

(②貴州大學資源與環(huán)境工程學院貴陽550025)

隨著尾礦庫堆積壩高度的增加，庫內(nèi)的地下水滲流場將發(fā)生改變，當尾礦堆積壩處的實際水力梯度大于臨界水力梯度時，尾礦庫堆積壩將產(chǎn)生滲透變形或失穩(wěn)破壞。為了預測某已建磷石膏尾礦庫堆積壩的滲透穩(wěn)定性，本文運用地下水位計水位恢復試驗去確定磷石膏尾礦滲透系數(shù)并計算水力梯度，同時采用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊分析磷石膏堆積壩在不同工況下的滲透穩(wěn)定性。計算和分析結(jié)果表明當堆積壩處于945m堆積高程，在無干灘和100m干灘情況下，實際水力梯度分別為0.784和0.583；當堆積壩處于960m堆積高程，無干灘情況下，實際水力梯度為0.692，在以上兩種情況下，堆積壩滲出點高程高于初始壩高程，堆積壩將出現(xiàn)流土變形，壩體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當堆積壩處于960m堆積高程100m干灘時，堆積壩上無滲出點，堆積壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。分析研究結(jié)果對該尾礦庫的安全運行和維護管理提供技術(shù)依據(jù)，同時為同類型尾礦庫堆積壩滲透穩(wěn)定性評價提供參考。

尾礦庫堆積壩臨界水力梯度滲透穩(wěn)定性分析

0　引　言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以貯存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或工業(yè)廢渣的場所(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2006)。尾礦庫堆積壩由尾礦堆積而成，而大多數(shù)尾礦的性質(zhì)與土體類似，而土體的滲透穩(wěn)定性主要取決于堆積體的幾何條件(顆粒級配、顆粒形狀、孔隙結(jié)構(gòu)等)、水力條件(水力梯度、滲流方向等)及物理條件(壓實度、黏聚力等)(Kenney et al.，1985；Schuler，1995；Fannin et al.，2006；Wang et al.，2008；常東升等，2011)。國內(nèi)外對于該方面研究已經(jīng)取得了一定的成果，并給出了判定土體滲透穩(wěn)定性的臨界水力梯度公式。如Kovacs(1981)根據(jù)土體的粗粒質(zhì)量百分數(shù)及不均勻系數(shù)對土體滲透穩(wěn)定性進行分級；Kenney et al.(1985)根據(jù)任意顆粒粒徑對應的質(zhì)量百分數(shù)對粗粒土體滲透穩(wěn)定性進行分級；Burenkova(1993)和毛昶熙(2005)根據(jù)土體的不均勻程度及重量百分數(shù)對無黏性土滲透穩(wěn)定性進行分級。Terzaghi(1939)、吳良驥(1980)、劉杰(1992)、毛昶熙(2005)提出了無黏性土體滲透變形的臨界水力梯度；Bendahmane et al.(2008)提出了砂石土體滲透變形的臨界水力梯度等。

尾礦庫隨著堆積壩的增高，庫內(nèi)地下水流場發(fā)生改變，浸潤線隨之升高，當滲流產(chǎn)生的實際水力梯度大于磷石膏堆積壩的臨界水力梯度時，土體將產(chǎn)生滲透變形或破壞。我國西南地區(qū)磷化工生產(chǎn)的廢渣——磷石膏，主要采用濕法輸送至尾礦庫堆存，有的堆積壩最大壩高可超100m，曾發(fā)生過潰壩事件。如何界定磷石膏堆積壩安全浸潤曲線坡率和滲透穩(wěn)定性，目前尚無技術(shù)規(guī)程。

本文以一投入使用的磷石膏尾礦庫為例，通過現(xiàn)場試驗確定磷石膏堆場的滲透系數(shù)，采用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊分析了磷石膏堆積壩在不同工況下的滲流場及不同滲流場下的壩體穩(wěn)定性，為該尾礦庫安全運行、維護及管理提供技術(shù)支持，同時為同類型尾礦庫堆積壩滲透穩(wěn)定性評價提供參考。

1　尾礦庫概況

該磷石膏尾礦庫地處一半封閉型剝蝕-溶蝕山間谷地，呈南東北西向展布，谷長350m，尾礦庫地形呈現(xiàn)東南高，西北低的特點，最低高程為878～895m，最大高程為1040～1055m，屬山谷型尾礦庫(王國華等，2008；寧輝棟等，2014)。該尾礦庫設(shè)計堆積標高960m，庫區(qū)總面積為0.7552km2，總庫容約3200×104m3。尾礦庫下伏區(qū)域地層為三疊系青巖組二段、三段及法郎組一段地層，其中青巖組二段地層為薄層至塊狀灰?guī)r，主要分布于壩址區(qū)及尾礦庫右岸，巖溶洼地、溶溝、溶槽、落水洞較為發(fā)育；青巖組三段為泥、頁巖，隔水性能強；法郎組一段為薄層灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r。為防止庫區(qū)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，對庫區(qū)內(nèi)的巖溶漏斗、落水洞采取人工開挖至基巖以下4～5m，然后采用混凝土砌石進行封堵，并對庫區(qū)底部鋪設(shè)1m厚紅黏土夯實進行防滲處理。尾礦庫內(nèi)無斷層通過。

該尾礦庫初始壩為堆石壩，壩體內(nèi)側(cè)為厚1m的紅黏土斜墻防滲層，該初始壩壩底高程為885m，壩頂高程為910m，壩頂寬10m，上、下游坡比均為1：1.5。 磷石膏堆積壩最大高程為960m，坡比為1：3。初始壩壩底設(shè)有排滲管，下游設(shè)有回水池，回水池水位高程為886m。尾礦庫剖面(圖1)。該磷石膏尾礦庫現(xiàn)已投入運行，現(xiàn)場試驗時，磷石膏堆積最大高程為936m，堆積壩高程933m。

2　磷石膏的物理性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場采取磷石膏樣，測定的尾礦庫內(nèi)磷石膏的物理性質(zhì)指標(表1)。磷石膏顆粒級配曲線(圖2)。其中磷石膏有效粒徑d10=0.0085mm，中值粒徑d30=0.022mm，限制粒徑d60=0.038mm。

圖1　960堆高尾礦庫剖面示意圖Fig.1　The section of tailings impoundment of 960m

表1　磷石膏的物理性質(zhì)

Table 1　The physical properties of phosphogypsum

土體液限wL/%塑限wp/%塑性指數(shù)Ip土粒比重Gs顆粒組成(粒徑/mm)孔隙比e≥0.0740.074-0.050.05～0.005≤0.005磷石膏30.225.05.12.36141260.913.10.846

相對密度及孔隙比為尾礦庫內(nèi)磷石膏均值

圖2　磷石膏顆粒級配曲線圖Fig.2　The grading curve of phosphogypsum

3　磷石膏滲透性

滲透性的一個重要指標就是滲透系數(shù)。當巖性基本不變時，在不考慮構(gòu)造活動、膠結(jié)、溶蝕等條件下，巖土體的滲透系數(shù)是主要取決于其自重應力的分布。大量研究表明，滲透系數(shù)具有隨深度衰減的規(guī)律(Jiang et al.，2009；Wang et al.，2009；萬力等，2010)。所以實驗室獲得的滲透系數(shù)實驗數(shù)據(jù)不能準確的反映磷石膏滲透性的真實情況，故本次滲透系數(shù)測定根據(jù)磷石膏尾礦庫內(nèi)堆積情況現(xiàn)場地下水位計中水位恢復試驗取得。

3.1試驗方法及原理

地下水位計中水位恢復試驗是假設(shè)一個均質(zhì)、各向同性、無限延伸的介質(zhì)，其中土壤和水是不可壓縮的，在提水試驗中，霍爾斯列夫斷定，在地下水位計端點處，任何時間t的入流量q是土壤滲透系數(shù)K和未恢復水頭差H-h成正比的(葛建，2005)。所以

(1)

式中：q(t)為t時刻的入流量(L·s-1)；K為滲透系數(shù)(cm·s-1)；H為初始水頭(m)；h為停止抽水時的水頭(m)；F為因數(shù)。與地下水位計進水口形狀及尺寸有關(guān)(m)。

水位恢復過程中，水位變化響應滯后T：

(2)

式中：T為時間滯后響應，無量綱，把式(2)代入式(1)得到：

(3)

式中：b為常數(shù)，無量綱，從而求得滲透系數(shù)K。

3.2磷石膏滲透系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)磷石膏的堆存情況，結(jié)合該尾礦庫的地形，本次試驗布設(shè)了8個試驗孔，其中5～8號試驗孔位于尾礦庫堆積壩壩體，1～4號試驗孔位于尾礦庫內(nèi)。地下水水位計過濾器位于試驗孔底部，長度為1m，孔徑為0.045m。采用空壓機進行3次降深瞬時抽水試驗，最小降深3m，若水位恢復速度太快，抽水降深增大8～10m。根據(jù)1～3式求得各試驗孔所處位置的磷石膏的滲透系數(shù)(表1)。

若取過濾器埋深的中值作為過濾器的埋藏深度，則對應的滲透系數(shù)K隨深度的變化關(guān)系可用負指數(shù)模型來表示，即：

(4)

其中，K0為地表滲透系數(shù)；K(H)為深度為H處的滲透系數(shù)；β為衰減系數(shù)(圖3、圖4)。

圖3　尾礦庫實測滲透系數(shù)擬合曲線圖Fig.3　The seepage coefficient of phosphogypsum

圖4　堆積壩實測滲透系數(shù)擬合曲線圖Fig.4　The fitling curve of seepage coefficient of embankment

表2　各試驗孔滲透系數(shù)計算結(jié)果表

Table 2　The calculation results of permeability coefficient of test holes

孔號及位置尾礦庫內(nèi)尾礦庫堆積壩壩體12345678孔口高程/m936.58936.71936.58936.34933.51927.02919.92919.99孔深/m10.520.531.540.426.535.630.521.5過濾器埋深/m9.0～10.019.0～20.030.0～31.039.0～40.025.0～26.034.0～35.029.0～30.020.0～21.0過濾器埋深中值/m9.5019.5030.5039.5025.5034.5029.5020.50滲透系數(shù)/10-6m·s-13.412.542.511.711.711.291.451.98

其中尾礦庫內(nèi)滲透系數(shù)K1隨深度H變化的模型為：

(5)

堆積壩滲透系數(shù)K2隨深度H變化的模型為：

(6)

4　磷石膏堆積壩滲透破壞形式的判定

滲透變形主要可分為4類：即流土、管涌、接觸沖刷及接觸流土。由表1可知，磷石膏類似于粉土。根據(jù)試驗測得的顆粒級配曲線求得其不均勻系數(shù)Cu=4.47，屬級配不良的均勻土。根據(jù)無黏性土當Cu<10時，或者其細粒含量超過35%時，滲透破壞變形模式為流土(董哲仁，1998)，故判定堆積壩的滲透破壞模式為流土。

5　磷石膏堆積壩滲透穩(wěn)定性分析

對于該磷石膏堆積壩而言，其堆積體的物理性質(zhì)及幾何條件是固定的，故影響其滲透變形的主控因素為水力條件。而水利條件中的實際水力梯度J起到?jīng)Q定性影響。故堆積壩的滲透穩(wěn)定性可以根據(jù)壩體水溢出口處的實際水力梯度J與允許水力梯度J允許的大小來判定。當J

根據(jù)該尾礦庫的庫容及壩高確定其設(shè)計等別為三等，主要構(gòu)筑物重要性等別也是三等，根據(jù)壩體安全分級，取其安全系數(shù)為1.5。故J允許=Jcr/1.5，其中，Jcr為臨界水力梯度。

表3磷石膏滲透系數(shù)取值表

Table 3The value of seepage coefficient of phosphogypsum

層數(shù)深度/m水平滲透系數(shù)Kh/10-6m·s-1尾礦庫堆積壩①0～103.733.22②10～202.992.36③20～302.401.73④30～401.931.27⑤40～501.550.93⑥50～601.240.68⑦60～751.130.51

表4　堆積壩滲透穩(wěn)定性計算結(jié)果表

Table 4　The calculation results of seepage stability of embankment

工況滲出點最大高程/m滲出范圍內(nèi)最大水力梯度堆積壩滲透穩(wěn)定性最小值最大值工況一945m堆高無干灘913.470.2830.784不穩(wěn)定100m干灘910.380.2450.583不穩(wěn)定工況二960m堆高無干灘911.350.3010.692不穩(wěn)定100m干灘堆積壩上無滲出點穩(wěn)定

5.1臨界水力梯度的確定

堆積壩滲透變形的臨界水力梯度Jcr確定公式較多，在此引用GB50287-2008中關(guān)于土體產(chǎn)生流土時的臨界水力梯度的計算公式：

(7)

J允許=0.491

5.2不同工況下堆積壩滲透穩(wěn)定性

工況一：尾礦庫堆積高程達到945m時，尾礦庫內(nèi)具有100m干灘或無干灘的情況。

工況二：尾礦庫堆積高程達到960m時，尾礦庫內(nèi)具有100m干灘或無干灘的情況。

尾礦庫在投入使用之前對庫區(qū)及初期壩壩址區(qū)均進行過較好的防滲處理，其防滲性能較好，可作為隔水層處理。初期壩下游回水池內(nèi)水頭高度為886m。由于磷石膏堆積層在垂向上滲透系數(shù)遞減，把磷石膏按10m進行分層，取中間值作為該層的水平滲透系數(shù)Kh，其垂向滲透系數(shù)Kv=0.5Kh。磷石膏層滲透系數(shù)(表3)。初期壩、防滲墻滲透系數(shù)分別為4.4×10-4m·s-1、1×10-9m·s-1。

各工況下滲透穩(wěn)定性計算結(jié)果(圖5～圖8，表4)。有計算結(jié)果可見，在工況一無干灘、100m干灘及工況二無干灘情況下，尾礦庫的水滲出點均位于堆積壩上，滲出點最大高程分別為913.47m、910.38m、911.35m，滲出范圍內(nèi)實際最大水力梯度分別為0.784、0.583、0.692，大于允許水力梯度0.491，堆積壩處于平衡臨界狀態(tài)到滲透變形或破壞狀態(tài)，壩體不穩(wěn)定；工況二100m干灘時，堆積壩上無滲出點，堆積壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　工況一100m干灘時滲流計算結(jié)果Fig.6　The seepage calculation result in dry beach at loom of case 1

圖5　工況一無干灘時滲流計算結(jié)果Fig.5　The seepage calculation result of absence of beach of case 1

圖7　工況二無干灘時滲流計算結(jié)果Fig.7　The seepage calculation result of absence of beach of case 2

圖8　工況二100m干灘時滲流計算結(jié)果Fig.8　The seepage calculation result in dry beach at loom of case 2

6　結(jié)　論

(1)通過地下水位計中水位恢復試驗，尾礦庫內(nèi)滲透系數(shù)隨堆積體的深度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并服從負指數(shù)衰減過程。

(2)尾礦庫堆積壩在945堆積高程，無干灘情況、100m干灘情況及960m堆積高程、無干灘情況下，滲出點高程高于初始壩高程，實際水力梯度均大于允許水力梯度，壩體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；960m堆積高程、100m干灘情況下，滲出點高程低于初始壩高程，堆積壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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STABILITY ANALYSIS OF SEEPAGE ON THE ACCUMULATION DAM OF A PHOSPHOGYPSUM TAILINGS

CHU Xuewei①②XU Mo①WANG Zhongmei②

(①State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

(②College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang550025)

With the increase of tailings dam height，the groundwater seepage field will change.When the actual hydraulic gradient at the tailings dam is greater than the critical hydraulic gradient，the tailings dam will produce seepage deformation or instability damage.In order to predict the seepage stability of a phosphogypsum tailings dam，the seepage coefficient was determined by using the groundwater level gauge to resume testing，and the hydraulic gradient were calculated.At the same time，the SEEP/W module of Geo-studio was used to analyze the seepage stability of the phosphorus gypsum accumulation dam under different conditions.According calculation and analysis results，it was found that when the accumulation dam was in 945m altitude，in the absence of beach and 100m dry beach，the actual hydraulic gradient were 0.784 and 0.583.When the accumulation dam was in 960m altitude and in the absence of beach，the actual hydraulic gradient were 0.692.In the above two cases，the altitude of the seepage point of the accumulation dam was higher than the initial dam，the accumulation dam would appear the deformation of the flow soil，the dam was unstable state.When the accumulation dam was in 960m altitude and 100m dry beach，there was no seepage point on the accumulation dam，and the accumulation dam was in the stable state.The results of the research will provide the technical basis for the safe operation and maintenance management of the tailings dam，and will provide reference for the seepage stability of the same tailings dam．

Tailings，Accumulation dam，Critical hydraulic gradient，Seepage，Stability analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.023

2015-04-28;

2015-07-19.

貴州省水利廳科技專項經(jīng)費項目(任務(wù)書編號：KT201506)資助.

褚學偉(1979-)，男，碩士，博士生，講師，主要從事巖溶水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作.Email: 28409807@qq.com

P641.2

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