李克達(dá) 陳冬華

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

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滲流影響下尾礦壩穩(wěn)定性研究

李克達(dá) 陳冬華

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

以磨石溝尾礦庫現(xiàn)狀壩體為研究對象，采用勘察、試驗以及數(shù)值模擬手段，研究了尾礦壩正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行兩種不同水位工況下的壩體滲流穩(wěn)定性及抗滑穩(wěn)定性，結(jié)果表明：現(xiàn)狀庫內(nèi)水位正常運(yùn)行和最高洪水位運(yùn)行兩種工況下的壩體抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于規(guī)程所規(guī)定的最小安全系數(shù),滿足規(guī)范要求。

尾礦壩，滲流，穩(wěn)定性，洪水運(yùn)行工況

0 引言

礦山生產(chǎn)中尾礦壩是重要設(shè)施，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到礦山企業(yè)效益，甚至對人民生產(chǎn)、生活安全產(chǎn)生直接影響[1]。尾礦壩潰壩、垮塌等事故時有發(fā)生，尾礦庫泥沙流經(jīng)長度長、范圍廣。滲流是影響尾礦壩安全運(yùn)行的重要因素，要對尾礦壩進(jìn)行安全控制，必須要分析滲流狀態(tài)下壩體的安全穩(wěn)定性系數(shù)[2-4]。本文結(jié)合磨石溝尾礦庫壩為研究對象，采用有限元方法模擬研究常水位和洪水水位時浸潤線位置，確定壩體安全系數(shù)，為壩體的安全評價提供理論依據(jù)。

1 工程概況

磨石溝尾礦庫位于寬城滿族自治縣城西約16 km處的東黃花川鄉(xiāng)西五溝村磨石溝內(nèi)。2009年10月對該庫進(jìn)行了初步設(shè)計，設(shè)計年處理礦石275.0×104t，尾礦庫設(shè)計初期壩底標(biāo)高為535.0 m,壩頂標(biāo)高565.0 m,設(shè)計最終堆積標(biāo)高630.0 m，尾礦庫總壩高95.0 m，設(shè)計總庫容為703.225×104m3，尾礦庫設(shè)計等級為三等庫。尾礦砂為中—細(xì)小顆粒，尾礦砂由生產(chǎn)廠區(qū)經(jīng)泵、管道輸送至尾礦庫，流入庫后端，澄清后，清水經(jīng)回水系統(tǒng)流至車間，循環(huán)使用。該礦山選礦工藝為磁選，不加任何有害添加劑，尾礦砂不含有害元素，對周邊環(huán)境基本無影響。

2 壩體巖土工程地質(zhì)特性

勘察結(jié)果表明，磨石溝尾礦庫庫區(qū)范圍內(nèi)，地層巖性根據(jù)性質(zhì)及成因可分為三個部分，即天然地層、初期壩、尾礦堆積層。天然地層表面為強(qiáng)風(fēng)化基巖，局部有角礫層覆蓋，初期壩為透水堆石壩體。由于尾礦沉積分選性不強(qiáng)，故砂性尾礦中普遍存在粘性尾礦夾層，且在同平面上不連續(xù)，呈透鏡體狀，但從整體上看仍存在一定規(guī)律。垂直層序上存在上粗下細(xì)的規(guī)律，水平層序上由堆積子壩向庫區(qū)由粗變細(xì)。根據(jù)野外鉆探、原位測試和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，經(jīng)綜合分析，并經(jīng)概化后將庫區(qū)各巖土層劃分為6個主層，即尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)粘土、角礫、石英巖。壩體穩(wěn)定水位埋深為6.0 m～14.6 m，尾礦庫初期壩為透水堆石壩，壩基為中等風(fēng)化石英巖，為弱透水層。

3 壩體穩(wěn)定性理論分析

3.1 計算方法

考慮正常水位運(yùn)行和洪水位運(yùn)行兩種情況，選用野外勘察中實測尾礦庫主剖面，實測地質(zhì)參數(shù)，選取不同的荷載工況，利用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行不同情況下的滲流分析計算，利用土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)軟件(由河海大學(xué)工程力學(xué)系和黃委勘測設(shè)計研究院研發(fā))，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算。

3.2 計算剖面及參數(shù)確定

本次分析選取了尾礦庫勘察的主剖面進(jìn)行計算，基于主剖面建立了滲流分析和壩體抗滑穩(wěn)定分析的計算模型，通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、室內(nèi)土工試驗與地區(qū)經(jīng)驗相結(jié)合，確定物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 計算工況及荷載組合

1)滲流穩(wěn)定性分析。

磨石溝尾礦庫現(xiàn)狀壩體的滲流穩(wěn)定性分析按以下兩種水位運(yùn)行工況進(jìn)行：正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行。正常運(yùn)行條件下根據(jù)實測水面標(biāo)高608.30 m及各巖土層豎直和水平滲透系數(shù)，采用水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬，分析評價壩體在該工況下的滲流穩(wěn)定性。洪水運(yùn)行條件下最高洪水位，中、后期按500年一遇計算，經(jīng)調(diào)洪演算確定最高洪水位標(biāo)高610.23 m，采用水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬，分析評價壩體在該工況下的滲流穩(wěn)定性。

2)抗滑穩(wěn)定性分析。

根據(jù)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，對壩體的抗滑穩(wěn)定性計算分析包括兩種工況：

a.庫內(nèi)正常運(yùn)行水位標(biāo)高608.30 m運(yùn)行工況；

b.庫內(nèi)最高洪水位標(biāo)高610.23 m運(yùn)行工況。

3.4 滲透穩(wěn)定性計算

1)正常運(yùn)行條件下壩體滲流分析。

根據(jù)該尾礦庫正常運(yùn)行期實際情況，將正常運(yùn)行期地質(zhì)參數(shù)輸入水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件，經(jīng)計算得到該尾礦庫正常運(yùn)行條件下尾礦壩壩體滲流浸潤線?？紤]滲流計算得出結(jié)果對穩(wěn)定計算影響，運(yùn)用土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù),如圖1所示。

2)洪水運(yùn)行條件下壩體滲流分析。

本次按中后期運(yùn)用洪水重現(xiàn)期為500年進(jìn)行計算，頻率0.2%。

該尾礦庫位于水文分區(qū)Ⅳ區(qū),通過查《承德地區(qū)水文實用手冊》(1973)，繪制洪水過程線，采用列表法，運(yùn)用任意時段水量平衡方程：1/2(Q1+Q2)-1/2(q1+q2)Δt=V2-V1，分時段進(jìn)行調(diào)洪演算，確定調(diào)洪高度H=1.93 m。

在洪水運(yùn)行工況下，最高洪水位為610.23 m。將地質(zhì)參數(shù)輸入水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件，經(jīng)計算得到該尾礦庫洪水運(yùn)行條件下尾礦壩壩體滲流浸潤線。由洪水運(yùn)行工況下的二維有限元滲流數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，洪水運(yùn)行工況下干灘長度為153.74 m，浸潤線未從堆積壩外坡出逸。

根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中穩(wěn)定性計算時荷載組合要求，考慮滲流計算得出結(jié)果對穩(wěn)定計算影響，根據(jù)洪水運(yùn)行條件最高水位，運(yùn)用土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)，如圖2所示。

4 結(jié)語

根據(jù)本次對磨石溝尾礦庫現(xiàn)狀壩體的巖土工程勘察、試驗以及在此基礎(chǔ)上對該庫在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行兩種不同水位運(yùn)行工況下的壩體滲流穩(wěn)定性及抗滑穩(wěn)定性計算分析，得出如下結(jié)論：

1)尾礦庫正常運(yùn)行工況下，干灘長度為209.91 m，壩體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；

2)在設(shè)計洪水運(yùn)行工況下，尾礦庫的干灘長度為153.74 m，壩體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求;

3)根據(jù)對尾礦庫在現(xiàn)狀庫內(nèi)水位正常運(yùn)行和最高洪水位運(yùn)行兩種工況下的壩體抗滑穩(wěn)定性計算分析可知，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算分析的安全系數(shù)均大于規(guī)程所規(guī)定的最小安全系數(shù)，滿足規(guī)程要求。

[1] 路美麗,崔 莉.影響尾礦壩滲流場的因素分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2004,14(6):17-20.

[2] 王會芬,董羽蕙.尾礦壩滲流場的計算與分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(24):5860-5867.

[3] 羅鳳姿.尾礦壩固結(jié)滲流模型關(guān)鍵參數(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010(3):92-94.

[4] 柳厚祥,李 寧,廖 雪.考慮應(yīng)力場與滲流場耦合的尾礦壩非穩(wěn)定滲流分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(17):2870-2875.

Stability study of seepage under the influence of tailings dam

Li Keda Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

To stone ditch present situation of tailings dam as the research object, the survey, experiment and numerical simulation method, the normal operation of tailings dam and flood run two different water level under the operation condition of dam body seepage stability and stability against sliding. The results show that normal operation of water level of the status quo of the rolls and the highest flood level run two kinds of working conditions of dam body stability safety factor against sliding are the minimum safety factor is greater than the procedures as stipulated.

tailings dam, seepage, stability, flood operation condition

1009-6825(2017)10-0083-02

2017-01-22

李克達(dá)(1980- )，男，工程師

P624

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