姜 云 平

(山西宜通工程技術(shù)有限公司，山西 朔州 038399)

1 概述

隨著生產(chǎn)生活需求的不斷提高，礦山數(shù)量急劇增長，也會(huì)使管理人員在不同程度上忽視一些危險(xiǎn)因素[1,2]，造成地下水的污染以及下游建筑物的損壞，甚至產(chǎn)生巨大的社會(huì)危害[3]。由李愿、郭振世所收集的資料表明,我國是一個(gè)礦產(chǎn)生產(chǎn)大國，共有12 000余座尾礦庫。但是，能夠正常運(yùn)行的尾礦庫還不足70%，有的行業(yè)近50%的尾礦庫處于險(xiǎn)、病、超期服役狀態(tài)[4,5]。近50年以來，我國所發(fā)生的30起各類尾礦庫事故中，由于潰壩引起的事故占到了50%[6]，死亡人數(shù)也呈明顯增長趨勢。特別是2008年山西省臨汾市尾礦庫發(fā)生潰壩事故，致多人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 619.2萬元。種種資料表明我國的尾礦庫早已是一個(gè)巨大的隱患，有必要采取合理的預(yù)防措施對(duì)尾礦庫進(jìn)行綜合治理，使我國的尾礦壩事故得到有效的控制[7]。

目前對(duì)于尾礦庫的穩(wěn)定性分析方法并沒有明確規(guī)定，由于尾礦物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜，邊界條件影響因素眾多，在用土力學(xué)進(jìn)行分析時(shí)，往往難以達(dá)到精確的分析結(jié)果。所以，針對(duì)某尾礦庫的滲水現(xiàn)象，采用水力學(xué)法和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)尾礦庫滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 尾礦庫工程概況

該尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，主要筑壩材料為選礦排出的細(xì)粒尾礦。尾礦庫初期壩的外坡比為1∶1.8，內(nèi)坡比為1∶1.6，壩高為12.82 m。堆積壩由內(nèi)、外兩部分壩體構(gòu)成，且內(nèi)外坡比均為1∶4。尾礦堆積層自上而下主要為尾中砂、尾粉砂、尾粉土及尾粉質(zhì)粘土。然而，細(xì)粒尾礦堆積壩的病害發(fā)生率在尾礦庫事故統(tǒng)計(jì)中所占的比例最高[8]，因此要對(duì)尾礦堆積物的物理力學(xué)指標(biāo)及其性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查分析，防止?jié)问鹿实陌l(fā)生。

該尾礦庫下游為羅山水庫，一旦發(fā)生潰壩危險(xiǎn)，則會(huì)造成該尾礦庫以及水庫等重要設(shè)施處于危險(xiǎn)狀態(tài)，甚至對(duì)水庫下游1 200多名居民、360棟建筑物以及多個(gè)村莊造成巨大威脅。因此，要加強(qiáng)對(duì)筑壩材料的篩選、嚴(yán)格要求筑壩的工藝，尤其要對(duì)尾礦庫的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)全面的分析。

3 尾礦庫初期運(yùn)行安全性分析

該尾礦庫的初期壩用上游式筑壩法堆筑而成，為了避免初期壩外坡發(fā)生滲透破壞的可能，在壩內(nèi)設(shè)置排滲盲井，外包土工布并設(shè)置濾水層，且在危險(xiǎn)性最大的外坡上鋪筑排滲層，降低浸潤線從初期壩外坡逸出的幾率，使尾礦庫的初期運(yùn)行得到一定的保障，從而增強(qiáng)后期運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

目前該尾礦庫全庫容約為2 087萬m3，壩高為90 m。根據(jù)表1尾礦庫等別劃分標(biāo)準(zhǔn)，該尾礦庫屬于三等尾礦庫。

表1 尾礦庫等別劃分標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)液性指數(shù)IL可以將庫區(qū)尾砂劃分為粘性土，而粘性土一般發(fā)生的滲透破壞形式為流土。參考《土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)》中粘性土的抗?jié)B強(qiáng)度計(jì)算公式[9]，可以表示為：

Jcr=0.4C+1.25(Gs-1)(1-n)cosα

(1)

其中，C為抗?jié)B粘聚力，kPa；Gs為土粒比重;n為土體孔隙率;α為土體與邊坡的夾角。

根據(jù)該公式，計(jì)算得到庫區(qū)臨界各尾礦層的抗?jié)B強(qiáng)度見表2。

表2 庫區(qū)尾砂層抗?jié)B強(qiáng)度數(shù)值表

參考尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)資料，滲透安全系數(shù)由所求土體的抗?jié)B強(qiáng)度Jcr與水力坡降J的比值所表示。

本工程堆積壩外坡比約為1∶4，因此堆積壩外坡實(shí)際滲流逸出點(diǎn)水力坡降J=1/m=1/4=0.25(m為堆積壩邊坡系數(shù))。

由滲透安全系數(shù)公式：

Ks=Jcr/J

(2)

得到各砂層的滲透安全系數(shù)Ks≥9.08。在工程實(shí)例中，三等尾礦庫的安全系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)值取Ks≥1.5～2.0，顯然能夠滿足所求值。因此，玲南尾礦庫在初期運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

4 尾礦庫壩體浸潤線分析計(jì)算

4.1 壩體溢水點(diǎn)分析

在尾礦庫的后期運(yùn)行過程中，隨著礦砂的不斷沉積會(huì)造成排滲層的堵塞，無法很好地實(shí)現(xiàn)排滲降水的功能。因此，應(yīng)對(duì)該工況下尾礦堆積壩的滲透破壞進(jìn)行分析[10]。

在垂直方向，尾礦呈現(xiàn)上層粗、下層細(xì)，各沉積層坡度接近于堆積壩坡度的沉積規(guī)律，見圖1。

壩體溢水點(diǎn)的位置通常會(huì)隨著滲流的變化而從初期壩上移，而不是固定在某一層礦砂中，但在分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)符合以下假設(shè)：

1)當(dāng)排滲層發(fā)生堵塞失效，滲水不再從初期壩底溢出，其位置會(huì)相應(yīng)的發(fā)生轉(zhuǎn)移；

2)浸潤線轉(zhuǎn)折穿過尾中砂等粒徑相對(duì)較大的沉積層，不僅僅是處于礦砂底層；

3)壩體內(nèi)尾礦堆積層為各向同性的連續(xù)體；

4)各尾礦堆積層的滲透系數(shù)不變。

按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)范要求，取三級(jí)尾礦庫最小安全干灘長度為70 m[11]，尾中砂層滲透系數(shù)K=3.52×10-5m/s。

因壩軸線較長，為便于計(jì)算可采用“分段法”，將壩體分成Ⅰ,Ⅱ兩個(gè)部分，建立圖2所示坐標(biāo)系。

假設(shè)通過Ⅰ區(qū)的流量為q1，通過Ⅱ區(qū)的流量為q2，在相同時(shí)間內(nèi)，水流通過任意截面的流量是相同的，能夠得到q1=q2。

滲流從A—O斷面到B—C斷面產(chǎn)生的水頭差為ΔH=H1-H2，兩斷面間的滲透途徑長度為Δs=L-mH2，所以上游段的水力梯度可以用ΔH和Δs兩者的比值表示為:

Joc=(H1-H2)/(L-mH2)

(3)

在計(jì)算上游段Ⅰ區(qū)的平均滲流流速時(shí)，考慮到滲流是在恒定非均勻漸變層中發(fā)生的，所以需要用杜比公式而不是達(dá)西定律來求解任意點(diǎn)的滲流流速，表示為:

V1=kJoc=k(H1-H2)/(L-mH2)

(4)

為了計(jì)算出通過上游段Ⅰ區(qū)的滲流量，可以將Ⅰ區(qū)近似看作梯形，而在任一過水?dāng)嗝娴母叨瓤梢杂闷骄祦肀硎荆敲赐ㄟ^壩體單位寬度下的平均斷面面積為:

A=0.5(H1+H2)

(5)

由式(4)和式(5)便能計(jì)算出通過上游段Ⅰ區(qū)的單位寬度滲流量為:

q1=V1A=k(H1-H2)/2(L-mH2)

(6)

下游段Ⅱ區(qū)單位寬度滲流量采用巴甫諾夫斯基公式可得:

q2=kH2/(m+0.5)

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)，將H1=90 m，m=4,L=390 m代入方程得單位寬度滲流量q=q1=q2=35.51×10-5m3/(s·m),H2=45.4 m，則溢出點(diǎn)高程為+197.6 m。按照各尾礦沉積層的堆積厚度，可推斷溢出點(diǎn)位于尾中砂層，在實(shí)際壩頂高程+242.2 m以及尾中砂層下界面高程+192.2 m范圍內(nèi)，所以該研究方法可近似估算堆積壩外坡的溢水點(diǎn)位置。

4.2 壩體浸潤線方程計(jì)算

當(dāng)入滲點(diǎn)和溢水點(diǎn)作為已知條件的情況下，可以通過建立一組直角坐標(biāo)系來研究浸潤線的曲線方程，設(shè)上游的入滲起始斷面為y軸，任意垂直的水平面為x軸。

在滲流深度為y的A—O斷面上，平均滲流速度可按杜比公式求得：

v=kJ=-k·dy/dx

(8)

則經(jīng)過該斷面的單位寬度滲流量為:

q=-ky·dy/dx

(9)

積分得:

qx=-0.5ky2+c

(10)

利用已知邊界條件求解c，即當(dāng)x=0時(shí)，y=H1，代入得:

(11)

聯(lián)立式(8)和式(9)得:

qx=-0.5ky2+2

(12)

代入數(shù)據(jù)得浸潤線方程為:

y2=-20.18x+8 100

(13)

通過浸潤線方程的計(jì)算分析，能幫助管理人員準(zhǔn)確掌握浸潤線高度，并采取有效的措施降低浸潤線高度，從而確保尾礦庫的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

1)對(duì)該尾礦壩的穩(wěn)定性分析中，采用水力學(xué)法對(duì)各砂層的滲透安全系數(shù)Ks值進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算值與三等尾礦庫的安全經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。因此，可以認(rèn)為該尾礦庫在運(yùn)行前期是相對(duì)穩(wěn)定的。

2)在尾礦庫的不同運(yùn)行周期，可以通過理論計(jì)算出壩體的溢水點(diǎn)和浸潤線方程，能夠幫助管理人員大致掌握浸潤線高度變化。由計(jì)算結(jié)果說明在該尾礦壩運(yùn)行后期可能會(huì)出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象，需要加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警和安全管理。同時(shí)，為今后此類工程的建設(shè)與運(yùn)行提供了一定的借鑒意義。