霍晨瑋，沈振中

(河海大學 水利水電學院，南京 210098)

造成尾礦壩失穩(wěn)的原因眾多，其中強降雨引起的尾礦壩滲流破壞是失穩(wěn)的主要原因之一[1-3]。尾礦壩潰壩實例調(diào)查研究表明，很多潰壩事故均發(fā)生在區(qū)域性強降雨之后[4-6]，降雨入滲導致尾礦壩表層非飽和尾砂的含水量增加，基質(zhì)吸力下降，壩體抗剪強度降低[7]，進而威脅尾礦壩的穩(wěn)定性。在我國，早期建設(shè)起來的尾礦壩已達到或接近最初設(shè)計壩高，由于種種原因需要繼續(xù)加高擴容。但是，壩體逐漸加高以后，其穩(wěn)定性及滲流問題將越來越突出，尾礦壩一旦失穩(wěn)，相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展、下游居民的生命財產(chǎn)安全以及周圍地下水和江河流域的水質(zhì)將受到巨大危害[8]。因此，開展降雨入滲對加高擴容尾礦壩滲流穩(wěn)定性研究至關(guān)重要。本文以某加高擴容尾礦壩為研究對象，基于非飽和-飽和滲流理論和極限平衡法，利用Geostudio計算軟件進行數(shù)值模擬，探討降雨強度一定或總降雨量一定情況下降雨持續(xù)時間對滲透穩(wěn)定性規(guī)律的影響。

1 計算模型

1.1 工程背景

我國河南省欒川縣某上游式尾礦庫建于一條狹長山谷內(nèi)，溝谷斷面形狀多呈“V”字形。該尾礦庫初期壩壩型為碾壓堆石壩，壩頂標高1 025 m，壩頂壩高54 m，壩頂寬4 m，上游邊坡1∶1.6，下游邊坡1∶1.7。二期加高擴容工程采用上游法加高尾礦壩，堆積標高1 170 m，總壩高199 m，總庫容1 823.98萬m3，為二等庫。

1.2 材料分區(qū)和邊界條件

選取該加高擴容尾礦壩典型斷面，根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以及顆粒級配情況，將其劃分為尾粉質(zhì)黏土、尾粉土、尾粉砂、初期壩和基巖五個區(qū)域。分別于壩坡的頂部、中部和底部的表層選取特征控制點A、B、C，特征控制點所在斷面為特征控制斷面a、b、c，建立如圖1所示的計算模型，有限元計算模型網(wǎng)格劃分見圖2，共包含節(jié)點數(shù)2 953個、單元數(shù)2 826個。該加高擴容尾礦壩計算模型的力學邊界條件：限定基巖的水平和豎直方向的位移。地下水滲流邊界條件：基巖底端為不透水邊界，上游水位按正常運行水位確定，無下游水位，初期壩面、堆積壩面、壩頂灘面作為降雨入滲邊界。

圖1 壩體典型斷面圖Fig.1 Typical section of the dam

圖2 壩體典型斷面有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of typical section of dam body

1.3 計算參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗值，組成該尾礦壩的材料物理力學參數(shù)見表1。滲流特性分析計算中，已知各分區(qū)材料的飽和體積含水率和飽和滲透系數(shù)，結(jié)合Geostudio內(nèi)置材料庫估算其體積含水率函數(shù)和水力傳導率函數(shù)；邊坡穩(wěn)定性研究計算中，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，是一種理想彈塑性模型。

表1 材料物理力學性質(zhì)

1.4 計算工況

本文分析降雨持續(xù)時間對該加高擴容尾礦壩的影響，主要考慮兩種情況：相同降雨總量下不同降雨時長和相同降雨強度下不同降雨時長。

表2 計算工況

2 計算結(jié)果與分析

2.1 加高擴容尾礦壩滲流特性分析

為了全面分析該加高擴容尾礦壩滲流穩(wěn)定性受降雨時長的影響規(guī)律，選取尾礦壩表層特征控制點A、B、C，分別反應尾礦壩表層不同位置點的孔隙水壓力變化規(guī)律；選取特征控制點所在斷面為特征控制斷面a、b、c，反應尾礦壩孔隙水壓力隨壩內(nèi)高程的變化規(guī)律。

2.1.1 特征控制點處孔隙水壓力變化規(guī)律

1)降雨總量相同，降雨歷時不同

降雨總量為180 mm，降雨歷時分別為8、12、16和20 h，壩坡表層特征控制點A、B、C的孔隙水壓力變化見圖3。由圖3可知，各特征點的孔壓變化規(guī)律一致，即隨著降雨時長的增加而不斷升高。降雨總量一定條件下，降雨時間短、降雨強度大時，壩坡表層的負孔隙水壓力增大速率更快；降雨歷時不同的同一特征點雨停時的孔隙水壓力變化量相等，這是由于降雨強度始終低于邊坡土體的滲透系數(shù)，雨水通過壩坡表面完全滲入到壩體內(nèi)部，使得壩坡淺層土壤的孔壓逐漸增大，但孔壓依舊為負，未出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)；雨停時，特征點A、B、C的孔壓分別增大約128.77、35.00和133.98 kPa，這是由于雨水通過表面滲入后，從壩體內(nèi)部流向下游，因此壩坡下部孔隙水壓力變化量最大。

圖3 降雨總量相同條件下特征點孔壓變化隨時間的變化Fig.3 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall amount

2)降雨強度相同，降雨歷時不同

降雨強度為12 mm/h，降雨歷時為8、12、16和20 h，壩坡表層特征控制點A、B、C的孔隙水壓力變化見圖4。由圖4可知，各特征點的孔壓變化規(guī)律一致，即隨著降雨時長的增加而不斷升高。降雨前，特征點B處的孔壓最大，特征點A處的孔壓最小；降雨歷時20 h后，特征點B處的孔壓最小，特征點C處的孔壓最大；降雨強度一定條件下，特征點B處的孔壓變化率最小，特征點C處的孔壓變化率最大。不同降雨歷時各特征點孔壓變化率見表3。

表3 特征點孔壓變化

圖4 降雨強度相同條件下特征點孔壓變化隨時間的變化Fig.4 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall intensity

2.1.2 特征斷面孔隙水壓力縱向變化規(guī)律

選取工況降雨強度12 mm/h、降雨時長20 h，探討不同特征斷面的縱向孔壓變化規(guī)律，見圖5。初始狀態(tài)下，特征斷面a和特征斷面b上孔壓與高程呈線性關(guān)系，特征斷面c在一定高程以上孔壓保持不變；隨著降雨時間的推進，各斷面下部高程的孔壓幾乎不變，表層孔壓逐漸增大，其中斷面c的表層孔壓變化率最大，有形成暫態(tài)飽和區(qū)的趨勢，負孔隙水壓力趨于零，整體基質(zhì)吸力近乎消失。

圖5 孔隙水壓力縱深變化規(guī)律Fig.5 Variation law of pore water pressure depth

2.2 加高擴容尾礦壩穩(wěn)定性研究

采用極限平衡法，研究該加高擴容尾礦壩在降雨量一定或降雨強度一定條件下壩坡穩(wěn)定性系數(shù)隨降雨時長的變化規(guī)律，見圖6。隨著降雨時間的推移，尾礦壩安全系數(shù)持續(xù)減小。降雨總量一定條件下，降雨時間越短、降雨強度越大，尾礦壩安全系數(shù)降低速率越快；降雨總量達到180 mm時，降雨時間長、降雨強度小時的安全系數(shù)最小，降雨時長8、12、16、20 h后尾礦壩安全系數(shù)分別為1.178 6、1.178 2、1.177 9、1.177 7，降幅分別為0.15%、0.19%、0.21%、0.23%。降雨強度一定條件下，隨著時間的推移，安全系數(shù)逐漸降低，降雨時長8、12、16、20 h時尾礦壩安全系數(shù)分別為1.179 3、1.178 5、1.177 8、1.177 2，降幅分別為0.09%、0.16%、0.22%、0.27%。

圖6 尾礦壩安全系數(shù)隨時間的變化Fig.6 Variation of safety factor of tailings dam with time

3 結(jié)論

本文基于飽和-非飽和滲流理論和極限平衡法，利用Geostudio計算軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，考慮降雨總量一定或降雨強度一定條件下降雨持續(xù)時間對某加高擴容尾礦壩滲流特性和穩(wěn)定性的影響。通過分析可得如下結(jié)論：

1)隨著降雨時間的推移，壩體下部高程的孔壓幾乎不變，降雨入滲使得壩坡表層非飽和區(qū)含水量增大，表層孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力降低，從而導致尾礦壩穩(wěn)定性降低。

2)降雨總量一定條件下，降雨時間短、降雨強度大時，表層孔隙水壓力變化率大，但最終對壩坡穩(wěn)定性造成的影響??；降雨時間長、降雨強度小時，表層孔隙水壓力變化率小，但最終對壩坡穩(wěn)定性造成的影響大。

3)降雨強度一定條件下，隨著降雨時間的推移，尾礦壩安全系數(shù)隨著降雨量的增大而減小。