王立彬，汪登峰

(中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066004)

尾礦庫是用來貯存金屬礦山、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場所。尾礦庫的安全穩(wěn)定不僅關(guān)系到礦山的正常生產(chǎn)，還直接影響到下游人民的生命財產(chǎn)安全。從諸多尾礦庫失事的工程案例來看，幾乎所有的尾礦庫安全事故均與水有關(guān)[1]，這是由于尾礦庫既是貯存尾礦又是貯存水的特殊構(gòu)筑物。水是影響尾礦庫滲流穩(wěn)定[2]、壩體變形與穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，研究水在尾礦庫中的滲流問題具有重要意義。寧民霞等[3]通過研究揭示了水對尾礦壩巖土力學(xué)的作用，重點研究了水的動態(tài)變化引起的壩體變形場與應(yīng)力場及滲流場的變化，反映了壩體變形量的大小與壩體的穩(wěn)定性問題。張力霆等[4]分析了庫區(qū)水位急劇變化時壩體浸潤線的變化規(guī)律及其對尾礦庫壩體穩(wěn)定的影響，基于二維非穩(wěn)定滲流方程，通過計算得出了壩體的非穩(wěn)定滲流場和壩體浸潤線的變化規(guī)律，并通過簡化Bishop法得出了浸潤線變化與穩(wěn)定性的關(guān)系。秦華禮等[5]基于水在尾礦庫安全運(yùn)行中的重要作用，闡述了水作用于壩體邊坡的兩種途徑，并以水在滑坡災(zāi)害中的作用為例，探討了水對壩體穩(wěn)定性的影響及其作用機(jī)理。馬池香等[6]將水土作用理論引入尾礦壩滲流場分析中，從宏觀和微觀兩方面探討尾礦壩內(nèi)水土交互作用，以某鐵礦尾礦壩為例進(jìn)行了有限元滲流模擬。尹光志等[7]采用物理模型實驗研究了洪水情況下壩體浸潤線的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

尾礦庫內(nèi)貯存水與水庫內(nèi)貯存水在壩體結(jié)構(gòu)上不同，尾礦庫是利用尾礦堆積壩灘前放礦形成的沉積灘坡面進(jìn)行擋水，內(nèi)側(cè)沉積灘坡面較緩，一般平均坡度在2%左右，外側(cè)堆積壩坡度較陡，一般平均坡度在1∶4左右；而水庫是利用尾礦庫中所謂的初期壩進(jìn)行擋水，壩體內(nèi)和壩體外坡度均較陡，一般在1∶2～1∶3.5之間，二者在壩體結(jié)構(gòu)上的不同決定了尾礦庫壩體內(nèi)浸潤線的變化對壩體穩(wěn)定的影響不同于水庫內(nèi)水位的變化。對于水庫來說，當(dāng)庫水位快速上升時，迎水面壩坡處水向壩體內(nèi)滲流，對土骨架的滲透力指向壩體內(nèi)，滲透力有利于增加迎水面壩坡抗滑力，使迎水面壩坡安全系數(shù)提高；背水面壩坡處水向壩體外滲流，滲透力指向壩體外，滲透力減小背水面壩坡抗滑力，增加背水面壩坡滑動力，使背水面壩坡安全系數(shù)降低。當(dāng)庫水位快速下降時，迎水面壩坡處水向壩體外滲流，對土骨架的滲透力指向壩體外，滲透力增加迎水面壩坡滑動力，減少迎水面壩坡抗滑力，使迎水面壩坡安全系數(shù)降低；背水面壩坡處浸潤線下降，滲透力減小，與高水位相比，背水面壩坡抗滑力增加，滑動力減小，安全系數(shù)提高。對于尾礦庫來說，迎水面壩坡即沉積灘面坡度極緩不存在失穩(wěn)問題，關(guān)鍵是由尾礦堆積而成的尾礦壩下游壩坡(即背水面)，當(dāng)庫水位快速上升時，尾礦壩體內(nèi)浸潤線升高，下游壩坡處水向壩體外滲流，滲透力指向壩體外，滲透力減小下游壩坡抗滑力，增加下游壩坡滑動力，使下游壩坡安全系數(shù)降低；當(dāng)庫水位快速下降時，下游壩坡處浸潤線下降，滲透力減小，抗滑力增加，滑動力減小，安全系數(shù)提高。在汛期，尾礦庫水位經(jīng)常發(fā)生驟升驟降，在庫水位驟升驟降過程中，壩體很難形成穩(wěn)定浸潤線，壩體浸潤線變化的速度，一般取決于庫區(qū)水位變化的速度、土體的滲透系數(shù)和土體的給水度等因素[4]?！段驳V設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[8]并未對庫水位驟變條件下的非穩(wěn)定滲流工況做任何規(guī)定，鑒于此，有必要針對尾礦庫汛期庫水位驟變時的非穩(wěn)定滲流工況分析壩體穩(wěn)定性。本文結(jié)合尾礦庫工程實例，以尾礦庫調(diào)洪演算成果作為非穩(wěn)定滲流分析的計算依據(jù)，在非穩(wěn)定滲流分析的基礎(chǔ)上研究尾礦庫壩體的穩(wěn)定性。

1 工程概況

河北省承德市某尾礦庫地處燕山山脈，地勢南高北低，溝谷發(fā)育，地貌為燕山中低山區(qū)。溝谷呈Y字型布置，近于南北走向；溝谷斷面呈V字型。溝谷內(nèi)植被以松樹、杏樹為主，植被較為豐富，局部基巖裸露。該地區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，抗震設(shè)防烈度為6度。庫區(qū)所在區(qū)域?qū)俅箨懠撅L(fēng)氣候，冬長而寒冷，夏短而炎熱，年平均降水量508.4 mm，歷年最大積雪深度15 cm，場地地下水埋深在16.0 m以下，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.20 m[10]。

該公司選礦廠采用單一磁選工藝，礦石類型為釩鈦鐵礦，生產(chǎn)能力為年產(chǎn)65%鐵精粉10萬t，年排尾礦量為40萬t。 尾礦粒徑為0.01～0.30 mm，尾礦輸送濃度為15%～17%，尾礦平均干容重1.5 t/m3。該尾礦庫為典型山谷型尾礦庫，初期壩位于南面谷口處，壩體結(jié)構(gòu)為透水堆石壩，壩底標(biāo)高530 m，壩頂標(biāo)高540 m，壩高10 m，壩頂寬4 m，壩軸線長80 m，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.75。 庫區(qū)排洪系統(tǒng)采用井-管型式，排水井為窗口結(jié)構(gòu)，井壁內(nèi)徑2.0 m，壁厚0.2 m，每層設(shè)置6個進(jìn)水孔，內(nèi)徑0.3 m，外徑0.35 m；排水管內(nèi)徑為1.2 m，管壁厚0.3 m?，F(xiàn)狀尾礦庫堆積壩頂標(biāo)高570 m，平均外坡比1∶4.0，堆積壩高30 m。庫水位為564.5 m，壩前沉積灘坡度為1%。現(xiàn)狀總壩高40 m，總庫容約50萬m3，等別為四等，防洪標(biāo)準(zhǔn)按200年一遇計算。

2 汛期洪水位確定

1) 洪水計算。根據(jù)實測現(xiàn)狀地形圖，尾礦庫庫區(qū)匯水面積為0.354 km2。依據(jù)當(dāng)?shù)厮氖謨赃M(jìn)行洪水計算，24 h降雨量為151.10 mm，洪峰流量為36.34 m3/s，洪水總量為1.79萬m3，洪水總歷時為1.09 h。

2) 調(diào)洪庫容?，F(xiàn)狀尾礦庫等別為四等，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[8]確定最小干灘長度為50 m，最小安全超高為0.5 m。 尾礦庫水位為564.5 m，確定調(diào)洪高度為5.0 m，計算調(diào)洪庫容為1.88萬m3。

3) 排洪系統(tǒng)泄流能力計算。井-管式排洪系統(tǒng)的工作狀態(tài)，隨泄流水頭的大小而異。當(dāng)水頭較低時，泄流量較小，排水井內(nèi)水位低于最低工作窗口的下緣，此時為自由泄流；當(dāng)水頭逐漸增大，井內(nèi)被水充滿，但排水管尚未呈滿管流，泄流量受排水管的入口控制，此時為半壓力流；當(dāng)水頭繼續(xù)增大，排水管呈滿流時，即為壓力流。在調(diào)洪高度范圍內(nèi)排洪系統(tǒng)的泄流量計算成果見表1。

表1 井-管式排洪系統(tǒng)泄流能力計算成果表

表2 調(diào)洪演算成果表

3 非穩(wěn)定滲流作用下的壩體穩(wěn)定性分析

3.1 壩體結(jié)構(gòu)和尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)尾礦庫巖土工程勘察報告[10]對尾礦堆積體進(jìn)行概化分層，建立分析模型見圖1，各分層材料物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

圖1 尾礦壩體結(jié)構(gòu)模型

表3 壩體各材料的物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 壩體非穩(wěn)定滲流分析

采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)軟件中的滲流分析模塊和穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行計算分析。首先在軟件中填寫材料表并定義斷面材料分界線，即將表3中的參數(shù)輸入軟件并按圖1模型定義材料分界線；然后劃分網(wǎng)格，選擇自動網(wǎng)格劃分功能，劃分前先定義BASELINE，然后指定網(wǎng)格尺寸為4 m，最后點擊生成單元網(wǎng)格，生成后如網(wǎng)格尺寸不合適，可刪除網(wǎng)格重新定義尺寸參數(shù)生成網(wǎng)格；再定義水位變化邊界，即將表2中的正常運(yùn)行水位、最高洪水位及洪水上升歷時輸入軟件，并繪制上游邊界線、下游邊界線，最后求解非穩(wěn)定滲流場，求解到12 h，求解步數(shù)為12步，保存每一步計算結(jié)果。

圖2為軟件所求出的庫水位驟升過程中的壩體非飽和浸潤線，圖3為軟件所求出的庫水位驟降過程中的壩體非飽和浸潤線。從圖2中可以看出，隨著庫水位不斷上升，壩體內(nèi)浸潤線前部不斷上升，形成反坡S形，但由于庫水位上升速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內(nèi)形不成穩(wěn)定的浸潤線。從圖3中可以看出，隨著庫水位不斷下降，壩體內(nèi)浸潤線前部不斷下降，形成弧線形，但由于庫水位下降速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內(nèi)無法形成穩(wěn)定的浸潤線。

圖2 尾礦庫水位驟升過程中壩體非飽和浸潤線

圖3 尾礦庫水位驟降過程中壩體非飽和浸潤線

在非飽和滲流穩(wěn)定計算結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行壩體穩(wěn)定性計算分析，首先指定滑弧搜索范圍，然后打開Slope選項，選擇運(yùn)行期有效應(yīng)力法的簡化畢肖普法，指定分條數(shù)為30，精度選擇3級，再對非穩(wěn)定滲流分析過程中所生成的每條浸潤線進(jìn)行滑弧穩(wěn)定計算分析，即計算12次壩體穩(wěn)定性。圖4為尾礦壩體在庫水位驟升過程中的穩(wěn)定性分析結(jié)果。圖5為尾礦壩體在庫水位驟降過程中的穩(wěn)定性分析結(jié)果。從圖4中可以看出，由于庫水位驟升過程壩體浸潤線后部上升緩慢，壩體滑弧位置基本沒有變動，壩體抗滑穩(wěn)安全系數(shù)僅從1.474下降至1.465，此時對壩體抗滑穩(wěn)定性影響不大，具體變化情況見圖6。當(dāng)庫水位長期穩(wěn)定在最高洪水位時，將形成一條穩(wěn)定浸潤線(圖4)，浸潤線以下壩體達(dá)到飽和狀態(tài)，此時壩體抗滑穩(wěn)安全系數(shù)為1.357，明顯下降。從圖5中可以看出，由于庫水位驟降過程壩體浸潤線后部下降緩慢，壩體滑弧位置也基本沒有變動，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅從1.357上升至1.367，此時對壩體抗滑穩(wěn)定性影響不大，具體變化情況見圖7。當(dāng)庫水位長期穩(wěn)定在正常運(yùn)行水位時，將形成一條穩(wěn)定浸潤線(圖5)，浸潤線以下壩體達(dá)到飽和狀態(tài)，此時壩體抗滑穩(wěn)安全系數(shù)為1.474，明顯提高。

圖4 尾礦庫水位驟升時尾礦壩體抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

圖5 尾礦庫水位驟降時尾礦壩體抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

圖6 尾礦庫水位驟升過程中壩體安全系數(shù)

圖7 尾礦庫水位驟降過程中壩體安全系數(shù)

4 結(jié) 論

1) 在庫水位驟升過程中，壩體內(nèi)浸潤線前部隨著庫水位不斷上升而上抬，形成反坡S形，但由于庫水位上升速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內(nèi)無法形成穩(wěn)定的浸潤線，壩體滑弧位置基本無變動，壩體抗滑穩(wěn)安全系數(shù)僅從1.474下降至1.465，此時對壩體抗滑穩(wěn)定性影響不大，但是一旦在最高洪水位形成穩(wěn)定浸潤線，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)將明顯降低，下降至1.357。

2) 在庫水位驟降過程中，壩體內(nèi)浸潤線前部隨著庫水位不斷下降而下降，形成弧線形，但由于庫水位下降速度較快，加上壩體滲透性的影響，浸潤線后部變化很緩慢，在壩體內(nèi)無法形成穩(wěn)定的浸潤線，壩體滑弧位置也基本無變動，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅從1.357上升至1.367，此時對壩體抗滑穩(wěn)定性影響不大，但是一旦在正常運(yùn)行水位形成穩(wěn)定浸潤線后，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)將明顯提高，上升至1.474。

鑒于以上結(jié)論，在尾礦庫汛期運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格按《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[8]要求控制尾礦庫的一次洪水排出時間不大于72 h，避免壩體在高水位時形成穩(wěn)定浸潤線降低壩體抗滑穩(wěn)定性。尾礦庫在汛期應(yīng)保持低水位運(yùn)行，一方面保證尾礦庫防洪安全，另一方面也是保證壩體穩(wěn)定安全。在汛期安全檢查時，應(yīng)嚴(yán)格要求尾礦庫經(jīng)營企業(yè)將庫內(nèi)排洪系統(tǒng)全部打開，以加大泄洪能力縮短高水位運(yùn)行時間，確保尾礦庫壩體安全。