尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析_姜士磊.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析姜士磊，黄伟，赵凤岐，左帅，冀红（中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北省保定市东风中路 号 ；南昌大学 工程建设学院，江西省南昌市红谷滩区学府大道 号 ）摘要：为研究不同坝体形态对尾矿坝渗流稳定性的影响，分析上游式尾矿坝子坝向上游平移的安全距离，以新疆某尾矿库为工程实例，采用 软件 渗流分析模块饱和非饱和流 模型进行尾矿坝渗流场分析。通过模拟分析尾矿库现状各工况下渗流稳定性，并与勘察成果进行对比，渗流计算结果与勘察资料相吻合。同时，对不同坝体形态的渗流进行对比分析，当坝体形态发生改变时，尾矿堆积材料相对位置发生改变，从而对渗流产生较大影响。研究结果表明：尾矿堆积坝标高在 时，向上游平移距离不宜超过，否则应增设排水系统，以降低坡脚位置浸润线。关键词：饱和非饱和流；模型；尾矿库；渗流分析中图分类号：；文献标识码：由于上游式筑坝方法具有费用低，易于管理和维护等优点，因此国内尾矿坝多采用该方法筑坝。但上游式筑坝也存在浸润线偏高及沉积密度偏低等问题。尾矿库的安全对矿山生产和环保具有重要意义。李全明等在实践经验的基础上，对尾矿库安全评价方法进行了探讨，并认为排水不良及地震是影响尾矿库安全的重要因素。浸润线被称为尾矿库的生命线，因此尾矿库渗流稳定性分析至关重要。而影响尾矿库渗流场的因素很多，齐清兰采用有限元法分析了干滩长度及尾矿坝下游坡比对浸润线的影响。是一套由加拿大开发的地质工程设计分析软件，模块对尾矿库渗流场分析有较好的适用性。孙兆涛等采用 的 模块和 模块进行耦合分析了尾矿坝边坡稳定性，计算结果符合实际。尾矿库的渗流分析要综合考虑各种影响因素，如干滩长度，尾矿库的放矿情况，雨水及尾矿坝沉积规律等。通过工程应用实例分析尾矿库不同工况下浸润线埋深，发现坝体形态不同，对浸润线高低有较大影响。同时，进一步模拟了上游式尾矿堆积坝某一级子坝向上游平移不同距离时，该级子坝坡脚附近浸润线的埋深不同。随着平移距离的增大，该级子坝坡脚附近浸润线埋深变小，甚至影响坝体渗流稳定性。根据尾矿沉积规律，自坝顶至库尾尾矿颗粒逐渐变小，子坝向上游平移，导致该级子坝坡脚及坝前以下尾矿土渗透系数逐渐变小，也是导致浸润线升高的原因之一。工程概况某尾矿库于 年完成设计，设计堆积标高 ，设 计 总坝 高 为 ，总库容 约 万。目前尾矿堆积标高 。设计为上游法筑坝，从沟底标高 开始建初期坝，初期坝坝顶标高 ，坝 高，坝 长 ，坝 坡 坡 度，坝顶宽度，外坡 高程处设置了马道，马道宽度；尾矿堆积坝坝坡坡度。尾矿库汇水面积为 ，尾矿水及降雨排泄方式为：尾矿库排洪系统，回水循环利用系统及坝体渗流。库内排洪系统由座排洪塔、座竖井、条隧洞（排水管）组成。排洪隧洞（排水管）总长为 。按照 年一遇洪水设计，经窗口式钢筋混凝土排洪塔泄流，城门洞型排洪洞排洪，已使用个排洪塔。现在正在使用的排洪塔，高。尾矿坝运行期间，干滩长度约为 ，安全情况良好，未发生破坏迹象。收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省水利厅科技项目（）第一作者简介：姜士磊（），男，河北邯郸人，工程师，主要研究方向为岩土工程。：为使尾矿库充分利用实际地形条件和延长尾矿库的使用年限，在标高 豁口处增加混凝土重力坝一座，最大坝高约 ，坝长为 。混凝土重力坝坝顶标高为 ，所以尾矿堆积到标高 时，坝顶放矿管需向上游平移 ，然后继续使用尾矿筑坝。此坝在尾矿堆至 前建好。尾矿堆积到标高 前，在尾矿库上游的第二个豁口处建副坝一座，最大坝高为 ，坝长为 ，筑坝材料为堆石坝。当尾矿堆高达到标高 时，尾矿库同时在副坝坝顶和主坝坝顶放矿筑坝。根据 尾矿设施设计规范（）勘察时尾矿库为三等库，终了尾矿库为二等库。计算原理与计算参数 计算原理 研究得出非饱和土体含水量与基质吸力之间函数关系式：（）（）（）式中，、为拟合参数，其中；为体积含水量，；为基质吸力，。计算参数表尾矿坝各岩土层稳定性分析参数表 土层编号岩土名称天然（）饱和 （）天然 天然 （）饱和 饱和 （）天然含水率饱和含水率饱和度渗透系数（）尾粉砂 尾粉砂 尾粉土 尾粉砂 尾粉土 尾粉砂 尾粉土 尾粉土 尾粉质黏土 粉土 变质砂岩 变质砂岩 初期坝 根据不同粒径及不同状态材料，土水特性曲线分别选取模型中的相应材料模型进行计算。以尾粉砂和尾粉土为例，其土水特性曲线和渗透函数曲线，如图和图所示。图尾粉砂土水特性曲线图及渗透函数曲线图 第期姜士磊等：尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析图尾粉土土水特性曲线图及渗透函数曲线图 尾矿库渗流分析 计算模型为分析不同坝体形态对渗流稳定性的影响，分别选取主坝和副坝进行渗流稳定性分析。根据地质勘察资料对尾矿库主坝和副坝建立数值模型。计算模型如图和图所示。图主坝渗流分析模型 图副坝渗流分析模型 计算结果分析 正常工况下渗流分析正常工况下，主坝干滩长度 ，副坝干滩长度 。考虑放矿水影响，采用模型进行渗流场反演分析，反演分析计算参数见表，分析结果如图和图所示。从图上可以看出：数值计算结果与实测结果基本符合，采取 模型模拟尾矿坝渗流合理可行。由于主坝在 标高时，坝顶向上游平移了 ，导致坝体形态发生较大改变。该平台以上形成一个新的尾矿堆积体，尾矿堆积材料发生改变，故 平台上游堆积坝坡脚处水位较高。为保障尾矿库安全运行，在该坡脚处设置了降水井及排水系统，以达到降低该处坡脚浸润线的效果。副坝坝体形态未发生改变，为常见上游式尾矿坝渗流情况，故不存在某个子坝坡脚浸润线偏高的现象。河北水利电力学院学报 图主坝实测与计算浸润线 图副坝实测与计算浸润线 洪水工况下渗流分析洪水工况时设计院对该尾矿库的调洪验算，给出的干滩长度建议值为：主坝 ，副坝 。将正常工况时反演分析所得的渗流参数应用于此，反演分析计算参数见表，渗流计算结果如图和图所示。与正常工况进行对比，尾矿坝洪水工况的浸润线整体有所抬升，浸润线分布较为均匀，坝坡面无渗流溢出点。尾矿库蓄水能力较强，且设有排水沟，库尾排洪排渗设施完善，满足排洪要求。洪水工况下，平台上游坡脚处水位较正常工况有所升高，此时应加强该处坡脚降排水系统的排水能力，保证该处浸润线位于安全范围内。图主坝洪水工况浸润线及总水头等值线云图 图副坝洪水工况浸润线及总水头等值线云图 抗滑稳定性计算结果根据 尾矿设施设计规范（）第 条，坝体稳定性计算采用简化毕肖普法或瑞典圆弧法。基于渗流稳定性计算结果，进行抗滑稳定性计算，计算结果见表。安全系数计算值均高于安全系数限值，可以得出结论，尾矿库现状坝体是稳定的。第期姜士磊等：尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析表尾矿库抗滑稳定性计算结果 位置及坝顶标高计算工况计算方法安全系数计算值安全系数限值备注主坝：坝顶标高 副坝：坝顶标高 正常运行洪水运行正常运行洪水运行瑞典圆弧法 满足简化毕肖普法 满足瑞典圆弧法 满足简化毕肖普法 满足瑞典圆弧法 满足简化毕肖普法 满足瑞典圆弧法 满足简化毕肖普法 满足尾矿库坝体形态对渗流影响分析 坝体形态对浸润线的影响分析为进一步研究尾矿库不同坝体形态对渗流的影响，在已建立的渗流计算模型基础上进行概化，取消尾矿堆积坝中层尾粉土和层尾粉土透镜体，更有利于分析坝体形态对尾矿坝渗流影响。在不考虑现场实际地形条件影响的情况下，分别对尾矿堆积坝在标高 向上游平移，及 建立渗流计算模型。渗流稳定性分析工况选择正常工况，考虑放矿水影响，干滩长度均为 。渗流计算结果如图图 所示，平移距离与标高 坡脚处浸润线埋深关系曲线如图 所示。图平移 主坝正常工况浸润线及总水头等值线云图 图 平移 主坝正常工况浸润线及总水头等值线云图 图 平移 主坝正常工况浸润线及总水头等值线云图 河北水利电力学院学报 图 平移 主坝正常工况浸润线及总水头等值线云图 图 平移距离与坡脚处浸润线埋深曲线 渗流计算结果表明：尾矿堆积坝在标高 向上游平移 时，标高 坡脚位置浸润线埋深为 ；尾矿堆积坝在标高 向上游平移 时，标高 坡脚位置浸润线埋深为 ；尾矿堆积坝在标高 向上游平移 时，标高 坡脚位置浸润线埋深为 ；尾矿堆积坝在标高 向上游平移 时，标高 坡脚位置浸润线埋深为 。随着尾矿堆积坝在标高 向上游平移距离的增加，浸润线溢出点位置不变，浸润线整体趋势变平缓，但标高 坡脚浸润线的埋深逐渐减小。随着尾矿堆积坝在标高 位置向上游平移距离增加，标高 以上逐渐形成一个独立的尾矿堆积体，坡脚浸润线埋深减小，标高 坡脚位置会形成该级子坝的渗流出口，造成尾矿堆积坝渗透破坏。堆积坝材料对浸润线的影响分析通过坝体形态对尾矿坝浸润线的影响分析，尾矿堆积坝在标高 向上游平移 时，进一步概化后的渗流计算模型，标高 坡脚位置浸润线埋深为 ，大于原渗流计算模型计算结果的 ，原渗流计算模型计算结果如图 所示。图 原计算模型主坝正常工况浸润线及总水头等值线云图 原计算模型中由于包含层尾粉土和层尾粉土透镜体，其渗透系数相对较小，因此原计算模型的尾矿坝浸润线较高。随着尾矿堆积坝在标高 位置向上游平移距离增加，影响了尾矿堆积坝整体沉积规律，导致上部堆积坝更靠近尾矿库库尾，标高 以下相应位置的尾矿堆积材料颗粒变小，堆积材料渗透系数越小，不利于尾矿水的渗流，导致浸润线抬升。尾矿堆积坝在标高 向上游平移距离不宜超过。但受限于地形条件，需要增加平移距离时，应对标高 坡脚位置设置排渗设施，以降低该坡脚位置浸润线，保证尾矿堆积坝渗流稳定性。结论）通过尾矿库渗流分析，渗流计算结果与勘察成果相符，说明采用 软件的 模型合理可行。）主坝堆积形态发生改变，导致尾矿材料堆积规律发生改变，当子坝向上游推进距离较大时，该级子坝坝坡脚处浸润线较高，因此需要增设降排水系第期姜士磊等：尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析统，降低该处浸润线。副坝无此类情况。）洪水对尾矿库浸润线的影响较大，因此应保证尾矿库安全生产允许的干滩长度，同时对尾矿库的排洪系统进行定期检查，确保其排洪能力。）通过渗流分析，尾矿库主坝及副坝在正常工况及洪水工况下，渗流稳定性较好，浸润线处于安全警戒线以下。说明主坝在 平台设置的降排水系统效果显著，为保证尾矿库安全运行，应加强对尾矿库的监测和管理，确保尾矿库安全。）尾矿堆积坝坝体形态发生改变时，对浸润线的影响较大，甚至造成渗透破坏。同时，尾矿堆积坝坝体形态改变时，影响了尾矿堆积坝整体沉积规律，导致浸润线发生较大改变。）通过研究表明，尾矿堆积坝某级子坝向上游平移时，平移距离不宜超过，若受地形影响，需要加大平移距离时，应在该级子坝坡脚位置设置排渗系统，以降低坡脚浸润线。）在进行尾矿坝渗流稳定性分析及设计时，应考虑不同坝体形态对尾矿坝浸润线的影响，避免造成尾矿堆积坝局部浸润线埋深太小，影响尾矿堆积坝整体渗流稳定性。）对于上游式尾矿库，受地形地貌影响，存在向上游平移上部子坝的情况。通过对尾矿库不同坝体形态渗流稳定性分析，详细研究了坝体形态对该尾矿库的渗流影响，同时为类似尾矿库渗流稳定性的分析和评价提供了一定的工程经验。参考文献徐宏达我国尾矿库病害事故统计分析工业建筑，（）：李全明，王云海，廖国礼尾矿库安全评价中的科学问题及评价方法探讨 中国安全生产科学技术，（）：齐清兰，张力霆，谷芳，等影响尾矿库渗流场的因素及降低浸润线的措施 金属矿山，（）：，：，孙兆涛，张剑，杜研岩，等基于 软件的某尾矿坝边坡稳定性分析 露天采矿技术，（）：金佳旭，梁力，陈天宇，等尾矿坝渗流计算及排渗设计金属矿山，（）：缪海波，殷坤龙，郭付三，等金属矿山尾矿坝渗流场模拟及稳定性数值分析金属矿山，（）：姜士磊，苏志友基于 的某尾矿坝饱和非饱和渗流分析勘察科学技术，（）：，（）：，（，；，）：，：；（责任编辑：孙刚郭书俊）河北水利电力学院学报