某尾矿坝三维有限元渗流分析

田春亮,赵宏斌,郭 娟,李建华

(1.西部建筑抗震勘察设计研究院,陕西 西安710054;2.西安理工大学岩土工程研究所,陕西 西安710048;3.陕西省现代建筑设计研究院,陕西西安 710048)

0 引 言

目前尾矿坝渗流分析[1]有理论求解、物理模拟、数值模拟三种方法。理论求解浸润面是在对工程作适当概化的基础上采用相应的近似公式求解,只能适应于均质的、简单的工程,而对具有土工膜、排水褥垫等复杂边界条件的多介质尾矿坝计算时则显示了局限性。物理模拟从应用的广泛性看,当属导电液模型(电模拟试验)[2],由于该模型保持了原型介质具有的连续性,并能精确地模拟原型的复杂边界和内部结构,因而是求解大型渗流场的有效工具,但不足之处是制作模型的工作量大、费用高、而且费时费力;数值模拟我国是在20世纪60～70年代就应用到渗流计算中,常用的数值模拟方法有差分法、有限单元法、边界元法。随着计算机的高速发展,数值模拟方法应用的越来越广泛。尾矿坝多依山而建,地形比较复杂,这种情况利用三维数值模拟对某尾矿坝在有无排渗设施的情况下进行渗流分析[3]。

1 工程实例

1.1 工程概况

该尾矿库初期坝设计为透水堆石坝[4],初期坝坝高33 m,坝顶宽4m,底宽119.5m,坝顶长度110.24m;初期坝上游坝坡为1∶1.6,下游坝坡为1∶1.75;初期坝顶标高为1 035 m,在1 024 m、1 013m高程处各设一级马道,马道宽3 m。

后期堆积坝采用尾矿砂堆筑,由于该区属于7度地震区,且最终坝高较高,故设计尾矿向上游方向堆放即采用上游式筑坝方法,设计坝坡为1∶4.5,高差每隔5 m设一级马道,马道宽3m;因此后期堆积坝的平均坝坡为1∶5.1;最终堆积标高1 160 m,后期堆积高度为125 m。包括初期坝在内的最终总坝高为158 m,总库容为1 263.1×104m3。

1.2 计算参数

为预测大坝未来的运行状况,评估大坝各料区及坝身的渗透稳定性和安全性提供科学依据。材料的渗透系数参考金堆城栗西尾矿坝所给尾矿物理力学指标,现拟定此尾矿库尾矿渗透系数如表1所示。

表1 尾矿渗透系数

1.3 计算模型及计算方案

三维渗流计算模型包括初期坝和后期堆积坝。计算模型分2个,即模型1(无排渗管),模型2(设水平排渗管),拟建坐标原点高程为1 008 m,模型如图 1、图2所示。计算模型基本按照设计方提供的坝址区平面布置图建模,为了建模和计算方便进行了简化处理,对于坝坡水平排渗管均按照实体进行建模,用15 cm×15 cm×5 000 cm的矩形体替代,给排渗管实体赋予较大的渗透系数,如10-2m/s,其渗透系数相对于后期堆积坝很大,所以也不会影响渗流的方向及大小,也就实际模拟了水平排渗管的排渗作用。本文共设计了2种工况。工况1:干滩长100 m无水平排渗管。工况2:干滩长100 m设水平排渗管。

模型1计算模型共269块,采用20节点等参数六面体单元划分,共划分78046个单元,86640个节点。计算模型2拟建水平排渗管,排渗管长度50 m,分3层,每层排渗管高差30 m,水平距离40 m,拟建3层,第1层布置5个,第2层布置7个,第3层布置10个,共计22个,1、2、3层分别分布在高程1 074 m、1 108 m、1 145 m 处,布置如图2所示;模型共3 703块,采用20节点等参数六面体单元划分,共划分124 630个单元,137 640个节点。

图1 工况1渗流计算模型1及网格剖分图

图2 工况2渗流计算模型2及网格剖分图

1.4 坝址区的三维渗流有限元计算成果分析

1.4.1 浸润面变化情况

图3、图4分别为工况1、2的浸润面侧面及正面图,可以看出浸润面的分布情况。从图中可以直观的看出,工况1在不排渗的情况下,浸润线在坝坡溢流。工况2在加设22根水平排渗管后,浸润线降低效果明显,且均在坝面以下。而且在接近初期坝附近,浸润线急剧降低,那是由于初期坝为块石、碎石堆成的透水坝,其渗透系数比较大,所以在其内的浸润线很低。

图3 工况1浸润面和等值线图

图4 工况2浸润面和等值线图

1.4.2 水头等势面变化情况

图5、图6给出了1、2这两种工况在最大横断面(即 Z=0 m)断面上的水头等值线。通过直观的对比可以得出结论:1、2这两种工况在同一断面的等值线后移,而且水头明显下降。

在干滩长度为100 m时,工况1在最大横断面的出溢点X=295.4m,高程1 096.9 m处;而工况2在最大横断面,X=295.4 m处的水头高程为1 083.6 m,比工况1的水头下降了13.3 m,其浸润线在最大横断面离坝坡最短距离的位置位于X=175.2 m处,水头高程为1 066.95 m,距离坝坡9.05 m。

1.4.3 水力坡降变化情况

根据经验确定后期堆积坝的尾矿砂的临界水力坡降值范围为0.15～0.4之间。

图5 工况1最大横断面水头等值线

图6 工况2最大横断面水头等值线

工况1的最大横断面的出溢点在X=295.4 m,高程1 096.9 m处,其最大水力坡降值为0.162;工况2的最大横断面在排渗管中心位置,其高程为1 108.5 m,最大水力坡降值为0.234;两种工况的最大水力坡降均处于尾矿砂的临界水力坡降范围之内,故有可能发生管涌破坏,其水力坡降变化曲线如图7、图8所示。

图7 工况1最大横断面水力坡降变化曲线

图8 工况2最大横断面的水力坡降变化曲线

1.4.4 结果分析

此尾矿坝在无排渗设施的情况下,浸润线在坝坡溢流,而在加设22根水平排渗管后,浸润线降低效果明显,且均在坝面以下,满足安全稳定要求。由于此尾矿坝堆积高度为158 m,比较高,因此坝体在无任何排渗设施的情况下,其稳定性无法得到满足,可能引起局部塌陷,最终导致尾矿坝整体失稳,所以需加设水平排渗设施来进行坝体排渗,以降低浸润线。同时在工况2下,其在最大横断面上的最大水力坡降处于尾矿砂的临界水力坡降范围之内,有可能发生管涌破坏。通过分析可得:可能是由于在模拟排渗管时未考虑在排渗管周围包裹土工布来防止在尾矿渣和排渗管接触的地方有可能发生局部管涌破坏,故建议在施工工程中用土工布来包裹排渗管以防止发生局部管涌破坏。

2 结 论

浸润线是影响尾矿坝渗流稳定性的最主要的因素[5],由于尾矿坝堆积高度比较高而造成浸润线往往从堆积坝坡溢出,易造成管涌,导致溃坝事故,故根据文献[4]中的规定要求,当堆积坝高度达到最终堆积高度的1/3以上时,应进行坝体稳定性分析,考虑是否建设排渗设施,以排除坝体隐患。根据该尾矿坝的特点以及水平排渗演算[6],采用水平排渗是降低浸润线最有效的手段。水平排渗管可以使浸润线大幅度降低,既保证了尾矿坝的安全稳定性[7],又保证了矿山的可持续发展。

[1] 程亮.具有复杂排渗系统尾矿坝三维渗流计算[D].大连:大连理工大学,1985.

[2] 杜延龄,许国安.渗流分析的有限元和电网络法[M].北京:中国水利电力出版社,1992.

[3] 魏泽光,黄俊,许国安,等.三维稳定渗流的有限元计算[J].水利学报,1982,(1):39-47.

[4] 中华人民共和国建设部.ZBJ1—90.选矿厂尾矿库设计规范[S].1990.

[5] 李兆炜,胡再强.基于渗流理论的尾矿坝坝体稳定性分析研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(1):56-59.

[6] 赵 杰,李淑英.尾矿坝浸润线控制[J].西部探矿工程,2005,(2):69-70.

[7] 刘杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京:中国水利水电出版社,1992.