尾矿堆积坝渗透系数比对浸润线的影响分析

陈星

（1.长沙矿山研究院，长沙410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙410012）

尾矿库是一种人造的具有高势能的泥石流，是重大危险源［1］，也是矿山三大控制性工程之一［2］。它的运营好坏不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产及周边环境息息相关［3］。近年来，国家十分重视尾矿库的安全问题，而尾矿坝是尾矿库的主要构筑物，其安全性直接决定了尾矿库的安全性。

尾矿坝安全与否的主要影响因素不外乎水和土，土指的是尾矿，而水指的是尾矿库中的水［4］。水的存在使尾矿坝的安全受到威胁，但是由于工艺要求不可能除掉水，因此这个矛盾无法避免，但可以采取措施尽量降低水对坝体的危害，那就是降低浸润线的位置［4］。浸润线是尾矿坝的生命线，其高低取决于尾矿库干滩长度、尾矿体的渗透性、坝体的形状与结构、初期坝的渗水性等因素［5］。本文采用二维有限元渗流分析软件seep／w就如何通过改变尾矿堆积坝各层尾砂渗透系数比来降低浸润线进行了分析。

1 二维有限元渗流分析方法［6－7］

首先，根据渗流运动微分方程与边界条件约束建立二维数学模型：

采用伽辽金加权剩余法，设¯H（x，y）为区域Ω上地下水头的试探解，

令基函数为权函数，代入试函数¯H，令权剩余为零，则权剩余方程为：

上式把权剩余在整个区域上的积分化为在各个单元上的积分，然后求和，这样得到一个线性方程组。求解此线性方程组，便可得到各节点的水头值。三角形单元节点i、j、m按逆时针编号，则：

于是，三角形单元基函数表达式为：

渗透矩阵方程为：［Qe］＝［G］e｛H｝e－｛F｝e，其中［G］e为单元渗透矩阵，由于区域Ω是由M 个单元组成，将各单元渗透矩阵集合起来，便得到总渗透矩阵，即［G］｛H｝＝｛F｝。

在第一类边界上的节点，水头H是给定的，无需计算。在第二类边界上的节点将与节点L有关的单元e的列向量｛F｝表示为FLe＝∫Γ2eqNLds。对于二维渗流情况：

2 渗流计算

本次渗流计算以湖南省某尾矿库为例。该尾矿库坐落在一山谷中，属山谷型尾矿库，采用上游式尾矿筑坝。初期坝为碾压堆石坝，高40m，设计总坝高100m，设计总库容238万m3。截至2010年5月，已堆存尾砂约80万m3，全库容超过100万m3，坝高66m。根据尾矿库安全技术规程［8］相关规定，属三等库。根据工程地质剖面建立计算模型，工程地质勘察报告提供的各岩土层渗透系数见表1。

表1 渗透系数Table 1 Permeability coefficients

本次渗流计算采用GeoStudio软件中最常用的三个基本模块之一seep／w。GeoStudio系统软件是由全球著名的加拿大岩土软件开发商Geo－Slope公司开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域开发的一套仿真分析软件，是全球最知名的岩土工程分析软件之一。seep／w是一款用于分析多孔渗水材料的有限元软件，可用于分析从简单的、饱和稳态问题到复杂的、饱和—非饱和时变问题。计算模型和计算结果如图1、图2所示。

图1 计算模型Fig.1 Computation model

图2 计算结果Fig.2 Calculation results

图3 浸润线观测孔平面布置图及实测水位Fig.3 Saturation line observation holes layout and water level

对比图2和图3可知：渗流计算结果与实测浸润线基本相符，说明seep／w用于尾矿堆积坝的渗流计算可以满足工程上的精度要求。

3 渗透系数比对浸润线的影响分析

为了分析尾砂渗透系数比对尾矿堆积坝浸润线的影响，以图1为基本剖面，对以下两种情况共14个工况进行分析：情况一，仅改变最上层尾砂渗透系数；情况二，仅改变次上层尾砂渗透系数。各层渗透系数比见表2，计算结果见图4和图5。

表2 渗透系数比Table 2 Permeability coefficient ratios

图4 仅改变最上层尾砂渗透系数堆积坝浸润线Fig.4 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the first upper layer

由图4和图5可以发现：当k1︰k2︰k3在1︰100︰1至10 000︰100︰1和100︰10︰1至100︰100︰1间变化时，随着上下层尾砂渗透系数比的不断增大，浸润线有所降低，但渗出点变化不大；随着尾砂渗透系数比的进一步增大，当k1︰k2︰k3在10 000︰100︰1至80 000︰100︰1和100︰100︰1至100︰800︰1间变化时，浸润线起初继续有所降低，但从堆积坝中间部位附近开始变化较平缓，延伸至初期坝坝前，使渗出点有明 显抬升。

图5 仅改变次上层尾砂渗透系数堆积坝浸润线Fig.5 Saturation line when permeability coefficient is changed only in the second upper layer

对以上计算结果进行分析认为：当上下层尾砂渗透系数比大于100时，下层尾砂相对于上层尾砂而言透水性较小，从而显现出较强的阻水作用，随着渗透系数比的进一步增大，浸润线由堆积坝进入初期坝的渗出点进一步抬升，而且这种抬升趋势自渗出点往库尾方向延伸。

4 结论与建议

采用二维有限元渗流seep／w对湖南某尾矿库进行了渗流计算，其结果与实测浸润线数据基本相符，表明seep／w用于尾矿堆积坝渗流计算符合工程精度的要求。在此基础上，通过改变尾砂渗透系数比，分析了渗透系数比对浸润线的影响。结果分析表明：在尾砂堆积坝坝高及分层条件相同的工况下，当上下层尾砂的渗透系数比大于100时，下层尾砂显现出较强的阻水作用，浸润线渗出点在初期坝前有明显抬升，而且这种抬升趋势自渗出点往库尾方向延伸，从而使浸润线得到抬升，不利于坝体的稳定。

因此，为使尾矿坝更加稳定安全，在尾砂堆积过程中，应注意放矿工艺及坝体内排水、排渗设施的选择，努力控制好各级尾砂的堆存位置，加强排放管理，避免出现软弱夹层；同时采取合理的坝内排水、排渗设施以降低渗透系数不均匀度，组合出合理的渗透系数比，从而降低尾矿堆积坝浸润线，进而提高尾矿坝的整体稳定性。

［1］ 田文旗，薛剑光.尾矿库安全技术与管理［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

［2］ 魏作安，尹光志，沈楼燕，等.探讨尾矿库设计领域中存在的问题［J］.有色金属（矿山部分），2002，54（4）：44－45.

［3］ 沈楼燕，魏作安.探讨矿山尾矿库闭库的一些问题［J］.金属矿山，2002（6）：47－48.

［4］ 杨春和，张超.尾矿坝安全评价与病患治理［M］.武汉：湖北人民出版社，2006.

［5］ 晏兴荣，王全明，李志荣.尾矿坝植被种草的实践和意义［J］.冶金矿山设计与建设，1998，30（6）：62－63.

［6］ 刘北辰.工程计算力学［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［7］ 魏作安.细粒尾矿及其堆坝稳定性研究［D］.重庆：重庆大学，2004.

［8］ 中国有色工程设计研究院.尾矿库安全技术规程（AQ2006—2005）［S］.2005.