某山谷型尾矿库三维渗流场模拟分析

曹纪刚 乐 陶

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

尾矿库是堆存金属及非金属等矿山选矿废弃物的构筑物，其数量随国家对矿产资源的巨大需求而快速增加。我国现有尾矿库1 500余座［1］，尾矿库的重大事故时有发生，对下游居民的生命财产造成严重威胁，也给企业带来不可估量的损失，在社会上造成极坏的影响。因此，需要做好尾矿坝的安全管理工作，提高坝体的稳定性，而尾矿库渗流场作为影响其稳定性的一个主要因素也就显得尤为重要。

1 三维渗流场有限元原理［2-4］

非均质各向异性多孔隙介质中的稳定饱和渗流连续微分控制方程为

式中，xi为横坐标，i=1，2，3;kij为二阶对称的达西渗透系数张量，描述岩体的渗透各向异性;h=x3+p/γ为总水头，x3为位置水头，p/γ为压力水头;Q为渗流域中的源或汇项。

边界条件:

式中，h1为已知水头函数;ni为渗流边界面外法线方向余弦，i=1，2，3;Γ1、Γ2分别为已知水头的第一类、第二类渗流边界条件;Γ3为位于渗流域中渗流实区和虚区之间的渗流自由面;Γ4为渗流逸出面; qn为边界面法向流量，流出为正。式(1)～(5)均采用张量记法。

2 工程应用

2.1 工程概况

某尾矿库三面环山，属低山丘陵地带，坡脚较陡。库区总汇水面积0.3 km2，地下水的补给受大气降水和尾矿库蓄水的影响和控制，影响尾矿坝稳定性的地下水因素主要来自尾矿堆积体中的地下水径流因素。库区内主要地层为新近冲填尾矿堆积体、第四系全新—更新统天然土层、三叠系地层。第四系土层透水性微弱，不具有统一的水力坡度，是相对的隔水层。

2.2 参数选取

渗透试验中得出的渗透系数为垂直渗透系数值，且尾砂中含有诸多细粒夹层，故表现出较强的各向异性，一般将水平渗透系数设成垂直渗透系数的10倍来进行考虑。材料三向渗透系数取值见表1。

表1 各材料三向渗透系数取值 cm/s

2.3 有限元建模和计算方案

为了尽可能正确地模拟拐冲尾矿库库区范围内的渗流场，本次计算以库区初期坝及尾矿堆积的实际情况、岩体水文地质特性结果及山体地形地貌状况等为依据，对地质剖面进行简单概化［5］，合理地选择库区渗流场计算域大小以及确定其渗流的边界条件，对材料进行合理分区。对预埋排渗盲沟，则将其表面看作可能浸出面来进行处理。

网格单元主要是八结点六面体空间等参单元，同时辅以六节点五面体空间等参单元，从而最终形成疏密有致的、质量较高的三维渗流场有限元计算网格。图1为现状模型，图2为最终堆积标高时的模型。

3 计算方案

包括现状以及最终堆高在正常水位与洪水位等4种工况下的三维渗流场分析。见表2。

表2 不同标高下的计算工况 m

4 结果分析

由于篇幅限制，本文仅选取中间最高剖面的计算来进行分析。

由图3～图6可以看出，渗流场的规律基本类似，等水头线分布均匀，相比尾矿而言初期坝的渗透系数比较大，故在初期坝与尾矿接触位置水位有一定的陡降趋势。

图3为现状堆积标高下正常水位时的主剖面等水头线分布情况。由此可知，浸润线埋深较大，最高位置位于坝顶位置，预埋的排渗盲沟没有发挥排水降压作用。

图4为现状堆积标高下最高洪水位时的主剖面等水头线分布情况。由于库内干滩长度的减小，该情况下的浸润线整体升高，在坝顶位置变化最大，升高了约5 m，变化最小的地方为初期坝上游侧的位置，大约升高了1 m，排渗盲沟仍然处于失效状态。

图5为最终堆积标高正常水位时的等水头线，此时的浸润线埋深较大，但最小埋深相比图3小了1m，这是由于堆积的坡面陡于尾矿坝内部浸润线的坡度，随着尾矿坝的上升，其下游位置处的浸润线会有一定程度的上升，此时的排渗盲沟没有发挥作用。

图6为最终堆积标高最高洪水位时的等水头线，与图5相比，任意位置的浸润线都有不同程度的升高，该工况下的下层排渗盲沟发挥其排渗作用，使得该局部的浸润线受到了一定程度的控制。

表3为各种工况下的浸润线埋深。

表3 各工况浸润线埋深 m

5 结论

(1)计算结果表明，干滩的长度越长，对上游浸润线降低效果越明显，而对下游降低效果则不是很明显;因此，对该尾矿库，运行期中通过对干滩长度的控制可有效限制坝体内浸润线的高低，从而保证坝体的安全。

(2)运行期间要注意观测沉积坡度的变化情况，当发现沉积坡度变缓时，则要严格保证干滩长度、安全超高等符合规范和设计，同时应对其调洪能力进行演算。

(3)计算表明，在相同干滩长度的前提下，随着尾矿堆积高度的升高，坝体内下游处浸润线的不断上升。故在尾矿库后期堆坝的运行过程中，应加强对浸润线的观测，而且在运行过程中应注意保证排渗盲沟的畅通性，保证其在浸润线较高时能发挥其排渗排水的作用。

［1］ 腾志国.关于尾矿坝地震稳定性的分析及评价［J］.河北冶金，2003(1):16-17.

［2］ 薛禹群.地下水动力学原理［M］.北京:地质出版社，1986.

［3］ 毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京:中国水利电力出版社，1990.

［4］ 陈建余.非稳定饱和－非饱和渗流场数值计算关键技术及其应用研究［D］.南京:河海大学，2003.

［5］ 赵 坚，纪 伟，等.尾矿坝地质剖面概化及其对渗流场计算的影响［J］.金属矿山，2003(12):24-27.