考虑地下水渗流特性的尾矿坝稳定性分析

文自立肖尊群

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000；2.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430000）

考虑地下水渗流特性的尾矿坝稳定性分析

文自立1肖尊群2

（1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000；2.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430000）

选取合适的坝体断面，对某尾矿坝进行的二维渗流有限元分析，并考虑渗流特征进行坝体圆弧整体稳定性分析，得到相应的浸润线和坝体稳定性安全系数，对坝体的稳定性进行评价，该方法对类似尾矿坝工程的稳定性分析和设计具有重要的参考价值和指导意义。

坝体；断面；尾矿坝；渗流；瑞典圆弧法；稳定性

尾矿坝是矿山开采中，尾矿库的主要支挡方式，由于其一般在离厂区一定范围之内，有的靠近村庄，有的靠近河流。一旦失事，其破坏性巨大，因此，近年来，对尾矿库的勘察、设计以及尾矿坝的施工越来越重视[1]。目前，绝大部分的尾矿坝采用上游式尾矿筑坝法，该类坝型的稳定性受渗流因素的影响很大，在进行尾矿坝的设计时，需要对坝体进行考虑渗流特性的稳定性分析[2]。尾矿坝在库水位及下游水位的作用下产生渗流，在浸润面以下的坝体处于流场内，受到指向下游坝坡的渗透力的作用。这渗透力影响到尾矿坝体的稳定状态[3]。本文从某具体尾矿库工程实例出发，选取坝体剖面，对坝体进行二维有限元渗流分析，并在此基础上，进行坝体断面的整体稳定性分析，并根据分析结果，提出相应的抗渗加固设计措施，为类似尾矿库工程的设计提供有益的参考。

1 坝体渗流分析方法

渗透计算选用有限单元法，设置边界条件，计算浸润线位置，坝体和坝基的渗流量以及坝体出逸段的水力坡降。有限单元法是用有限个单元的集合体代替连续的渗流场，单元间的结合点称结点。选择简单的函数关系近似地表示单元上的水头分布，最后解得渗流场节点处满足一定精度的水头值[4]。

渗流计算的控制微分方程如下：

式中：H—总水头；xk —x方向渗透系数；yk—y方向渗透系数；Q—边界流量；Θ—微元体积变化量；t—时间。

渗流控制方程表示在同一时间内，流入和流出微元体积的流量差值等于该微元体积的变化量。对于二维情况来说，在x方向和y方向的流量改变速率的总和加上边界流量就等于相应时间的微元体积的变化量。在稳态条件下，相同时间内流入和流出单元体积的流量是相等的。方程的右边因此就可以去掉，公式简化为：

总水头H定义如下：

式中：wu—孔隙水压力；wγ —水的容重；y—高程。

稳定渗流有限元计算公式为：

2 工程概况

该矿区的铜多金属储量为9×104t，拟建选厂规模为500 t/d（15×104t/a）。与选厂配套使用的尾矿库库址位于选厂下方的刘家垄沟谷中。根据现场踏勘，尾矿库库址内有少量旱地，库区内无居民居住，两岸植被覆盖较好，沟谷较长，有较大库容；库区地质条件简单，无岩溶、滑坡体等不良地质构造。

工程地质条件：

①耕土：软塑，含有机质，分布于库区沟谷中，层厚0.6～2.0m。

②粉质粘土：软塑—可塑，韧性中等，干强度中等，含少量粉砂、碎石等，局部含块石。该层分布于整个库区，厚度约0.4～5.8m。

③全风化砂砾岩：岩芯呈土柱状、碎块状，局部夹强风化岩块。该层分布于整个库区，该层厚度不均，总体来讲沟谷沿线较薄，山脊沿线较厚，沟谷沿线层厚约0.5～1.0m，山脊沿线层厚约3.0～11.1m。

④强风化砂砾岩：岩石风化裂隙发育，局部石英脉发育，略见原岩结构，岩质极软，遇水易软化，岩芯破碎，呈碎块状。该层分布于整个库区。

⑤中风化砂砾岩：中厚层状构造，节理裂隙稍发育，岩体完整，胶结物为泥砂质、铁质，岩质极软—软，岩芯呈长、短柱状，RQD=70%～85%。该层分布于整个库区。

3 尾矿坝稳定性分析

3.1渗流分析

（1）计算模型建立

（2）计算参数选取

由于本尾矿库属于新建尾矿库，无法精确取得各尾砂层的渗透系数及分层情况。按照如下方法解决：

①尾砂分层根据排矿情况及尾砂粒度进行近似模拟，坝基土层分层根据《壮族瑶族自治县矿业有限公司尾矿库工程地质勘察报告》进行。

②尾砂层渗透系数取值相关技术标准，坝体填土等其他土层渗透系数根据相关岩土工程勘察报告和工程经验取值。

渗透系数取值见表1。

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表1　渗透系数取值表

（3）渗流计算分析

尾矿坝渗流计算的主要任务，是确定坝体浸润线的位置，坝体和坝基的渗流量及浸润线出逸段的水力坡降，为坝体稳定分析提供依据。进行渗流分析时，将每一土层的水平及垂直渗透系数分别考虑。渗流分析采用自行编制的渗流有限元分析程序进行，其理论基础就是二维连续体渗流计算理论[4]。

尾矿坝渗流分析选取的剖面说明如下：

①选取垂直坝轴线的中间剖面作为渗流分析剖面；

②在平面图中垂直坝轴线的中线为曲线，在渗流分析时将其拉直。

（4）渗流计算结果讨论

浸润线计算结果见图1、图2、图3和图4。

图1　初期正常运行状况下浸润线计算图

图2　初期洪水运行情况下浸润线计算图

图3　后期正常运行状况下浸润线计算图

图4　后期洪水运行状况下浸润线计算图

从图1、图2、图3和图4中可以看出：计算边界条件以防止水流从堆积坝下游边坡溢出为准，上游坡干滩长度应不低于100m，并根据此边界条件对正常洪水位以下的渗流状况进行有限元分析。从整个计算过程中发现：控制尾矿库中的水位，保持于滩长度对于渗流稳定是十分重要的。干滩长度超过100m时，堆积坝下游坡一般不会有水流逸出，库底表层料的透水性对于降低浸润线高度的效果十分明显。

当浸润线从坝外坡某高程出逸且出逸点的水力坡降大于筑坝材州颗粒所允许的渗透坡降时，则坝料颗粒将被冲走从而导致坝体产生渗流破环。从该尾矿坝情况来看，一是初期坝是透水堆石坝，占到总坝高的近1/3，渗水性能特别好，二是尾矿浓度较高 ,尾矿水量小，尾矿库内的尾矿澄清水尽量排到坝下清水池供选矿厂回收用于选矿生产，库内存水不会太多，水位不会太高，这些都有利于降低浸润线。在实际运行中如有渗水从堆积坝两侧出逸，则采取降低浸润线的降水措施进行治理。

3.2抗滑稳定分析

3.2.1计算方法

根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）[5]，尾矿库初期坝与堆积坝坝坡的抗滑稳定性应根据坝体材料及坝基岩土的物理力学性质，考虑各种荷载组合，经计算确定。计算方法采用瑞典圆弧法。尾矿坝稳定计算采用规范推荐的瑞典圆弧法（总应力）法，公式如下：

式中：W—土条重量；Q、V—分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；u—作用于土条底面的孔隙压力；α—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b—土条宽度；c、φ—土条地面的总应力抗剪强度指标；Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径。

3.2.2计算参数选取

根据相关设计规范，本次设计中尾矿坝坝体稳定分析采用瑞典圆弧法，尾矿坝坝体材料及坝基土采用与总应力法对应的抗剪强度指标。坝体稳定计算根据选取的计算剖面，对尾矿的分布进行概化分区，浸润线采用渗流稳定计算中提供的浸润线位置。

尾砂层物理力学指标参考《尾矿库安全技术规程AQ2006-2005》取值，其它土层物理力学指标参考相关勘察报告取值。其中浮容重根据如下公式计算：

其中GS为土粒比重，e为孔隙比，γω为水的容重10kN/m3。稳定分析各岩土层总应力法计算指标见表2。

表2　岩土层力学指标取值表

3.2.3抗滑稳定计算分析

尾矿坝稳定性计算分析对于确保坝体的安全运行十分重要。抗滑稳定计算采用圆弧滑动法进行计算，对坝体滑动圆弧依进口和出口以及圆弧半径按设定步长搜索，找出安全系数最小的可能滑弧及沿该滑弧滑动的安全系数，依据规范确定坝体的稳定性，计算采用自行编制的计算程序进行。

稳定分析说明如下：

①只进行初期坝或尾矿坝下游坡的稳定分析；

②稳定分析剖面中的土层分层同渗流计算分析剖面；

③稳定分析各岩土层总应力法计算指标见表2。

根据拟定的初期坝及尾矿堆积坝结构，抗滑稳定分析见

图5、图6、图7和图8。尾矿坝抗滑稳定分析结果见表3。

图5　初期正常运行状况下稳定性分析图

图6　初期洪水运行状况下稳定性分析图

图7　后期正常运行状况下稳定性分析图

图8　后期洪水运行状况下稳定性分析

表3　尾砂坝抗滑稳定计算结果表

由以上分析可以看出，尾矿库在按照设计要求运行的情况下，尾矿坝的抗滑稳定满足规范要求。需要注意的是，由于本项目尾矿库属于新建尾矿库，因此坝坡稳定分析的尾砂分层是根据经验进行的，尾砂力学指标也是参考类似工程取得。这与尾矿库在实际运行时尾砂的分层可能有较大的差异，而且，尾矿库在实际运行时，堆积坝内的浸润线也可能与模拟计算有所误差。因此，此次分析结果对工程有一定的指导意义，但不能作为尾矿库运行时的实际安全系数。为了验证尾砂分层及浸润线计算的准确性，当库区尾砂堆积至930.0～935.0m标高时，矿方应对尾矿坝进行一次全面的地质勘察，并进行以稳定和防洪安全为主的安全现状评价，以验证坝体的稳定性，并根据分析结果采取相应的处理措施，以确保尾矿坝能安全堆积至最终设计标高。

4 结论

（1）尾矿坝体渗流稳定性对于尾矿坝设计具有十分重要，在进行坝体稳定性分析，建议根据选取适合的坝体断面进行二维渗流分析，有限元分析结果更加直观、更加准确，能够防渗设计提供很有意义的参考。工程案例计算结果表明：为控制尾矿库中的水位，需要保持干滩长度有助于渗流稳定。

（2）计算案例表明：工程是尾矿库新建工程，因此，在进行尾矿坝的抗滑稳定分析时，无法精确取得尾砂的概化分层及浸润线高度，为确保尾矿库的顺利使用，在库区尾砂堆积至初期坝坝顶930.0m标高时，矿方必须对尾矿库进行一次全面勘察，对尾砂的分层及浸润线的高度提供实测资料，以便对设计进行校核。

[1] 齐清兰,张力霆.尾矿库渗流场的数值模拟与工程应用[M].北京:水利水电出版社,2011.

[2] 孔祥言.高等渗流力学[M].北京:中国科技大学出版社, 2010.

[3] 周汉民.尾矿库建设与安全管理技术[M].北京:化学工业出版社,2012.

[4] 马池香,秦华礼.基于渗透稳定性分析的尾矿库坝体稳定性研究[J].工业安全与环保,2008,34(9):32-36.

[5] 田文旗,曲忠德.尾矿库安全技术规程(AQ2006-2005)[M].北京:水利水电出版社,2007.

The stability analysis of tailings dam taking into account the characteristics of ground water flow

The appropriate section of the dam was selected. A tailings dam was analized wtih method of finite element for seepage to determine dam head line and the saturation line. The overall dam stability was analized with arc Swedish method to obtain dam safety factor. It has important reference value and guiding significance for similar tailings dam stability analysis and design.

Dam; section; tailings dam; seepage; Sweden arc method; stability

TD1

A

1008-1151(2015)06-0025-04

2015-05-10

文自立（1962－），男，中国水利水电第八工程局有限公司土建工程师，从事施工技术（水电、路桥、建筑）及施工管理工作。