尾矿坝渗透稳定性分析

贾志献，于明明

(1.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710000;2.西北综合勘测设计研究院，陕西西安710000)

尾矿坝渗透稳定性分析

贾志献1，于明明2

(1.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710000;2.西北综合勘测设计研究院，陕西西安710000)

尾矿坝是矿山的控制性建设工程之一，渗透作用对坝体稳定性的影响具有特殊性。浸润线过高或渗透作用过强是造成上游式尾矿坝失事的主要原因。本文针对白岩尾矿运用数值模拟方法分析其在现状、加高3.5、7.0及10.5 m 4种坝高工况下，正常水位、洪水水位运行2种水位工况下地下水渗流场及浸润线的变化规律。研究结果表明:洪水位工况较正常水位工况浸润线明显抬高，渗流溢出点升高，发生渗透破坏的可能性增大;正常水位工况下堆积坝越高浸润线抬升越明显。建议后期施工时加强对尾矿坝坝内浸润线的长期监测。

尾矿坝 渗流 浸润线 稳定性

1 工程概况

白岩尾矿坝位于贵州省福泉市牛场镇西北街村白岩寨，始建于1990年，设计尾矿库堆积20期子坝(坝顶高程1 250 m)，坝高95 m，库容1 918.75万m3。初始坝坝型为碾压式堆石坝，设计标高1190.0 m，坝高35.0 m，由主坝、副坝和库区组成。主坝现已堆至9期子坝，坝高66.5 m，坝顶高程1 221.5 m。副坝现已堆积至2期子坝。

白岩尾矿坝从1990年至2010年3月22日各个时期的施工情况见表1。

表1 白岩尾矿坝概况

后续工程将继续加高坝体，最终达到设计要求的坝高。本文主要分析渗透作用及浸润线对坝体的影响，为后续工程的安全实施提供理论依据。

2 地层结构及岩性特征

根据工程地质测绘、野外钻探、探井揭露，尾矿库区区域内地层主要有人工填积层(Qml)、人工冲填积层、第四系残坡积层、寒武系中统石冷水组

通过勘察获得岩土物理力学参数，见表2。

3 水文地质条件

白岩尾矿坝所在地区处于中纬度，属亚热带季风气候，温热多雨。据福泉市近年来气象资料，当地年平均降雨量1 167.53 mm，主要集中于4月中旬到8月中旬(雨季)，约占全年降雨量的59%。年平均蒸发量1 102.8 mm，年最大蒸发量1 192.2 m，年最小蒸发量1 020.5 mm。

库区内的地下水主要为潜水，主要赋存于库区的尾矿堆积体中。排矿口排出的矿浆水和大气降水是其主要补给来源，水位受排矿位置影响较大。主要以地下径流及下渗方式通过尾矿体和坝体内设置的排渗设施流向初期坝。

勘察测得尾矿堆积体初见水位埋深为0.40～5.10 m，稳定浸润线埋深为1.80～15.40 m，相当于标高1 184.72～1 216.87 m，主坝坝顶的浸润线埋深12.40～14.70 m，副坝坝顶的浸润线埋深5.20～5.80 m。

表2 岩土物理力学参数

4 渗流场分析

4.1 渗流影响因素分析

1)沉积干滩长度［1］。尾矿库内水体是尾矿渗流的物质来源，在不考虑生产排出浆体的直接下渗影响下，尾矿库水位高低及干滩长度成为影响渗流场分布的决定性因素。

2)横向和垂向尾矿物质变化。尾矿物质在坝后重力分选堆积的差异是影响上游式尾矿坝地下水位高低的第2个重要因素［2］。不同堆积物组成和粒径分布直接形成了不同的渗透变化区域，堆积物宽度和渗透性质的变化成为影响渗流场分布的重要因素［3］。白岩尾矿库横向上尾矿物质由尾粉土过渡到尾矿砂，渗透性逐渐增强。这种二元结构使得地下水容易向坝前排泄，有利于降低浸润线的凸度。

3)尾矿物质各向异性。尾矿物质整体上水平向和垂向上的渗透性存在差异。这对整体渗流场的分布产生了不同程度的影响［4］。

4)库坝流场边界条件。渗流边界条件特别是基础的渗透性对地下水位有显著影响。

4.2 渗流计算模型

考虑到计算剖面应能反映出坝体稳定性最不利的情况，根据库区地形和尾矿堆积坝形状沿主沟选择剖面进行渗流分析。该剖面共划分了2 749个单元，1 471个节点，为三角形和四边形的混合单元。整个尾矿库坝划分为12类材料区，即初期坝堆石体、子坝堆石体、坝底、尾粉砂、尾粉土、黏土含碎石等［5］。数值模拟时岩土物理力学参数参照表2选取。

4.3 工况及边界条件

计算工况:考虑正常水位运行和洪水水位运行2种工况。正常水位运行时干滩长度取150 m，洪水水位运行时干滩长度取100 m，据此确定相应的库水位进行渗流计算［6］。

渗流边界条件:对于后部边界，可将库水位以下设为定水头边界，库水位以上设为0流量边界;对于前部边界，由于初期坝底部前端设有排水通道，常年有水，故可将初期坝坝底以下设为定水头边界［7］;对于底部边界，假定坝基白云岩裂隙被尾矿细粒充填，视为隔水边界;坝坡临空面为自由逸出面边界。

4.4 渗流场模拟分析

对上述渗流计算模型，运用SEEP/W软件［8］，经稳态渗流计算得到白岩尾矿库坝在现状条件、加高3.5，7.0，10.5 m共4种坝高工况下的地下水渗流分布规律和浸润线位置，如图1所示。不同工况下溢出点标高及渗流量计算结果见表3。

4.5 计算结果分析

由图1可知，两种工况下浸润线大致为二次抛物线分布，在初期坝排渗设施正常运行时，溢出点均位于初期坝坝坡部位，没有出现在堆积坝坝坡部位的情况［9］;相对于正常水位运行工况，洪水水位运行工况的浸润线位置明显抬高，渗流溢出点位置也随之升高，渗径变短，渗透力变大，发生渗透破坏的可能性增加。由表3可见:两种计算工况下，随着堆积坝的增高，溢出点标高有升高趋势，同时渗流量也相应增加;正常水位运行工况下堆积坝每加高1.0 m，溢出点上升约0.40 m，渗流量增加约0.07×10-4m3/s;洪水水位运行工况下堆积坝每加高1.0 m，溢出点上升约0.26 m，渗流量增加约0.05×10-4m3/s。由此可见，相对于洪水水位运行工况，正常水位运行工况下堆积坝加高对浸润线抬升影响更明显，其原因主要是④3层尾粉土的渗透性较差，在一定程度上阻隔了地下水的排渗通道。

表3 不同工况下溢出点标高及渗流量

5 结论及建议

本文应用数值模拟方法分析白岩尾矿库在不同坝高和水位下地下渗流场及浸润线的变化规律。研究结果表明，随着坝体高度的增加溢出点逐渐升高，坝体增高对浸润线抬升的影响明显大于洪水水位运行对浸润线的影响。对于后期工程的施工，应加强对堆场及尾矿坝内浸润线的长期监测，并应进行必要的变形监测。

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(责任审编李付军)

TU751+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.39

1003-1995(2015)02-0141-03

2014-05-10;

2014-10-16

贾志献(1986—)，男，河南新乡人，助理工程师，硕士。