某磷石膏尾矿库堆积坝渗透稳定性分析*

褚学伟　许　模　王中美

(①成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059)

(②贵州大学资源与环境工程学院　贵阳　550025)



某磷石膏尾矿库堆积坝渗透稳定性分析*

褚学伟①②许模①王中美②

(①成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059)

(②贵州大学资源与环境工程学院贵阳550025)

随着尾矿库堆积坝高度的增加，库内的地下水渗流场将发生改变，当尾矿堆积坝处的实际水力梯度大于临界水力梯度时，尾矿库堆积坝将产生渗透变形或失稳破坏。为了预测某已建磷石膏尾矿库堆积坝的渗透稳定性，本文运用地下水位计水位恢复试验去确定磷石膏尾矿渗透系数并计算水力梯度，同时采用Geo-studio软件中的SEEP/W模块分析磷石膏堆积坝在不同工况下的渗透稳定性。计算和分析结果表明当堆积坝处于945m堆积高程，在无干滩和100m干滩情况下，实际水力梯度分别为0.784和0.583；当堆积坝处于960m堆积高程，无干滩情况下，实际水力梯度为0.692，在以上两种情况下，堆积坝渗出点高程高于初始坝高程，堆积坝将出现流土变形，坝体处于不稳定状态。当堆积坝处于960m堆积高程100m干滩时，堆积坝上无渗出点，堆积坝处于稳定状态。分析研究结果对该尾矿库的安全运行和维护管理提供技术依据，同时为同类型尾矿库堆积坝渗透稳定性评价提供参考。

尾矿库堆积坝临界水力梯度渗透稳定性分析

0　引　言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或工业废渣的场所(国家安全生产监督管理总局，2006)。尾矿库堆积坝由尾矿堆积而成，而大多数尾矿的性质与土体类似，而土体的渗透稳定性主要取决于堆积体的几何条件(颗粒级配、颗粒形状、孔隙结构等)、水力条件(水力梯度、渗流方向等)及物理条件(压实度、黏聚力等)(Kenney et al.，1985；Schuler，1995；Fannin et al.，2006；Wang et al.，2008；常东升等，2011)。国内外对于该方面研究已经取得了一定的成果，并给出了判定土体渗透稳定性的临界水力梯度公式。如Kovacs(1981)根据土体的粗粒质量百分数及不均匀系数对土体渗透稳定性进行分级；Kenney et al.(1985)根据任意颗粒粒径对应的质量百分数对粗粒土体渗透稳定性进行分级；Burenkova(1993)和毛昶熙(2005)根据土体的不均匀程度及重量百分数对无黏性土渗透稳定性进行分级。Terzaghi(1939)、吴良骥(1980)、刘杰(1992)、毛昶熙(2005)提出了无黏性土体渗透变形的临界水力梯度；Bendahmane et al.(2008)提出了砂石土体渗透变形的临界水力梯度等。

尾矿库随着堆积坝的增高，库内地下水流场发生改变，浸润线随之升高，当渗流产生的实际水力梯度大于磷石膏堆积坝的临界水力梯度时，土体将产生渗透变形或破坏。我国西南地区磷化工生产的废渣——磷石膏，主要采用湿法输送至尾矿库堆存，有的堆积坝最大坝高可超100m，曾发生过溃坝事件。如何界定磷石膏堆积坝安全浸润曲线坡率和渗透稳定性，目前尚无技术规程。

本文以一投入使用的磷石膏尾矿库为例，通过现场试验确定磷石膏堆场的渗透系数，采用Geo-studio软件中的SEEP/W模块分析了磷石膏堆积坝在不同工况下的渗流场及不同渗流场下的坝体稳定性，为该尾矿库安全运行、维护及管理提供技术支持，同时为同类型尾矿库堆积坝渗透稳定性评价提供参考。

1　尾矿库概况

该磷石膏尾矿库地处一半封闭型剥蚀-溶蚀山间谷地，呈南东北西向展布，谷长350m，尾矿库地形呈现东南高，西北低的特点，最低高程为878～895m，最大高程为1040～1055m，属山谷型尾矿库(王国华等，2008；宁辉栋等，2014)。该尾矿库设计堆积标高960m，库区总面积为0.7552km2，总库容约3200×104m3。尾矿库下伏区域地层为三叠系青岩组二段、三段及法郎组一段地层，其中青岩组二段地层为薄层至块状灰岩，主要分布于坝址区及尾矿库右岸，岩溶洼地、溶沟、溶槽、落水洞较为发育；青岩组三段为泥、页岩，隔水性能强；法郎组一段为薄层灰岩，泥质灰岩。为防止库区出现渗漏现象，对库区内的岩溶漏斗、落水洞采取人工开挖至基岩以下4～5m，然后采用混凝土砌石进行封堵，并对库区底部铺设1m厚红黏土夯实进行防渗处理。尾矿库内无断层通过。

该尾矿库初始坝为堆石坝，坝体内侧为厚1m的红黏土斜墙防渗层，该初始坝坝底高程为885m，坝顶高程为910m，坝顶宽10m，上、下游坡比均为1：1.5。 磷石膏堆积坝最大高程为960m，坡比为1：3。初始坝坝底设有排渗管，下游设有回水池，回水池水位高程为886m。尾矿库剖面(图1)。该磷石膏尾矿库现已投入运行，现场试验时，磷石膏堆积最大高程为936m，堆积坝高程933m。

2　磷石膏的物理性质

根据现场采取磷石膏样，测定的尾矿库内磷石膏的物理性质指标(表1)。磷石膏颗粒级配曲线(图2)。其中磷石膏有效粒径d10=0.0085mm，中值粒径d30=0.022mm，限制粒径d60=0.038mm。

图1　960堆高尾矿库剖面示意图Fig.1　The section of tailings impoundment of 960m

表1　磷石膏的物理性质

Table 1　The physical properties of phosphogypsum

土体液限wL/%塑限wp/%塑性指数Ip土粒比重Gs颗粒组成(粒径/mm)孔隙比e≥0.0740.074-0.050.05～0.005≤0.005磷石膏30.225.05.12.36141260.913.10.846

相对密度及孔隙比为尾矿库内磷石膏均值

图2　磷石膏颗粒级配曲线图Fig.2　The grading curve of phosphogypsum

3　磷石膏渗透性

渗透性的一个重要指标就是渗透系数。当岩性基本不变时，在不考虑构造活动、胶结、溶蚀等条件下，岩土体的渗透系数是主要取决于其自重应力的分布。大量研究表明，渗透系数具有随深度衰减的规律(Jiang et al.，2009；Wang et al.，2009；万力等，2010)。所以实验室获得的渗透系数实验数据不能准确的反映磷石膏渗透性的真实情况，故本次渗透系数测定根据磷石膏尾矿库内堆积情况现场地下水位计中水位恢复试验取得。

3.1试验方法及原理

地下水位计中水位恢复试验是假设一个均质、各向同性、无限延伸的介质，其中土壤和水是不可压缩的，在提水试验中，霍尔斯列夫断定，在地下水位计端点处，任何时间t的入流量q是土壤渗透系数K和未恢复水头差H-h成正比的(葛建，2005)。所以

(1)

式中：q(t)为t时刻的入流量(L·s-1)；K为渗透系数(cm·s-1)；H为初始水头(m)；h为停止抽水时的水头(m)；F为因数。与地下水位计进水口形状及尺寸有关(m)。

水位恢复过程中，水位变化响应滞后T：

(2)

式中：T为时间滞后响应，无量纲，把式(2)代入式(1)得到：

(3)

式中：b为常数，无量纲，从而求得渗透系数K。

3.2磷石膏渗透系数计算结果

根据磷石膏的堆存情况，结合该尾矿库的地形，本次试验布设了8个试验孔，其中5～8号试验孔位于尾矿库堆积坝坝体，1～4号试验孔位于尾矿库内。地下水水位计过滤器位于试验孔底部，长度为1m，孔径为0.045m。采用空压机进行3次降深瞬时抽水试验，最小降深3m，若水位恢复速度太快，抽水降深增大8～10m。根据1～3式求得各试验孔所处位置的磷石膏的渗透系数(表1)。

若取过滤器埋深的中值作为过滤器的埋藏深度，则对应的渗透系数K随深度的变化关系可用负指数模型来表示，即：

(4)

其中，K0为地表渗透系数；K(H)为深度为H处的渗透系数；β为衰减系数(图3、图4)。

图3　尾矿库实测渗透系数拟合曲线图Fig.3　The seepage coefficient of phosphogypsum

图4　堆积坝实测渗透系数拟合曲线图Fig.4　The fitling curve of seepage coefficient of embankment

表2　各试验孔渗透系数计算结果表

Table 2　The calculation results of permeability coefficient of test holes

孔号及位置尾矿库内尾矿库堆积坝坝体12345678孔口高程/m936.58936.71936.58936.34933.51927.02919.92919.99孔深/m10.520.531.540.426.535.630.521.5过滤器埋深/m9.0～10.019.0～20.030.0～31.039.0～40.025.0～26.034.0～35.029.0～30.020.0～21.0过滤器埋深中值/m9.5019.5030.5039.5025.5034.5029.5020.50渗透系数/10-6m·s-13.412.542.511.711.711.291.451.98

其中尾矿库内渗透系数K1随深度H变化的模型为：

(5)

堆积坝渗透系数K2随深度H变化的模型为：

(6)

4　磷石膏堆积坝渗透破坏形式的判定

渗透变形主要可分为4类：即流土、管涌、接触冲刷及接触流土。由表1可知，磷石膏类似于粉土。根据试验测得的颗粒级配曲线求得其不均匀系数Cu=4.47，属级配不良的均匀土。根据无黏性土当Cu<10时，或者其细粒含量超过35%时，渗透破坏变形模式为流土(董哲仁，1998)，故判定堆积坝的渗透破坏模式为流土。

5　磷石膏堆积坝渗透稳定性分析

对于该磷石膏堆积坝而言，其堆积体的物理性质及几何条件是固定的，故影响其渗透变形的主控因素为水力条件。而水利条件中的实际水力梯度J起到决定性影响。故堆积坝的渗透稳定性可以根据坝体水溢出口处的实际水力梯度J与允许水力梯度J允许的大小来判定。当J

根据该尾矿库的库容及坝高确定其设计等别为三等，主要构筑物重要性等别也是三等，根据坝体安全分级，取其安全系数为1.5。故J允许=Jcr/1.5，其中，Jcr为临界水力梯度。

表3磷石膏渗透系数取值表

Table 3The value of seepage coefficient of phosphogypsum

层数深度/m水平渗透系数Kh/10-6m·s-1尾矿库堆积坝①0～103.733.22②10～202.992.36③20～302.401.73④30～401.931.27⑤40～501.550.93⑥50～601.240.68⑦60～751.130.51

表4　堆积坝渗透稳定性计算结果表

Table 4　The calculation results of seepage stability of embankment

工况渗出点最大高程/m渗出范围内最大水力梯度堆积坝渗透稳定性最小值最大值工况一945m堆高无干滩913.470.2830.784不稳定100m干滩910.380.2450.583不稳定工况二960m堆高无干滩911.350.3010.692不稳定100m干滩堆积坝上无渗出点稳定

5.1临界水力梯度的确定

堆积坝渗透变形的临界水力梯度Jcr确定公式较多，在此引用GB50287-2008中关于土体产生流土时的临界水力梯度的计算公式：

(7)

J允许=0.491

5.2不同工况下堆积坝渗透稳定性

工况一：尾矿库堆积高程达到945m时，尾矿库内具有100m干滩或无干滩的情况。

工况二：尾矿库堆积高程达到960m时，尾矿库内具有100m干滩或无干滩的情况。

尾矿库在投入使用之前对库区及初期坝坝址区均进行过较好的防渗处理，其防渗性能较好，可作为隔水层处理。初期坝下游回水池内水头高度为886m。由于磷石膏堆积层在垂向上渗透系数递减，把磷石膏按10m进行分层，取中间值作为该层的水平渗透系数Kh，其垂向渗透系数Kv=0.5Kh。磷石膏层渗透系数(表3)。初期坝、防渗墙渗透系数分别为4.4×10-4m·s-1、1×10-9m·s-1。

各工况下渗透稳定性计算结果(图5～图8，表4)。有计算结果可见，在工况一无干滩、100m干滩及工况二无干滩情况下，尾矿库的水渗出点均位于堆积坝上，渗出点最大高程分别为913.47m、910.38m、911.35m，渗出范围内实际最大水力梯度分别为0.784、0.583、0.692，大于允许水力梯度0.491，堆积坝处于平衡临界状态到渗透变形或破坏状态，坝体不稳定；工况二100m干滩时，堆积坝上无渗出点，堆积坝处于稳定状态。

图6　工况一100m干滩时渗流计算结果Fig.6　The seepage calculation result in dry beach at loom of case 1

图5　工况一无干滩时渗流计算结果Fig.5　The seepage calculation result of absence of beach of case 1

图7　工况二无干滩时渗流计算结果Fig.7　The seepage calculation result of absence of beach of case 2

图8　工况二100m干滩时渗流计算结果Fig.8　The seepage calculation result in dry beach at loom of case 2

6　结　论

(1)通过地下水位计中水位恢复试验，尾矿库内渗透系数随堆积体的深度呈现逐渐减小的趋势，并服从负指数衰减过程。

(2)尾矿库堆积坝在945堆积高程，无干滩情况、100m干滩情况及960m堆积高程、无干滩情况下，渗出点高程高于初始坝高程，实际水力梯度均大于允许水力梯度，坝体处于不稳定状态；960m堆积高程、100m干滩情况下，渗出点高程低于初始坝高程，堆积坝处于稳定状态。

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STABILITY ANALYSIS OF SEEPAGE ON THE ACCUMULATION DAM OF A PHOSPHOGYPSUM TAILINGS

CHU Xuewei①②XU Mo①WANG Zhongmei②

(①State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

(②College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang550025)

With the increase of tailings dam height，the groundwater seepage field will change.When the actual hydraulic gradient at the tailings dam is greater than the critical hydraulic gradient，the tailings dam will produce seepage deformation or instability damage.In order to predict the seepage stability of a phosphogypsum tailings dam，the seepage coefficient was determined by using the groundwater level gauge to resume testing，and the hydraulic gradient were calculated.At the same time，the SEEP/W module of Geo-studio was used to analyze the seepage stability of the phosphorus gypsum accumulation dam under different conditions.According calculation and analysis results，it was found that when the accumulation dam was in 945m altitude，in the absence of beach and 100m dry beach，the actual hydraulic gradient were 0.784 and 0.583.When the accumulation dam was in 960m altitude and in the absence of beach，the actual hydraulic gradient were 0.692.In the above two cases，the altitude of the seepage point of the accumulation dam was higher than the initial dam，the accumulation dam would appear the deformation of the flow soil，the dam was unstable state.When the accumulation dam was in 960m altitude and 100m dry beach，there was no seepage point on the accumulation dam，and the accumulation dam was in the stable state.The results of the research will provide the technical basis for the safe operation and maintenance management of the tailings dam，and will provide reference for the seepage stability of the same tailings dam．

Tailings，Accumulation dam，Critical hydraulic gradient，Seepage，Stability analysis

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.023

2015-04-28;

2015-07-19.

贵州省水利厅科技专项经费项目(任务书编号：KT201506)资助.

褚学伟(1979-)，男，硕士，博士生，讲师，主要从事岩溶水文地质、环境地质工作.Email: 28409807@qq.com

P641.2

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