垂直—水平联合排渗系统对某尾矿坝排渗效果的影响研究

2017-06-19李宏儒王神尼

地下水 2017年3期

关键词：渗透系数尾矿夹层

程良，李宏儒，马辽，王神尼，张盼

(西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048)

垂直—水平联合排渗系统对某尾矿坝排渗效果的影响研究

程良，李宏儒，马辽，王神尼，张盼

(西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安 710048)

对于尾矿坝因排渗不及时引起坝体中水量聚集、有效应力减小、抗剪强度降低、固结排水困难等问题，利用SEEP-3D软件建立三维有限元模型，模拟尾矿坝中设置垂直—水平联合排渗系统后其排渗效果。结果表明：不同布置形式下的垂直—水平联合排渗系统都能有效降低尾矿坝浸润面埋深，其中水平排渗管间距20 m、管长50 m，垂直排渗井管长3 m的排渗方案效果最为明显；当坝体不同部位存在夹泥层时垂直—水平联合排渗系统能有效降低坝体浸润面，起到良好的排渗效果。

尾矿坝；浸润线；联合排渗系统；夹泥层

我国尾矿排放量巨大，除有部分回填矿山外，其余都已采用构筑尾矿坝方式存储[1]。尾矿坝是选矿厂安全生产的一个重要组成部分,是矿山三大控制性工程之一[2]，做好尾矿坝的安全控制事关重大。郑欣等[3]对尾矿坝溃坝因素进行了分析，并总结了失稳模式。尾矿坝溃坝归结起来是由多因素共同作用的结果，其中坝体浸润面埋深影响较为明显，在浸润线以下坝体自重下降、有效应力降低，坝体的抗剪强度也随之下降，若渗流问题不能得到很好的解决，将会给尾矿坝安全造成重大隐患[4-7]。对于尾矿坝降低浸润面的措施主要有设置排水垫、排渗墙、增设集水井等[8]，随着选矿设备的改进，细粒尾矿料越来越多，对于以往控制尾矿颗粒的方法来加速坝体排水固结来满足坝体稳定性的方式已经不适用[9]，细粒尾矿含量的增加会导致尾矿固结度降低、浸润线抬升、库容变小等不利影响[10,11]。

余新洲[12]等为了解决细粒尾矿排水固结困难的问题，总结以往细粒尾矿坝的排渗方案，提出了在尾矿坝堆积过程中铺设水平—垂直土工合成材料组成坝体的三维排渗系统的施工方案，通过建立尾矿坝二维有限元渗透模型，证实了该方法的可靠性。针对二维有限元渗透模型难以模拟尾矿坝实际渗流场的问题，本文利用SEEP-3D软件以乌鲁干塔什铅锌矿区尾矿坝工程为对像，建立三维有限元模型，研究不同布置形式的垂直—水平联合排渗系统对坝体排渗效果的影响。

1 模型概化及计算参数

1.1 建立计算模型

尾矿坝初期坝采用碾压堆石坝坝底标高2 150 m，坝顶标高2 174 m，坝高24 m，上游坡比为1:2.5，下游坡比为1:3，在坝的上游坡设土工布、土工膜及碎石反滤层，反滤层上游设块石护坡，反滤层下游为土石混合料。后期尾矿堆积坝采用上游式尾矿筑坝方法，坡比1:6，最终堆积坝顶标高为2 234 m，总坝高84 m，有效库容约5 533.2万 m3，服务年限24.2 a。

拟建尾矿坝为三等库，计算分析时干滩长度选为100 m，上游水头边界高程为2 230.8 m，由于初期坝为透水堆石坝，下游水头边界选在初期坝坝趾处为自由透水面，模型左、右边坡和底部设置为不透水边界。坝身排渗系统自初期坝坝顶设置6排水平排渗管，垂直间距10 m，水平间距10 m，管长60 m，平行布置。

模型最大宽度200 m，坝长420 m，包括初期坝、堆积坝和拟设计排渗管，计算模型共2 851个块体，划分173 279个单元，173 279个节点，三维计算模型网格划分如图1。

图1 坝体网格划分图

图2 不同排渗管系数下坝体浸润线图

1.2 渗透系数的确定

1.2.1 排渗管不同透系数下浸润面埋深

排渗管采用的是直径为200 mm，管面有梅花型孔洞、管外包裹400无纺土工布的PVC管组成，在建模时采用改变坝体部分材料渗透系数的方法代替排水管。参考陕西柞水晒裙岭尾矿坝浸润线实测数据，设计与其相似的排渗方案(1.1部分已说明)，通过试算确定符合本文拟建尾矿坝所选用排渗管的渗透系数。

排渗管渗透系数分别取0.3 cm/s、0.35 cm/s 、0.4 cm/s、0.5 cm/s时浸润线的位置如图2，通过各排渗管系数下坝体浸润线走势可以得出，取排渗管渗透系数为0.35 cm/s时，坝体浸润面走势和降深与理论和实际较吻合。因此，本文将排渗管渗透系数定为0.35 cm/s。

1.2.2 尾矿料渗透系数的确定

根据现场取得的尾矿试样由试验得出，拟建尾矿坝堆积坝材料主要有两大类：尾细砂和尾粗砂。按照尾矿坝沉积特性和工程勘测资料，将尾矿堆积坝材料划分七层，各层尾矿料渗透系数见表1。

表1 尾矿坝各层材料渗透系数

2 排渗方案与计算

2.1 各垂直—水平联合排渗方案对比

王涛[13]运用AHP法分析表明，排洪系统对于尾矿坝安全运行影响最大，对于做好尾矿坝排洪、排渗工作事关重大。考虑到排渗管管壁外土工布直接与尾矿砂接触，细小尾矿颗粒容易附着于土工布上，长时间工作导致土工布过滤功能失效、排渗孔堵塞等排渗不良的现象，单一的排渗方案已不能适应实际工程的需要。为确保坝体排渗安全，保证浸润面在安全埋深范围内，在排渗管端部加设排渗井，组成垂直—水平联合排渗系统，利用排渗井收集尾矿中的水，排渗管起到排渗加导流的作用。

本文排渗井高度统一为3 m，底部与排渗管相连，水平排渗管坡度 1.5%，排渗管出口处与纵向排水槽连接，经两坝肩排水沟将水排出坝外。垂直—水平联合排渗系统纵断面示意图见图3。为对比分析所选排渗井所组成的垂直—水平联合排渗系统的排渗效果，四种方案下排渗管布置情况见表2。

表2 各方案下排渗管布置情况

排渗管与排渗竖井布置纵断面示意图如图3所示。

图3 垂直—水平联合排渗系统纵断面示意图

2.2 计算结果分析

图4～图6是坝体最大横断面上各方案下，浸润面最小埋深处有、无竖井浸润面最小埋深、渗透坡降和渗流流速对比曲线。综合比较得出，方案1加设垂直排渗井后，浸润面最小埋深下降幅度最大达到1.7 m，排渗井利用率高，作用效果明显，虽然方案2、方案3、方案4在加设排渗井后浸润面最小埋深均满足规范要求，但排渗井利用率依次减小，降深幅度逐渐下降，并与所选最优排渗管方案相比，浸润面最小埋深最大相差0.7 m。考虑到拟建尾矿坝位于9度地震区，防止仅设置排渗管方案时，排渗管发生淤堵，浸润面抬升，危及坝体稳定性，为了提高安全储备，确保坝体渗流稳定性，选择方案1即间距20 m排渗管长50 m尾部加设3 m深排渗井组成垂直—水平联合排渗系统作为此尾矿坝最终排渗方案。

图4 各方案下浸润面最小埋深对比图

图5 各方案下渗透坡降对比图

图6 各方案下有、无竖井渗流流速对比曲线

(a)夹层下部浸润面关系曲线 (b)夹层上部浸润面关系曲线

3 含泥夹层对坝体排渗效果的影响

尾矿沉积具有明显的分层性，各尾矿层间可能存在尾矿泥夹层，其渗透系数要比尾矿砂小，容易造成尾矿坝排渗不畅，形成有压渗流，当库水位较高时，渗透压力增大，此时极易造成尾矿坝滑坡或管涌等形式的破坏。

针对上述确定的最优排渗方案下，为了检验排渗方案的效果，设置了距坝顶50 m、40 m、30 m、20 m、10 m存在泥夹层的5种工况，计算分析有、无垂直排渗井下含泥夹层对坝体排渗效果的影响。

从图7可知，无排渗井工况下下尾矿泥上、下部浸润面变化趋势随尾矿泥夹层距坝顶越远，其上部浸润面抬升越明显，当尾矿泥夹层逐渐上移时，其上部浸润面埋深越大，而下部浸润面随着尾矿泥夹层上移其最小埋深呈现V型变化；当尾矿泥夹层位于坝体中部以下时，其浸润面随尾矿泥夹层上移而被抬高，距离坝坡面越近，当尾矿泥夹层位于坝体中部以上时，其浸润面随尾矿泥夹层上移而降低，距离坝坡面越远，说明尾矿泥夹层位于坝体中部时对坝体排渗效果影响最大，坝体安全性最低。

可以看出尾矿坝泥夹层对坝体排渗效果影响较大，工程中应当加以重视，施工中应努力提高放矿工艺，控制好各种尾矿料的堆放位置以便组成合理的渗透系数比，加强施工质量管理，尽量避免或减少尾矿泥夹层的存在。