不同因素对尾矿库浸润线影响的数值模拟研究

高亚伟,孔祥云,唐永俊

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2. 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650093)

不同因素对尾矿库浸润线影响的数值模拟研究

高亚伟1,孔祥云2,唐永俊1

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2. 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650093)

采用数值模拟软件MODFLOW研究初期坝透水能力以及干滩长度对尾矿坝浸润线埋深的影响，首先，根据概化的模型剖面建立该尾矿坝的三维模型；然后通过改变初期坝透水性以及干滩长度，研究不同条件下浸润线埋深的变化规律。研究结果表明：1)当初期坝排渗能力降低时，浸润线整个的位置往上移动，当初期坝渗透系数降至1e-6m/s时，堆积坝表面出现渗水现象，严重影响坝体的结构稳定性；2)干滩长度增加，整个的浸润面往远离坝面的方向移动，有利于坝体的稳定性。通过数值模拟方法研究了初期坝、堆积坝、干滩对坝体浸润线的影响，其研究成果可对尾矿坝安全设计提供补充的理论依据。

尾矿库；数值模拟；初期坝；干滩；浸润线

0 前 言

尾矿库是矿山用于堆存排放尾矿的设施，是矿山重要构筑物之一，其安全稳定性对矿山生产、人民的生命财产以及环境有着重要的影响。目前我国尾矿库的发展正朝着库容增大，坝体增高的方向发展，尾矿坝是具有高势能的泥石流形成区，同时由于尾矿成分的复杂性，一旦发生溃坝等事件，都会造成巨大的经济损失与环境破坏[1]。尾矿堆积坝内饱和区与非饱和区的分界面即浸润面，其二维剖面中饱和区与非饱和区的分界线即浸润线，工程上将浸润线埋深作为判断坝体安全的一个重要依据。对于浸润线埋深对坝体安全稳定性的影响研究方面，有研究表明，浸润线埋深每下降1 m可使坝体的安全系数增加0.05左右[2]；对于坝体液化引起的溃坝研究方面，有学者研究发现，当浸润线降至坝面8 m以下时，发生7级地震，不易发生振动液化现象[3]。在坝体渗流场稳定研究方面，大量学者通过实地勘察、室内试验以及数值模拟等方法研究表明[4-6]，初期坝排渗能力以及干滩长度的变化都会造成浸润线埋深的变化。因此，本文采用数值模拟软件MODFLOW对初期坝排渗能力以及干滩长度影响浸润线状况进行具体分析，得到不同条件下浸润线的变化规律。

1 计算模型

1.1 软件介绍

软件MODFLOW是由McDonald和 Harbaugh 共同开发出来的专门用于模拟多孔介质中渗流现象的三维有限差分数值模拟软件。目前，MODFLOW已被广泛应用于科研、环境保护、水资源利用等许多方面。整个软件包括MODFLOW，MODPATH，MODFLOW-SURFACT，Zone Budget，MT3Dxx/RT3D，MGO和Win PEST，并都具有最直观和强大的图形交互界面。本文研究中主要调用MODFLOW模块。

1.2 剖面概化及模型建立

据大量实地资料可知，尾矿库的地形一般都很复杂，断面起伏变化较大，因此，复杂的地形条件会给计算带来一定的困难。也有工程研究[7]表明：完全按照实际地形进行模拟会使建模困难、计算也变得繁琐。赵坚[8]在分析上游堆筑法尾矿坝坝体尾矿砂分布特点基础上，提出地质剖面概化原则，并验证了其可行性。因此，本研究考虑了研究对象某尾矿坝本身复杂的地形条件，采用地质剖面概化的原则，将本文研究的某尾矿库分为堆积坝、初期坝、强风化板岩以及基岩四种介质，如图1，同时根据该尾矿库的勘察资料，坝体范围宽约200 m，长453.2 m，包含基岩厚度，确定坝高为92.0 m，最终确定模型尺寸为200 m×460 m×100 m，10 m作为划分间隔，最终构建的计算模型如图2。

图1 尾矿坝基本概化剖面

图2 尾矿坝数值分析三维模型

1.3 边界条件及基本参数

库内水边线之后的区域定为定水头边界，然后根据不同的干滩长度设置不同的水头值；初期坝坝脚为排水管DRAIN边界，其高度为该处位置高程，其导水系数设置为10e20m2/d。

数值模拟计算所需渗透系数中，堆积坝渗透系数通过室内变水头渗透试验确定，初期坝、强风化板岩、基岩的渗透系数参考《尾矿库设计手册》以及相关类似尾矿坝勘察资料取值，具体取值如下表1。

表1 各材料层渗透系数

2 浸润线埋深数值模拟分析

2.1 初期坝排渗能力对浸润线埋深的影响

初期坝是构建尾矿库的最初支撑结构，进行数值模拟分析时改变初期坝的渗透系数，堆积坝、强风化板岩层的渗透系数不变，干滩长度不变，即保证堆积坝渗透系数为4.6e-7m/s，干滩长度为100 m不变，研究初期坝渗透系数分别为1e-2，1e-3，1e-4，1e-5，1e-6m/s时的尾矿坝浸润线埋深变化规律。文中列出初期坝渗透系数为1e-3，1e-5，1e-6m/s时的坝体浸润线埋深图，其余通过统计坝顶位置浸润线的埋深说明，具体结果如表2所示。

表2 不同渗透能力初期坝条件下的浸润线埋深

通过图3以及表2的统计可知：浸润线埋深的整体变化呈现随初期坝排渗能力的降低而降低的趋势。

图3 不同初期坝透水性对尾矿坝渗流场及浸润线的影响

当初期坝渗透系数降至1e-6m/s时，堆积坝表面出现渗水现象，严重影响坝体的稳定性。出现该变化情况是因为随着初期坝渗透系数的降低，初期坝的阻水作用增加，阻挡了渗流水经过初期坝向下游渗透，迫使浸润线逐渐被抬高，随着初期坝渗透能力的降低最终导致水从坝坡溢出，长时间出现坝面溢水会造成坝面的沼泽化现象，降低尾矿坝的稳定性。由图3中，也反映出当初期坝渗透系数降至1e-6m/s时，堆积坝表面出现渗水现象，针对此类现象，有研究者表明，当初期坝渗透系数仅比堆积坝渗透系数高一个数量级时，浸润线从初期坝上游坡角位置抬升至初期坝坝顶，当二者的比值接近1∶1时，坝面就会出现大量渗水[9]。因此，初期坝的排渗能力是影响坝体稳定性的重要因素，初期坝的排渗能力低，库水长时间积累，无法排出，使库水位常居于高位，浸润线不断攀升，使堆积坝饱和区增加，极易发生震动液化造成的溃坝，初期坝的排渗能力太大，容易对初期坝体造成冲击，不利于初期坝稳定，进而影响整个坝体的稳定性，因此，结合勘察、室内试验以及数值模拟等方法，确定针对某尾矿坝本身特性的具有合适排渗能力的初期坝尤为重要。初期坝排渗能力降低，除其本身设计的原因外，目前也有大量研究表明，渗流水中携带的尾矿细颗粒的沉积在初期坝的反滤层孔隙内，进而降低初期坝的排渗能力，最终使浸润线的埋深降低。

2.2 干滩长度对浸润线埋深的影响

沉积干滩是指向尾矿库内排放尾矿，由于沉积作用逐渐形成的尾矿砂滩，也叫沉积干滩，其长度称作滩长，滩长也作为是尾矿库安全度的一个重要指标。数值模拟分析时，保证初期坝渗透系数为0.001 m/s，堆积坝渗透系数为4.6e-7m/s不变，研究80，100，120，140 m干滩长度对坝体浸润线埋深的影响。模拟分析的结果如图4，干滩长度为100 m时同图3(a)，顶位置浸润线的埋深的统计结果如表3所示。

图4 不同干滩长度对尾矿坝渗流场及浸润线的影响

不同工况干滩长度L/m坝顶位置浸润线埋深H/m工况一8016．5工况二10018．6工况三12021．0工况四14024．0

通过图4以及表2可知：坝体浸润线始终位于堆积坝坝面以下，未出现浸润线爬至初期坝坝顶以及坝面渗水现象，浸润线的降深最大发生在初期坝上游坝脚附近。通过数值模拟结果图以及表3可以反映出：干滩长度增加，浸润线埋深越来越深，整个的浸润面往远离坝面的方向移动，有利于坝体的稳定性。

3 结 论

1)初期坝排渗能力的逐渐降低，浸润线的位置整体呈现逐步上升的趋势。当初期坝渗透系数降至1e-6m/s时，堆积坝表面出现渗水现象，严重影响坝体的稳定性。

2)干滩长度增加，浸润线埋深越来越深，整个的浸润面往远离坝面的方向移动，有利于坝体的稳定性。

3)浸润线越高，溃坝的风险越大，浸润线埋深作为判断坝体稳定性的重要标准，降低浸润线的位置，有利于坝体的稳定性。因此，尾矿坝构件与运行的过程中应当保证初期坝具有恰当的排渗能力，保证库内设计的排渗设施具有有效的排水能力，并且应注意初期坝以及排渗设施的淤堵问题等，避免造成初期坝渗透性能减低以及排水设施失效。

4)随着矿山磨矿技术的提高，向尾矿库排放的尾矿朝着越来越细的方向发展，细颗粒尾矿越多，通过渗流过程中的水动力作用不断携带细颗粒运移，在运移过程中发生沉积等作用，细颗粒不断淤塞孔隙通道，降低坝体的渗透能力，使得坝体浸润线升高，进而降低了坝体的稳定性，因此，细粒尾矿堆坝成为了目前一个重要的研究方向，采取有效的措施降低其浸润线高度成为了一个重要研究内容。

通过以上的数值模计算与分析，在工程实际建设中，在尾矿坝运行前，应当根据矿上排放的尾矿本身的粒径大小、沉积特点与渗透特性等，设计有效的排渗设施，开始堆坝后，根据堆积的发展过程，建立有效的监测技术。

[1] 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.

[2] 周汉民. 模袋法尾矿堆坝技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2015.

[3] 张一军. 细粒土尾矿坝稳定性研究[D]. 西安: 长安大学, 2007.

[4] 路美丽, 崔莉. 影响尾矿坝渗流场的因素分析[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(6): 17-20.

[5] 张震斌. 宽甸县下甸子铁选厂尾矿库地球物理测试[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2012, 31(1): 39-41.

[6] 张福宏, 周怡帆, 马海涛. 某尾矿库三维流固耦合稳定性分析[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2012(5): 754-759.

[7] 路美丽. 尾矿坝渗流场的数值模拟及分析[D]. 大连: 大连理工大学研究生院, 2002.

[8] 赵坚, 纪伟, 刘志敏. 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, 74.

[9] 王昆. 个旧象冲尾矿库渗流分析研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2016.

Numerical Calculation of Influence of Different Factors on Seepage Line of Tailings Dam

GAO Yawei1, KONG Xiangyun2, TANG Yongjun1

(1.FacultyofLandResourceEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China; 2.FacultyofCivilEngineeringandMechanics,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

Through simulation software MODFLOW, we, according to the generalized model profile, will establish the three-dimensional model of tailings dam. Then, in changing the different factors, we begin to study the influence law of different factors on the seepage line. The numerical calculation analysis shows: (1) With the decrease of seepage capacity of initial dam, the position of the whole seepage line shows an up trend. When the permeability coefficient of the initial dam is reduced to 1e-6m/s, the dam surface shows the seepage phenomenon that will affect the stability of tailings dam seriously; (2) With the increase of the length of the dry beach, the whole seepage surface moves away from the direction of the dam surface, which is favorable to the stability of tailings dam. We think the influence law of different permeability initial dam, including the different dry beach length on depth of seepage line obtained through the numerical simulation analysis method can provide a supplementary theoretical basis for the safety design of tailings dam.

Tailing dam; Numerical calculation; Initial dam; Dry beach; Seepage line

2017-04-22

国家自然科学基金重点项目(51234004)；云南省教育厅重点项目(KKJD201521003)

高亚伟(1992-)，男，云南曲靖人，在读硕士研究生，研究方向：尾矿坝溃坝，手机：18787460940，E-mail：1934280589@qq.com.

TV649

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.044