尾矿库在线监测系统浸润线预警阈值计算方法研究

王 莎，梅国栋，谢旭阳

(1.矿冶科技集团有限公司，北京102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

我国现有尾矿库8 869座[1]，随着矿产资源的持续开采，尾矿排放规模持续增长，受土地资源的限制，不少尾矿库在达到设计高程后加高等，这造成了巨大的安全隐患[2]。尾矿库的安全关系到矿山生产的整体安全性，尾矿溃坝事故的特点是，发展迅速、冲击力强、变形量大、流动特性复杂[3]，尤其当尾矿库下游存在村庄或重要设施时，溃坝事故将造成更加严重的后果，这使得尾矿库的安全预警工作显得尤为重要。

对于上游式尾矿库，库内水持续向下游渗透，产生渗透压力并降低筑坝料自身的抗剪强度，渗流作用不仅降低坝坡的抗滑稳定性[4-5]，若从堆积坝面逸出，还会产生渗流破坏，如管涌、流土等，破坏坝体局部结构。因此，浸润线的监测及准确预警工作对尾矿库的安全运行起到决定性的作用。

目前，浸润线预警阈值的计算缺乏统一标准，若单纯依靠规范所规定的浸润线最小埋深来确定预警阈值，不考虑坝体浸润线随坝高等因素的变化，与实际工程差异较大，空报、误报率较高，对实际工程不具备指导作用。基于此，本文开展了尾矿库浸润线预警阈值的确定方法研究，为尾矿库在线监测系统中浸润线预警值设计提供了工程借鉴。

1 浸润线红色预警阈值计算方法

尾矿库浸润线预警阈值计算方法详见图1。首先，根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[6]确定尾矿库等级，确定尾矿库的最小干滩长度、最小安全超高、最小浸润线埋深、稳定最小安全系数的要求；其次，建立渗流计算模型，设置合理的边界条件进行浸润线计算，计算结果应同时满足最小干滩长度、安全超高、浸润线埋深及稳定安全系数的要求，从而确定临界控制浸润线；最后，对应临界控制浸润线及测点的空间位置，获得各测点的各级预警阈值。

图1 尾矿库浸润线预警阈值计算方法逻辑结构图Fig.1 Logical structure diagram of the phreatic line warning threshold calculation method

2 浸润线边界条件及计算工况的要求

尾矿库浸润线计算水位边界条件，首先应满足最小安全超高与最小干滩长度的要求，根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)，上游式尾矿堆积坝最小安全超高与及干滩长度要求应符合表1的规定。

表1 上游式尾矿堆积坝的最小安全超高与最小干滩长度

尾矿坝浸润线的确定还应分析放矿、雨水和地震等因素对尾矿坝浸润线的影响，尾矿堆积坝下游坡浸润线的最小埋深除应满足坝坡抗滑稳定的条件外，为了防止渗透破坏的发生，浸润线的埋深应同时满足表2的要求。

表2 尾矿堆积坝下游坡浸润线的最小埋深

尾矿坝应满足静力、动力稳定要求，根据确定的浸润线，进行尾矿坝稳定性计算，不同计算方法要求的最小安全系数不同，以毕肖普法为例，坝坡抗滑稳定的安全系数不应小于表3规定的数值，位于地震区的尾矿库，尾矿坝应采取可靠的抗震措施。

表3 坝坡抗滑稳定的最小安全系数

3 化引干滩长度法计算坝体浸润线

渗流计算中边界条件的选取，直接决定了尾矿坝中浸润线的分布形式。若按照干滩长度红色预警阈值，不考虑放矿水对浸润线的影响，则计算浸润线较实际监测浸润线偏低，基于此，本文提出采用化引干滩长度作为库内渗流边界条件来计算坝体浸润线，即根据红色预警的干滩长度进行换算，获得化引滩长和化引库水位。从下游坡浸润线上端点至计算库水位水边线用对数曲线连接成光滑曲线，作为沉积滩部分的浸润线。

放矿水覆盖绝大部分滩面时，化引干滩长度为：

Lh=3.3L0.48

(1)

放矿水覆盖部分滩面时，化引干滩长度为：

Lh=2.26L0.645

(2)

式中：Lh—化引干滩长，m；L—计算滩长，m。

4 浸润线预警阈值设置

根据监测断面在平面布置图上的具体位置，对原始地形图和坝体同时进行切割，获得坝体稳定性和渗流计算的剖面。结合浸润线实测值、渗流计算结果及稳定性计算结果，获得控制浸润线。参照控制浸润线及堆积坝外坡测点的坐标位置，获得各监测点的浸润线埋深红色预警阈值。根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》(GB 51108—2015)[7]，尾矿库堆积坝外坡浸润线埋深的橙色预警阈值取红色预警阈值的1.1倍。尾矿库堆积坝外坡浸润线埋深的黄色预警阈值取红色预警阈值的1.2倍。

5 计算案例

本文所研究尾矿库设计总坝高125.0 m，堆积坝坝高96.0 m，初期坝坝高29.0 m，总库容约5 588.0万m3，属于二等库，因此，按照规范要求，该尾矿库最小安全超高为1.0 m，最小干滩长度为100.0 m，浸润线最小埋深为6.0 m。

尾矿库在线监测系统浸润线监测点平面布置详见图2。该工程在主坝位置设置3个监测断面，在各级子坝及初期坝顶端共计埋设15个浸润线监测孔。

根据规范要求，该等级尾矿库采用毕肖普法的允许安全系数为1.35；特殊工况允许安全系数为1.15。库区各岩土层抗剪强度及渗流计算参数详见表4。

图2 尾矿库在线监测系统中浸润线监测点平面布置图Fig.2 The location map of the phreatic line monitoring points in tailings pond online monitoring system

表4 尾矿库库区各岩土层抗剪强度及渗流计算参数

根据调洪演算结果，该尾矿库的红色预警干滩长度为300 m。本工程放矿水覆盖绝大多数滩面，因此，采用公式(1)计算的化引干滩长度，结果为51.0 m，相应的水位为624.7 m。

根据化引干滩长度确定的水位，设置渗流计算的水位边界条件，进行稳定渗流场计算，获得坝体浸润线，并与实测值进行复核，获得基准浸润线。然后开展坝体渗流-应力耦合分析，获得坝体在不同工况下的边坡稳定性安全系数，并与规范值进行对比，若安全系数值大于规范要求，则将上述基准浸润线向上平移，直至安全系数小于或等于规范值，此时的浸润线为临界浸润线。若在上述移动过程中，浸润线最小埋深小于或等于规范要求时(本工程为6.0 m)，则停止搜索，此时的浸润线即为临界浸润线。

按照上述过程，最终确定的尾矿库临界浸润线如图3所示，由稳定性计算结果可知，在此浸润线下，正常工况的坝坡稳定安全系数为1.66，大于规范要求的1.35；地震工况的坝坡稳定安全系数为1.37，大于规范要求的1.15。根据结果可知，在此计算案例中，稳定性对浸润线并不起到控制作用。

图3 尾矿坝临界浸润线及稳定性结果(正常工况和地震工况)Fig.3 The critical position of the phreatic line and the stability calculation result (normal and seismic working condition)

根据上文计算的临界浸润线，对应各测点的高程位置，可获得各个测点位置处的浸润线红色预警、橙色预警和黄色预警阈值，详见表5所示。

表5 尾矿库浸润线监测点各级预警阈值

6 结论

本文梳理了尾矿库相关规范中有关浸润线的控制要求，整理了尾矿坝控制浸润线计算的逻辑结构，并结合某尾矿库实际工程，对计算方法进行了验证，得出了如下结论：

1)尾矿库坝坡浸润线预警阈值的确定需考虑诸多因素，如坝坡稳定性、干滩长度、最小安全超高、受力状态等，同时与微观因素如尾矿颗粒级配、塑限、液限值等有关，限于篇幅，本文不做微观因素的研究。考虑到浸润线是坝坡稳定性的主要影响因素，提出采用坝坡稳定性计算及相关规范要求来综合确定控制浸润线高度。

2)由于采用干滩长度红色预警值作为渗流边界条件时计算的浸润线埋深较实际值偏大，本文提出了采用化引干滩长度计算公式确定坝体临界浸润线的方法。同时，考虑到该工况水位一般高于洪水工况，因此，不再复核洪水工况的坝坡稳定性，因此，在浸润线预警阈值计算中，仅考虑正常工况和地震工况两种情况。

3)尾矿库临界浸润线埋深的确定，宜根据渗透破坏试验，综合调洪演算、稳定性分析等因素综合决定，仅考虑单一因素将产生较大的误差。