基于渗流分析的某尾矿库坝体稳定性研究

2021-01-13姜云平

山西建筑 2021年2期

姜云平

(山西宜通工程技术有限公司，山西朔州 038399)

1 概述

随着生产生活需求的不断提高，矿山数量急剧增长，也会使管理人员在不同程度上忽视一些危险因素[1,2]，造成地下水的污染以及下游建筑物的损坏，甚至产生巨大的社会危害[3]。由李愿、郭振世所收集的资料表明,我国是一个矿产生产大国，共有12 000余座尾矿库。但是，能够正常运行的尾矿库还不足70%，有的行业近50%的尾矿库处于险、病、超期服役状态[4,5]。近50年以来，我国所发生的30起各类尾矿库事故中，由于溃坝引起的事故占到了50%[6]，死亡人数也呈明显增长趋势。特别是2008年山西省临汾市尾矿库发生溃坝事故，致多人伤亡，直接经济损失达9 619.2万元。种种资料表明我国的尾矿库早已是一个巨大的隐患，有必要采取合理的预防措施对尾矿库进行综合治理，使我国的尾矿坝事故得到有效的控制[7]。

目前对于尾矿库的稳定性分析方法并没有明确规定，由于尾矿物理力学性质极为复杂，边界条件影响因素众多，在用土力学进行分析时，往往难以达到精确的分析结果。所以，针对某尾矿库的渗水现象，采用水力学法和现场经验相结合的方式对尾矿库渗流稳定性进行分析。

2 尾矿库工程概况

该尾矿库属于山谷型尾矿库，主要筑坝材料为选矿排出的细粒尾矿。尾矿库初期坝的外坡比为1∶1.8，内坡比为1∶1.6，坝高为12.82 m。堆积坝由内、外两部分坝体构成，且内外坡比均为1∶4。尾矿堆积层自上而下主要为尾中砂、尾粉砂、尾粉土及尾粉质粘土。然而，细粒尾矿堆积坝的病害发生率在尾矿库事故统计中所占的比例最高[8]，因此要对尾矿堆积物的物理力学指标及其性质进行详细的调查分析，防止溃坝事故的发生。

该尾矿库下游为罗山水库，一旦发生溃坝危险，则会造成该尾矿库以及水库等重要设施处于危险状态，甚至对水库下游1 200多名居民、360栋建筑物以及多个村庄造成巨大威胁。因此，要加强对筑坝材料的筛选、严格要求筑坝的工艺，尤其要对尾矿库的运行状态进行重点全面的分析。

3 尾矿库初期运行安全性分析

该尾矿库的初期坝用上游式筑坝法堆筑而成，为了避免初期坝外坡发生渗透破坏的可能，在坝内设置排渗盲井，外包土工布并设置滤水层，且在危险性最大的外坡上铺筑排渗层，降低浸润线从初期坝外坡逸出的几率，使尾矿库的初期运行得到一定的保障，从而增强后期运行的安全稳定性。

目前该尾矿库全库容约为2 087万m3，坝高为90 m。根据表1尾矿库等别划分标准，该尾矿库属于三等尾矿库。

表1 尾矿库等别划分标准表

根据液性指数IL可以将库区尾砂划分为粘性土，而粘性土一般发生的渗透破坏形式为流土。参考《土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训》中粘性土的抗渗强度计算公式[9]，可以表示为：

Jcr=0.4C+1.25(Gs-1)(1-n)cosα

(1)

其中，C为抗渗粘聚力，kPa；Gs为土粒比重;n为土体孔隙率;α为土体与边坡的夹角。

根据该公式，计算得到库区临界各尾矿层的抗渗强度见表2。

表2 库区尾砂层抗渗强度数值表

参考尾矿设施设计资料，渗透安全系数由所求土体的抗渗强度Jcr与水力坡降J的比值所表示。

本工程堆积坝外坡比约为1∶4，因此堆积坝外坡实际渗流逸出点水力坡降J=1/m=1/4=0.25(m为堆积坝边坡系数)。

由渗透安全系数公式：

Ks=Jcr/J

(2)

得到各砂层的渗透安全系数Ks≥9.08。在工程实例中，三等尾矿库的安全系数按照经验值取Ks≥1.5～2.0，显然能够满足所求值。因此，玲南尾矿库在初期运行过程中不会发生渗透破坏。

4 尾矿库坝体浸润线分析计算

4.1 坝体溢水点分析

在尾矿库的后期运行过程中，随着矿砂的不断沉积会造成排渗层的堵塞，无法很好地实现排渗降水的功能。因此，应对该工况下尾矿堆积坝的渗透破坏进行分析[10]。

在垂直方向，尾矿呈现上层粗、下层细，各沉积层坡度接近于堆积坝坡度的沉积规律，见图1。

坝体溢水点的位置通常会随着渗流的变化而从初期坝上移，而不是固定在某一层矿砂中，但在分析计算时，应符合以下假设：

1)当排渗层发生堵塞失效，渗水不再从初期坝底溢出，其位置会相应的发生转移；

2)浸润线转折穿过尾中砂等粒径相对较大的沉积层，不仅仅是处于矿砂底层；

3)坝体内尾矿堆积层为各向同性的连续体；

4)各尾矿堆积层的渗透系数不变。

按照《尾矿库安全技术规程》中的规范要求，取三级尾矿库最小安全干滩长度为70 m[11]，尾中砂层渗透系数K=3.52×10-5m/s。

因坝轴线较长，为便于计算可采用“分段法”，将坝体分成Ⅰ,Ⅱ两个部分，建立图2所示坐标系。

假设通过Ⅰ区的流量为q1，通过Ⅱ区的流量为q2，在相同时间内，水流通过任意截面的流量是相同的，能够得到q1=q2。

渗流从A—O断面到B—C断面产生的水头差为ΔH=H1-H2，两断面间的渗透途径长度为Δs=L-mH2，所以上游段的水力梯度可以用ΔH和Δs两者的比值表示为:

Joc=(H1-H2)/(L-mH2)

(3)

在计算上游段Ⅰ区的平均渗流流速时，考虑到渗流是在恒定非均匀渐变层中发生的，所以需要用杜比公式而不是达西定律来求解任意点的渗流流速，表示为:

V1=kJoc=k(H1-H2)/(L-mH2)

(4)

为了计算出通过上游段Ⅰ区的渗流量，可以将Ⅰ区近似看作梯形，而在任一过水断面的高度可以用平均值来表示，那么通过坝体单位宽度下的平均断面面积为:

A=0.5(H1+H2)

(5)

由式(4)和式(5)便能计算出通过上游段Ⅰ区的单位宽度渗流量为:

q1=V1A=k(H1-H2)/2(L-mH2)

(6)

下游段Ⅱ区单位宽度渗流量采用巴甫诺夫斯基公式可得:

q2=kH2/(m+0.5)

(7)

联立式(6)和式(7)，将H1=90 m，m=4,L=390 m代入方程得单位宽度渗流量q=q1=q2=35.51×10-5m3/(s·m),H2=45.4 m，则溢出点高程为+197.6 m。按照各尾矿沉积层的堆积厚度，可推断溢出点位于尾中砂层，在实际坝顶高程+242.2 m以及尾中砂层下界面高程+192.2 m范围内，所以该研究方法可近似估算堆积坝外坡的溢水点位置。