排渗设施部分失效下的尾矿库放矿渗流分析

满健铭，沈振中，林 杰，杨 超

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

尾矿库的长期运行过程中，由于受到物理、化学、生物因素的影响，排渗设施经常出现因淤堵而失效的现象。当排渗设施失效时，若不采取相应的措施，坝体内部排水不充分，将会发生渗流破坏现象，最终导致溃坝的发生。事实证明，如果尾矿库溃坝，可能会产生极其严重的后果，对下游人民的生命财产安全、工农业生产及环境等造成不可估量的破坏。

许多学者将排渗设施失效作为尾矿库溃坝的诱因进行分析，总结出相应的经验，并提出治理措施[1-4]。杨春和等[5]从多方面对铅锌尾矿库的排渗系统淤堵失效机理进行了试验研究，在上游式尾矿库中，不同高程的排渗设施是根据堆积高度先后布设的，这就使得排渗系统在运行过程中出现部分失效的情况。梅聪等[6]在分析尾矿库渗流场时，对排渗系统部分失效的情况进行了一定的研究，但并没有考虑放矿对尾矿库渗流场的影响。放矿是整个矿山生产中的一个重要环节，尾矿库的渗流场会因矿浆中的水入渗而发生改变。因此，有必要在排渗系统部分失效条件下，对尾矿库放矿时的渗流场进行研究分析，这对矿山企业的安全生产具有重要的现实意义。

针对这一问题，本文以某钼矿尾矿库为例，应用渗流有限元分析理论，建立尾矿库准三维模型，研究特定条件下放矿量对尾矿库渗流场的影响，分析其影响规律，为尾矿库的建设运行、矿山企业的安全生产提供参考依据。

1 工程概况

河南省某钼矿尾矿库工程，采用上游法筑坝，设计堆积标高为1 319 m，堆积高度为199 m，平均堆积边坡1∶5.0，总库容4 019.1×104m3，为二等库。为降低堆积坝体浸润线，在初期坝顶以上每隔8 m高程设置坝体排水席垫排渗层。根据工程地勘资料及设计资料，结合上游法筑坝沉积规律，将堆积坝坝体分为五个区域[7]，坝体剖面见图1，由下往上依次为①尾黏土、②尾粉质黏土、③尾粉土、④尾粉砂、⑤尾细砂。

图1 尾矿库材料分区Fig.1 The material partition of tailings pond

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

采用饱和-非饱和渗流理论来计算尾矿库渗流场。取设计最大剖面为控制断面，坝轴线向长度为100 m，建立准三维有限元模型，将尾矿库初期坝和堆积坝以及坝基相对透水地层作为计算范围。采用控制断面超单元自动剖分法[8]，生成超单元网格，进而进行加密剖分。加密后计算模型结点数为21 042个，单元总数为17 055个。有限元计算模型见图2。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

根据《尾矿设施设计规范》(GB50863-2013)规定，级别为二等的上游式尾矿库堆积坝最小干滩长度为100 m，出于安全运行考虑，计算取干滩长度为150 m，对应的库顶水位为1 316.75 m。考虑放矿入渗的尾矿库渗流计算，边界类型分为已知水头边界、不透水边界、出渗边界和放矿入渗边界四类。已知水头边界包括上游水位淹没的堆积坝坝面、河道等；不透水边界为渗流计算模型截取边界面；出渗边界包括堆积坝下游坝面、初期坝下游坝面；放矿入渗边界为堆积坝坝顶至集水池水位之间的上游坝面。

2.2 计算参数

排渗设施即排渗席垫部分失效的最直观体现为渗透系数的降低。根据排水席垫的规格、工程经验及现场试验对排水席垫的渗透系数进行取值。通过降低排渗设施的渗透系数，模拟工程中由于淤堵而导致的排渗设施失效问题，将排水席垫渗透系数降低为原渗透系数的0.8倍与0.5倍，分别命名为排渗席垫Ⅱ与排渗席垫Ⅲ。参考工程地勘资料、相近工程资料并查阅文献，确定用于计算的各材料渗透系数、给水度及储水系数，如表1 和表2 所示。

表1 尾矿库材料渗透系数

表2 尾矿库基本材料给水度及储水系数

不考虑地形的影响，放矿视为均匀放矿，且假定矿浆在整个坝面上均匀扩散。计算坝顶长度为100 m，约为总坝顶长度的10%，采用均化方法，将放矿流量按计算坝顶长度所占比例折算成计算放矿流量，而后换算成水量，最后得到放矿强度。设计放矿规模为2 395.03 m3/h，放矿浓度为30%～35%，这里取33%。考虑到在矿山企业生产过程中，存在为满足生产需求而加大放矿量，并在较长一段时间内持续放矿的情况，分析取六组不同的放矿流量，放矿历时为持续放矿30 d，并分别记录t=1、2、3、6、12、18、30 d时渗流场，计算工况如表3所示。

表3 放矿工况

3 结果分析

采用渗流有限元法及截止负压法计算[9]，并绘制堆积坝剖面位势及浸润线分布图。三类排水席垫排渗效果对比如图3所示。从图3中可以很直观的看出，随着排水席垫的失效，坝体内部浸润线不断升高。排渗席垫Ⅲ的计算结果中，浸润线埋深已不能满足渗流控制要求，此时需要采取强制排渗措施来保证尾矿库安全，故下文对放矿因素的分析中，只对满足要求的两组参数进行分析。

图3 排渗效果对比Fig.3 The comparison of drainage effect

放矿过程中，由于下部尾矿砂渗透系数相对较小，具有阻水效果，矿浆中的水先集中在上层透水性较好的尾矿砂中，持续放矿一段时间后，才完全下渗。随着放矿时间的持续，坝体浸润线不断抬升，主要影响区域位于堆积坝坝顶。

选取两种排渗席垫在不同放矿历时时刻下的浸润线，绘制设计放矿工况下浸润线变化趋势图(仅截取如图4所示主要影响区域)。

图4 放矿主要影响区域Fig.4 The major affected area by drawing-ore

图5 浸润线不同时刻变化Fig.5 The change of phreatic line at different times

由图5可知，采用排渗席垫Ⅰ堆积坝设计的放矿流量为2 395.03 m3/h时，持续放矿10 d左右，浸润线的埋深仍能满足渗流控制要求，相同条件下，采用排渗席垫Ⅱ，持续放矿7 d左右已无法满足。同一放矿口，正常情况下，放矿时间不宜超过10 d，而在排渗席垫排渗效果降低时，放矿时间不宜超过7 d。为保证安全，应采用多个放矿口交替放矿。

取t=6 d时，各工况堆积坝三个高度浸润线埋深对比见表4至表6。当放矿流量为3 395.03 m3/h时，持续放矿6 d，1 315 m处浸润线埋深过浅，不满足尾矿库安全运行的渗流控制要求。越靠近放矿口，渗流场受到放矿强度的影响越大，堆积坝上部区域的浸润线首先出现不满足要求的情况。加大放矿量时应加强堆积坝上部的监测。

表4 标高1 255 m处浸润线埋深

表5 标高1 285 m处浸润线埋深

表6 标高1 315 m处浸润线埋深

排渗席垫Ⅱ在6个放矿工况中，放矿强度越大，浸润线抬升得越快，到达渗流控制浸润线高度的时间也越短。而工况5与工况6中，浸润线埋深几乎没有变化，这是由于放矿强度超过入渗强度，矿浆中的水部分渗入堆积坝内，另一部分直接汇入库中，此时放矿强度对坝体内部渗流影响较小，主要影响尾矿库干滩长度，应注意监测，以保证尾矿库安全运行。

4 结论

1)排渗席垫渗透系数降为0.8倍，仍然能满足尾矿库的安全需求，但需要加强监测；降为0.5倍，不满足渗流控制要求，需采取强制排渗措施来保证尾矿库安全。

2)排渗席垫渗透系数降为0.8倍，设计放矿强度下持续放矿7 d左右，已不能满足渗流控制要求，加大放矿强度不应超过5 d，放矿时应采用多个放矿口交替放矿。

3)越靠近放矿口，渗流场受到放矿强度的影响越大，加大放矿量时应加强堆积坝上部的监测。放矿强度超过入渗强度时，矿浆中的水部分渗入堆积坝内，另一部分直接汇入库中，导致干滩长度减小。