基于非稳定渗流分析的尾矿库坝体稳定性研究

王立彬，汪登峰

(中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066004)

尾矿库是用来贮存金属矿山、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所。尾矿库的安全稳定不仅关系到矿山的正常生产，还直接影响到下游人民的生命财产安全。从诸多尾矿库失事的工程案例来看，几乎所有的尾矿库安全事故均与水有关[1]，这是由于尾矿库既是贮存尾矿又是贮存水的特殊构筑物。水是影响尾矿库渗流稳定[2]、坝体变形与稳定的关键性因素，研究水在尾矿库中的渗流问题具有重要意义。宁民霞等[3]通过研究揭示了水对尾矿坝岩土力学的作用，重点研究了水的动态变化引起的坝体变形场与应力场及渗流场的变化，反映了坝体变形量的大小与坝体的稳定性问题。张力霆等[4]分析了库区水位急剧变化时坝体浸润线的变化规律及其对尾矿库坝体稳定的影响，基于二维非稳定渗流方程，通过计算得出了坝体的非稳定渗流场和坝体浸润线的变化规律，并通过简化Bishop法得出了浸润线变化与稳定性的关系。秦华礼等[5]基于水在尾矿库安全运行中的重要作用，阐述了水作用于坝体边坡的两种途径，并以水在滑坡灾害中的作用为例，探讨了水对坝体稳定性的影响及其作用机理。马池香等[6]将水土作用理论引入尾矿坝渗流场分析中，从宏观和微观两方面探讨尾矿坝内水土交互作用，以某铁矿尾矿坝为例进行了有限元渗流模拟。尹光志等[7]采用物理模型实验研究了洪水情况下坝体浸润线的变化规律，并在此基础上对尾矿坝的稳定性进行了分析。

尾矿库内贮存水与水库内贮存水在坝体结构上不同，尾矿库是利用尾矿堆积坝滩前放矿形成的沉积滩坡面进行挡水，内侧沉积滩坡面较缓，一般平均坡度在2%左右，外侧堆积坝坡度较陡，一般平均坡度在1∶4左右；而水库是利用尾矿库中所谓的初期坝进行挡水，坝体内和坝体外坡度均较陡，一般在1∶2～1∶3.5之间，二者在坝体结构上的不同决定了尾矿库坝体内浸润线的变化对坝体稳定的影响不同于水库内水位的变化。对于水库来说，当库水位快速上升时，迎水面坝坡处水向坝体内渗流，对土骨架的渗透力指向坝体内，渗透力有利于增加迎水面坝坡抗滑力，使迎水面坝坡安全系数提高；背水面坝坡处水向坝体外渗流，渗透力指向坝体外，渗透力减小背水面坝坡抗滑力，增加背水面坝坡滑动力，使背水面坝坡安全系数降低。当库水位快速下降时，迎水面坝坡处水向坝体外渗流，对土骨架的渗透力指向坝体外，渗透力增加迎水面坝坡滑动力，减少迎水面坝坡抗滑力，使迎水面坝坡安全系数降低；背水面坝坡处浸润线下降，渗透力减小，与高水位相比，背水面坝坡抗滑力增加，滑动力减小，安全系数提高。对于尾矿库来说，迎水面坝坡即沉积滩面坡度极缓不存在失稳问题，关键是由尾矿堆积而成的尾矿坝下游坝坡(即背水面)，当库水位快速上升时，尾矿坝体内浸润线升高，下游坝坡处水向坝体外渗流，渗透力指向坝体外，渗透力减小下游坝坡抗滑力，增加下游坝坡滑动力，使下游坝坡安全系数降低；当库水位快速下降时，下游坝坡处浸润线下降，渗透力减小，抗滑力增加，滑动力减小，安全系数提高。在汛期，尾矿库水位经常发生骤升骤降，在库水位骤升骤降过程中，坝体很难形成稳定浸润线，坝体浸润线变化的速度，一般取决于库区水位变化的速度、土体的渗透系数和土体的给水度等因素[4]。《尾矿设施设计规范》[8]并未对库水位骤变条件下的非稳定渗流工况做任何规定，鉴于此，有必要针对尾矿库汛期库水位骤变时的非稳定渗流工况分析坝体稳定性。本文结合尾矿库工程实例，以尾矿库调洪演算成果作为非稳定渗流分析的计算依据，在非稳定渗流分析的基础上研究尾矿库坝体的稳定性。

1 工程概况

河北省承德市某尾矿库地处燕山山脉，地势南高北低，沟谷发育，地貌为燕山中低山区。沟谷呈Y字型布置，近于南北走向；沟谷断面呈V字型。沟谷内植被以松树、杏树为主，植被较为丰富，局部基岩裸露。该地区地震动峰值加速度为0.05 g，抗震设防烈度为6度。库区所在区域属大陆季风气候，冬长而寒冷，夏短而炎热，年平均降水量508.4 mm，历年最大积雪深度15 cm，场地地下水埋深在16.0 m以下，标准冻结深度为1.20 m[10]。

该公司选矿厂采用单一磁选工艺，矿石类型为钒钛铁矿，生产能力为年产65%铁精粉10万t，年排尾矿量为40万t。 尾矿粒径为0.01～0.30 mm，尾矿输送浓度为15%～17%，尾矿平均干容重1.5 t/m3。该尾矿库为典型山谷型尾矿库，初期坝位于南面谷口处，坝体结构为透水堆石坝，坝底标高530 m，坝顶标高540 m，坝高10 m，坝顶宽4 m，坝轴线长80 m，上游坡比1∶1.6，下游坡比1∶1.75。 库区排洪系统采用井-管型式，排水井为窗口结构，井壁内径2.0 m，壁厚0.2 m，每层设置6个进水孔，内径0.3 m，外径0.35 m；排水管内径为1.2 m，管壁厚0.3 m。现状尾矿库堆积坝顶标高570 m，平均外坡比1∶4.0，堆积坝高30 m。库水位为564.5 m，坝前沉积滩坡度为1%。现状总坝高40 m，总库容约50万m3，等别为四等，防洪标准按200年一遇计算。

2 汛期洪水位确定

1) 洪水计算。根据实测现状地形图，尾矿库库区汇水面积为0.354 km2。依据当地水文手册进行洪水计算，24 h降雨量为151.10 mm，洪峰流量为36.34 m3/s，洪水总量为1.79万m3，洪水总历时为1.09 h。

2) 调洪库容。现状尾矿库等别为四等，根据《尾矿设施设计规范》[8]确定最小干滩长度为50 m，最小安全超高为0.5 m。 尾矿库水位为564.5 m，确定调洪高度为5.0 m，计算调洪库容为1.88万m3。

3) 排洪系统泄流能力计算。井-管式排洪系统的工作状态，随泄流水头的大小而异。当水头较低时，泄流量较小，排水井内水位低于最低工作窗口的下缘，此时为自由泄流；当水头逐渐增大，井内被水充满，但排水管尚未呈满管流，泄流量受排水管的入口控制，此时为半压力流；当水头继续增大，排水管呈满流时，即为压力流。在调洪高度范围内排洪系统的泄流量计算成果见表1。

表1 井-管式排洪系统泄流能力计算成果表

表2 调洪演算成果表

3 非稳定渗流作用下的坝体稳定性分析

3.1 坝体结构和尾矿的物理力学性质

根据尾矿库岩土工程勘察报告[10]对尾矿堆积体进行概化分层，建立分析模型见图1，各分层材料物理力学指标见表3。

图1 尾矿坝体结构模型

表3 坝体各材料的物理力学指标

3.2 坝体非稳定渗流分析

采用河海大学工程力学研究所开发的水工结构有限元分析系统软件中的渗流分析模块和稳定分析模块进行计算分析。首先在软件中填写材料表并定义断面材料分界线，即将表3中的参数输入软件并按图1模型定义材料分界线；然后划分网格，选择自动网格划分功能，划分前先定义BASELINE，然后指定网格尺寸为4 m，最后点击生成单元网格，生成后如网格尺寸不合适，可删除网格重新定义尺寸参数生成网格；再定义水位变化边界，即将表2中的正常运行水位、最高洪水位及洪水上升历时输入软件，并绘制上游边界线、下游边界线，最后求解非稳定渗流场，求解到12 h，求解步数为12步，保存每一步计算结果。

图2为软件所求出的库水位骤升过程中的坝体非饱和浸润线，图3为软件所求出的库水位骤降过程中的坝体非饱和浸润线。从图2中可以看出，随着库水位不断上升，坝体内浸润线前部不断上升，形成反坡S形，但由于库水位上升速度较快，加上坝体渗透性的影响，浸润线后部变化很缓慢，在坝体内形不成稳定的浸润线。从图3中可以看出，随着库水位不断下降，坝体内浸润线前部不断下降，形成弧线形，但由于库水位下降速度较快，加上坝体渗透性的影响，浸润线后部变化很缓慢，在坝体内无法形成稳定的浸润线。

图2 尾矿库水位骤升过程中坝体非饱和浸润线

图3 尾矿库水位骤降过程中坝体非饱和浸润线

在非饱和渗流稳定计算结果基础上进行坝体稳定性计算分析，首先指定滑弧搜索范围，然后打开Slope选项，选择运行期有效应力法的简化毕肖普法，指定分条数为30，精度选择3级，再对非稳定渗流分析过程中所生成的每条浸润线进行滑弧稳定计算分析，即计算12次坝体稳定性。图4为尾矿坝体在库水位骤升过程中的稳定性分析结果。图5为尾矿坝体在库水位骤降过程中的稳定性分析结果。从图4中可以看出，由于库水位骤升过程坝体浸润线后部上升缓慢，坝体滑弧位置基本没有变动，坝体抗滑稳安全系数仅从1.474下降至1.465，此时对坝体抗滑稳定性影响不大，具体变化情况见图6。当库水位长期稳定在最高洪水位时，将形成一条稳定浸润线(图4)，浸润线以下坝体达到饱和状态，此时坝体抗滑稳安全系数为1.357，明显下降。从图5中可以看出，由于库水位骤降过程坝体浸润线后部下降缓慢，坝体滑弧位置也基本没有变动，坝体抗滑稳定安全系数仅从1.357上升至1.367，此时对坝体抗滑稳定性影响不大，具体变化情况见图7。当库水位长期稳定在正常运行水位时，将形成一条稳定浸润线(图5)，浸润线以下坝体达到饱和状态，此时坝体抗滑稳安全系数为1.474，明显提高。

图4 尾矿库水位骤升时尾矿坝体抗滑稳定计算结果

图5 尾矿库水位骤降时尾矿坝体抗滑稳定计算结果

图6 尾矿库水位骤升过程中坝体安全系数

图7 尾矿库水位骤降过程中坝体安全系数

4 结 论

1) 在库水位骤升过程中，坝体内浸润线前部随着库水位不断上升而上抬，形成反坡S形，但由于库水位上升速度较快，加上坝体渗透性的影响，浸润线后部变化很缓慢，在坝体内无法形成稳定的浸润线，坝体滑弧位置基本无变动，坝体抗滑稳安全系数仅从1.474下降至1.465，此时对坝体抗滑稳定性影响不大，但是一旦在最高洪水位形成稳定浸润线，坝体抗滑稳定安全系数将明显降低，下降至1.357。

2) 在库水位骤降过程中，坝体内浸润线前部随着库水位不断下降而下降，形成弧线形，但由于库水位下降速度较快，加上坝体渗透性的影响，浸润线后部变化很缓慢，在坝体内无法形成稳定的浸润线，坝体滑弧位置也基本无变动，坝体抗滑稳定安全系数仅从1.357上升至1.367，此时对坝体抗滑稳定性影响不大，但是一旦在正常运行水位形成稳定浸润线后，坝体抗滑稳定安全系数将明显提高，上升至1.474。

鉴于以上结论，在尾矿库汛期运行过程中，应严格按《尾矿设施设计规范》[8]要求控制尾矿库的一次洪水排出时间不大于72 h，避免坝体在高水位时形成稳定浸润线降低坝体抗滑稳定性。尾矿库在汛期应保持低水位运行，一方面保证尾矿库防洪安全，另一方面也是保证坝体稳定安全。在汛期安全检查时，应严格要求尾矿库经营企业将库内排洪系统全部打开，以加大泄洪能力缩短高水位运行时间，确保尾矿库坝体安全。