伊敏露天矿蓄水池坝体渗流及稳定性分析

柏 淼

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天矿生产调节蓄水池作为煤矿冬储夏用的存储水源的重要设施，必须保证其安全稳定运行，从结构物本身角度出发，其根本就是蓄水池坝体边坡的稳定性问题。柴贺军等[1]研究了天然土石坝发生渗流管涌、坝体失稳、浸水漫坝等几种破坏的诱因机理。寸春发等[2]人以粉煤灰为坝体填料为背景，研究了坝体边坡在现状自然条件下、荷载条件下、地震条件下等因素的稳定性问题；王绍平等[3]以凹山采坑改建尾矿坑边坡为例，采用节点虚流量法对西北帮边坡地下水渗流进行计算，依据极限平衡法理论，探讨了凹山采坑西北帮边坡的稳定性。

考虑到大部分露天矿区蓄水坝主要为场地附近的第四系土挖填平整填筑而成，坝体的填料及防渗措施较常规水利工程坝存在一定差距，以往对此类填筑非饱和黏性土坝体渗流稳定性问题的研究不多，但蓄水坝做为矿区生产的主要附属设施，其在水位变化条件下的安全稳定问题值得研究。

1 矿山概况

伊敏露天矿生产调蓄水池总面积101 万m2，现库存容量109 万m3，最深储水5.6 m，最高坝高8.2 m。蓄水池坝体为黏性土堆砌而成梯形坝，坡顶上顶宽约4 m，内外坡均采用毛石护坡，内侧迎水坡坡角约22°，外侧背水坡坡角约26°。考虑到现状下坝体边坡已存在裂缝及局部毛石坡面被水浪冲蚀的现象，确保坝体安全运行存在很多需要解决的问题。

1）地质条件。为了调查坝体及坝基地层情况，在坝体顶部、下游坝基位置布置钻孔进行了勘察，地层结构主要由填土、耕土、黏性土、砂土等构成［4］。地层自坝顶由上而下为：①杂填土：褐色为主，稍湿，松散，主要由黏性土、砾石构成，含植物根系，该层普遍分布于坝基顶部；②素填土（粉质黏土）：黄褐色为主，局部夹黑色，可塑，主要由硬塑状粉质黏土构成，混少量砾石，该层系坝基主要建筑材料；③素填土（砾砂）：黄褐色，稍湿，密实，长石、石英质，该层呈透镜体状分布于下游坝基处，系坝基建筑材料之一，为坝基设置的水平排渗垫层；④黏土：黄褐色，硬塑，夹粉质黏土层，局部与粉土互层；⑤细砂：黄褐色为主，稍湿～饱和，中密，主要由石英和长石组成，颗粒均匀，级配差。局部混黏性土；⑥圆砾：黄褐色为主，局部灰褐色，稍湿～饱和，中密～密实，主要由石英和长石组成，级配良好。

2）安全隐患情况。蓄水池坝体主要为就地取材的粉质黏土和黏土，经分层碾压堆砌而成，在蓄水池西南侧池底有岩性出露，为粉质黏土地层，但未见池底的土工膜防渗层。蓄水池坝体的上游迎水面铺设毛石护坡，坡面较平整，个别部位出现护坡面凹陷，水池毛石护坡未满铺至坝体顶部，距离坝体顶部约1.5 m。坝顶面铺设0.5 m 砂砾石路渣，可供小型车辆和人通行，下游坝基处设置水平排渗砂砾石垫层。从蓄水池坝体整体看，坝体外观完整性较好，但调查发现蓄水池坝体存在裂缝、鼠洞蚁穴、植物生长、毛石护坡塌陷、岸坡侵蚀淘空、局部地段未设置场外护栏等威胁坝体安全的隐患。

3）蓄水水量损失情况。为了掌握蓄水池水量损失情况，对照分析计算渗流量，于2021 年5 月期间进行了为期18 d 的水位观测工作，观测的内容包括蓄水池内水位、水深、池内水面面积、现状库容量变化趋势等数据，测量蓄水池库容量由1 098 661 m3减至963 030 m3，水位呈动态下降趋势，平均水量损失值为7 000 m3/d，观测期间，露天矿和伊敏电厂排水均为不定时和不定量的断续性排放，排水量估值2 000 m3/d，预计蓄水池的多日平均总损失水量约为9 000 m3/d。

2 蓄水池坝体边坡的渗流及稳定性分析

2.1 坝体边坡渗流分析

本次计算的岩土体的本构模型应用Mohr－Coulomb 弹塑性模型，该模型所涉及到的参数有：岩土体的密度、相关弹性模量、岩土体强度参数和泊松比等，如涉及到渗流变形时还需要岩土体的渗透系数；岩土体截面属性均为实体，采用soils 稳态分析步，由于岩土体的本构模型为Mohr－Coulomb 模型，采用非对称unsymmetric 法分析计算。

边界约束方面将底部边界设置为x、y 2 个方向的约束，上、下游边界只设置x 方向的约束，坡顶及坡面不设置任何约束。上游总水头边界条件由池内各剖面水位高度确定，下游总水头边界由钻孔勘察稳定水位高度确定，坡面和坡脚设置为自由渗出段边界，底部边界设为不透水边界[5]。

岩土物理力学参数通常从以下2 个途径获取：①室内土工试验和现场测试实验；②从规范和类似工程中得到相关经验值。结合上述2 种方法得出的各土层物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学指标参数表

根据现场调查情况，综合选取典型剖面为计算剖面，模拟计算中对模型的左、下2 个方向边界拓展。模拟计算模型的左、右边界至坡趾的距离取2 倍的坝高，坡底向下延伸也为2 倍的坝高。典型剖面处坝顶面处高程676.8 m 水平，坝高达到8.1 m。典型剖面孔隙水压力分布如图1。典型剖面坝体渗流流速如图2。

图1 典型剖面孔隙水压力分布云图

图2 典型剖面坝体渗流流速云图

由图1 可知，坝体孔隙水压力为0 的线为浸润线的位置，可以看出2 种水位标高的浸润线变化趋势基本一致，浸润线均在坝体表面以下，且埋深较大，最高可储水位工况浸润线较现状水位工况浸润线有所上升，最大孔隙水压力上升2.1 kPa。

由图2 可知，由于下游坝基附近铺设水平排渗砂砾石垫层，砾砂层渗透系数较大，该层流速相对较大，坝体上游向下游渗流路径有2 个方向：①蓄水池坝体内部的渗流路径为水流从上游坡面进入，由下游坝基的砂砾石层向下游坝脚处汇集，如水池内水位继续上升，坝体浸润线有继续上升穿过坝坡坡脚的趋势；②从蓄水池底部透过隔水层向下部含水层渗流。经计算不同工况下坝体渗流量为现状水位工况0.233 2 m3/d，最高可储水位工况0.267 5 m3/d，根据坝体周长求得蓄水池总渗流量1 084 m3/d。

渗流分析结果显示，典型剖面浸润线均在坝体表面以下，且由于坝体下游基底范围内设有水平排渗砾砂石垫层，该层渗透系数较大，流速较大，若池内水位超过674.7 m 水位标高继续上升，可能发生渗透破坏。

2.2 坝体边坡稳定性分析

坝体边坡潜在破坏面的确定有2 种方法[6]：一是根据位移场分布；二是根据塑性应变的分布。典型剖面坝体失稳时等效塑性应变如图3。典型剖面坝体失稳时水平增量位移如图4。

图3 典型剖面坝体失稳时等效塑性应变云图

图4 典型剖面坝体失稳时水平增量位移云图

由图3 可知，现状水位工况（674.0 m 水平）、最高可储水位工况（674.7 m 水平）下坝体断面等效塑性应变在上游侧毛石顶与下游坝基之间形成贯通区，预示着上游坝坡将会沿该面发生整体滑移破坏，2 种水位工况的塑性应变最大值均出现在坝底砾砂层，因为由透水性能较差的区域（粉质黏土）流入透水性能相对较好的区域（砾砂）时，产生较大的渗透动水压力，增大水力坡降，造成土体颗粒移动，故最大塑性应变值出现在该区域。

由图4 可知，现状水位工况（674.0 m 水平）、最高可储水位工况（674.7 m 水平）下坝体断面最大增量位移的分布形成了明显的圆弧形滑动面，这与对应塑性区位置相同，预示着上游坝坡将会沿该面向坝外滑动破坏，最高可储水位相较现状水位工况最大增量水位位移增大明显。经计算，现状水位工况下，坝坡的安全系数为1.32，最高可储水位工况下，坝坡的安全系数在1.28。

稳定性分析结果显示，典型剖面安全系数为1.32、1.28，均大于规定的安全系数1.25[7]，即在现状地形、地层厚度和各地层岩土参数条件下，按最高可储水位标高考虑时，坝体不会发生滑动失稳破坏。

3 防治建议

1）对于坝体安全储备较低的地段，在保证蓄水池安全的前提下，不改变原有坝高，应对其进行加固处理。建议采取重新分层碾压或注浆堵缝的方式进行加固处理，使坝体变成均匀、密实、连续的构筑物，并消除前文提及的其他危害坝体安全的隐患。

2）考虑到坝体边坡受池内水体的冲刷侵蚀作用，建议对坝体边坡进行安全监测和雨水情监测[8]，其中安全监测包括渗流量、渗透压力、扬压力、坝体表面变形等参数；雨水情监测包括降雨量、水位、气温、风向和风力、蒸发量等。

4 结语

1）坝基下游附近铺设水平排渗砂砾石垫层，砾砂层渗透系数较大，造成流速相对较大，渗流量损失主要发生在该层。

2）渗流分析表明，蓄水池内水位上升，坝体浸润线有继续上升穿过坝坡坡脚的趋势，若坝体内水位超过674.7 m 水平标高继续上升，可能发生渗透破坏。

3）稳定性分析表明，坝体内水位抬升会造成坝体边坡的稳定系数降低，但按最高可储水位标高考虑时，坝体安全性尚有一定储备。