高等别加高扩容弃土场渗流场三维数值模拟研究①

李庆林

(中铁十九局集团第五工程有限公司,辽宁 大连 116000)

0 引 言

本弃土场体量较大，与矿山工程中的尾矿库结构形式相同，其浸润面埋深对弃土场坝体安全稳定起着至关重要的作用，因此科学地确定浸润面位置非常重要[1]。渗流分析的重要方法之一是数值模拟研究，Zienkiewicz[2]首次在稳定渗流分析中引入有限单元法。甘海阔[3]分析复杂地形下多沟谷渗流场的相互影响规律，揭示了高坝浸润线易升高的关键区域及抬升原因，并提出渗流控制措施。邓卫红[4]根据某尾矿库工程，利用midas/gts软件建立了三维数值模型，基于渗流-应力耦合机理，研究了干滩长度对尾矿库坝体稳定性的影响机理。王洪德[5]为分析初期坝的排渗能力对浸润线的影响程度，采用数值模拟方法对初期坝在不同排渗能力下浸润线的位置进行研究。杨永恒[6]利用Geo-slope对金堆城栗西尾矿坝进行了渗流场与应力场相互耦合的数值模拟，计算了不同干滩长度、降水、介质各向异性对渗流场浸润线位置的影响。齐清兰[7,8]采用有限元对复杂地形的尾矿库渗流场进行数值模拟分析，计算结果与该尾矿库的实测资料吻合良好。目前对新建尾矿库的渗流研究较多[9-12]，对加高扩容的尾矿库(弃土场)渗流场进行研究的较少，如何利用现状尾矿库资料对加高扩容后坝体渗流场进行预测是尚需研究的问题。

研究的某高速公路弃土场现状堆积标高为210.0m，已接近设计标高。由于施工继续施工的要求，需对该弃土场进行加高扩容。为了准确的预测坝体加高后的浸润线和渗流场，采用数值模拟方法对该弃土场进行研究，得到加高后弃土场内的浸润面和渗流场规律，为弃土场安全提供科学参考。

1 弃土场概况

(1)弃土场设计情况

所研究的弃土场位于山西省某市自然山间沟谷内，为一座山谷型弃土场，主沟谷走向总体上大致呈东南～西北走向。该弃土场采用上游式筑坝法，设计总坝高85m，总库容1360.1万m3。初期坝采用透水堆石坝，设计初期坝内坝坡坡比1:1.75，外坝坡坡比1:2.0，坝基轴线处坝底标高565.0m，坝顶标高605.0m，初期坝高度40m。堆积坝采用湿式堆存，三面筑坝，堆积坝顶标高650.0m，平均外坡比为1:5。

(2)弃土场现状

目前，该弃土场已堆筑了5级弃土场子坝，现状尾矿堆积坝坝顶堆筑标高为610.0m，自初期坝坝基轴线处坝底标高565.0m起算的现状尾矿坝最大坝高为45.0m，弃土场全库容约1020万m3。

2 数学模型

2.1 数值模拟理论

三维渗流的基本微分方程为式(1)：

(1)

当各向渗透性为常数时，式(1)变为(2)：

(2)

若为各向同性，Kx=Ky=Kz，则变为拉普拉斯方程式(3)：

(3)

式(3)只包括一个未知数，结合边界条件有定解。

对于弃土场稳定流的定解条件，需满足下列二类边界条件。

第一类边界上水头是已知的，即(4)：

H|Γ1=f(x,y,z)

(4)

在第二类边界上流量等于零，即(5)：

(5)

由于渗流自由面是流面，没有流量从该面流入或流出，故在渗流自由面上还需满足条件

H=z

(6)

Γ1和Γ2构成了三向空间流场的全部边界。

2.2 模型验证

为了验证数学模型的准确性和参数的合理性，依据弃土场现状堆积标高下的勘察岩土分层、实测浸润线资料对数学模型参数进行校正，弃土场勘察岩土分层外层为松散状中粗砂，内层为中密中粗砂和粉细砂。建立现状堆积标高(坝顶标高661.0m)的弃土场三维渗流模型，模型包括初期坝和堆积坝。由于弃土场坐落在渗透性较差的基岩上，所以选取弃土场基岩为下部不透水边界。初期坝上下游破面、堆积坝坡面为透水边界，沉积滩依据实测资料给定上游水头。采用四面体网格对模拟区域进行划分，网格大小为5m，网格总数为125272个。各层尾矿砂渗透系数如表1所示。

表1 弃土场各岩土层渗透系数

2.3 模拟结果

对该弃土场在最终堆积标高750.0m时正常与洪水两种工况进行渗流计算，模拟浸润面和流速分布。

2.3.1 正常工况

在正常工况下，当不考虑弃土场坝体排渗时，弃土场浸润面如图1(坝体浸润面分布图)所示，主沟剖面浸润线如图1(主沟剖面浸润线图)黑色线条所示，主沟剖面流速分布如图1(主沟剖面流速分布图)所示。由于坝体没有排渗设施，坝体内浸面线较高，部分坝体发生水流溢出。堆积坝坝肩标高为617.7m～734.3m(其中：右侧坝肩标高617.7m～734.3m；左侧坝肩标高638.8m～734.0m)范围内有渗透水流逸出，对弃土场坝体稳定不利。从流速分布图可知，流速较大的位置发生在堆积坝下游区域和初期坝下部。因为尾矿坝体内的水流向下游运行，渗流断面面积呈收缩趋势，所以水流的流速呈增大趋势，并且在堆积坝面有渗透水流溢出，堆积坝体内流速最大为1.07×10-5m/s。初期坝为透水堆石坝，渗透性较大，因此流速也较大，最大流速为1.76×10-4m/s。由于堆积坝和初期坝渗透系数相差较大，所以在堆积坝与初期坝交界区域出现了水流下跌现象。

坝体浸润面分布图(不考虑排渗)

在正常工况下，当考虑弃土场坝体排渗时，弃土场浸润面如图2(a)所示，主沟剖面浸润线如图2(b)黑色线条所示，主沟剖面流速分布如图2(c)所示。考虑设置排渗体后，浸润面位置明显降低，坝面无水流溢出，浸润面最小埋深约12.4m，满足有关规范对浸润面最小埋深要求。从流速分布图可知，由于堆积坝设置了排渗，所以堆积坝上部没有渗透水流流速，流速较大的位置发生在堆积坝下游区域和初期坝下部。因为弃土场坝体内的水流向下游运行，渗流断面面积呈收缩趋势，所以水流的流速呈增大趋势，堆积坝体内流速最大为5.32×10-6m/s。初期坝为透水堆石坝，渗透性较大，因此流速也较大，最大流速为8.70×10-5m/s。由于堆积坝和初期坝渗透系数相差较大，所以在堆积坝与初期坝交界区域出现了水流下跌现象。

图2(a)坝体浸润面分布图(考虑排渗)

图2(b)主沟剖面浸润线图(考虑排渗)

图2(c)主沟剖面流速分布图(考虑排渗)

2.3.2 洪水工况

在洪水工况下，当不考虑弃土场坝体排渗时，弃土场浸润面如图3(a)所示，主沟剖面浸润线如图3(b)黑色线条所示，主沟剖面流速分布如图3(c)所示。由于坝体没有排渗设施，坝体内浸面线较高，部分坝体发生水流溢出。堆积坝坝肩标高为617.0m～747.2m(其中：右侧坝肩标高617.0m～747.2m；左侧坝肩标高637.11m～743.9m)范围内有渗透水流逸出，对弃土场坝体稳定不利。洪水工况下流速分布与正常工况基本相同，堆积坝体内流速最大为1.08×10-5m/s。初期坝内最大流速为1.97×10-4m/s。由于堆积坝和初期坝渗透系数相差较大，所以在堆积坝与初期坝交界区域出现了水流下跌现象。

在洪水工况下，当考虑弃土场坝体排渗时，弃土场浸润面如图4(a)所示，主沟剖面浸润线如图4(b)黑色线条所示，主沟剖面流速分布如图4(c)所示。考虑设置排渗体后，浸润面位置明显降低，坝面无水流溢出，浸润面最小埋深约10.8m，满足有关规范对浸润面最小埋深要求。从流速分布图可知，洪水工况下流速分布与正常工况基本相同。堆积坝体内流速最大为5.00×10-6m/s。初期坝最大流速为8.86×10-5m/s。由于堆积坝和初期坝渗透系数相差较大，所以在堆积坝与初期坝交界区域出现了水流下跌现象。

图3(a)坝体浸润面分布图(不考虑排渗)

图3(b)主沟剖面浸润线图(不考虑排渗)

图3(c)主沟剖面流速分布图(不考虑排渗)

图4(a)坝体浸润面分布图(考虑排渗)

图4(b)主沟剖面浸润线图(考虑排渗)

图4(c)主沟剖面流速分布图(考虑排渗)

3 结 论

针对高等别加高弃土场工程，建立了三维渗流数值模型，对正常工况和洪水工况下的渗流场进行了模拟，研究得到了浸润面和流速分布的规律，主要结论如下：

(1)依据勘察资料，建立了弃土场三维渗流数值模型，利用实测浸润线资料对模型参数进行了验证。验证后的模拟值与实测值误差较小，可较好的模拟把体内的渗流场。

(2)对堆积标高650.0m，正常工况下不考虑排渗和考虑排渗的浸润面和渗流场进行了模拟。研究发现当弃土场坝体不考虑排渗时，渗透水流从堆积坝面溢出，对弃土场坝体稳定不利；渗流流速较大的部位位于堆积坝下游和初期坝下部区域，堆积坝体内渗流流速最大为1.07×10-5m/s，初期坝内最大流速为1.76×10-4m/s。考虑排渗时，堆积坝无渗透水流溢出，浸润面最小埋深为12.4m；渗流流速分布与不考虑排渗时基本相同，堆积坝体内渗流流速最大为5.32×10-6m/s，初期坝内最大流速为8.70×10-5m/s。

(3)对堆积标高750.0m，洪水工况下不考虑排渗和考虑排渗的浸润面和渗流场进行了模拟。研究发现当弃土场坝体不考虑排渗时，浸润面分布和流速场分布与正常工况规律相同，渗透水流溢出范围较正常工况范围更大；堆积坝体内渗流流速最大为1.08×10-5m/s，初期坝内最大流速为1.97×10-4m/s。考虑排渗时，堆积坝无渗透水流溢出，浸润面最小埋深为10.8m；渗流流速分布与不考虑排渗时基本相同，堆积坝体内渗流流速最大为5.00×10-6m/s，初期坝内最大流速为8.86×10-5m/s。