某干式尾矿库三维渗流分析

王振兴

摘要：关于干式堆存尾矿库防渗方式与三维渗流分析之间的研究很少。某干式尾矿库设计采用初期坝内坡及库区整体防渗，碎石排渗井及排渗褥垫排渗，使用Autobank_3d建立三维模型，进行有无排渗褥垫条件下的浸润面及浸润线分析。结果表明：未布设排渗褥垫时，下游坝坡右岸拐弯处浸润面埋深较浅，并有出逸区域出现；布设排渗褥垫后，浸润面的埋深能达到12 m以上，即排渗褥垫对渗流影响显著。

关键词：干式尾矿库；防渗；三维渗流；排渗褥垫；浸润线

中图分类号：TD926.4文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）05-0088-04doi：10.11792/hj20230519

引言

近年来，随着新的环保政策及GB 18599—2020《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》［1］的实施，库区防渗成为大多数尾矿库设计的基本要求。尾矿库库区防渗又分为内坡防渗和坝底防渗，内坡防渗即防渗体位于初期坝内坡及尾矿库库区，坝底防渗即防渗体位于初期坝底部及尾矿库库区。

对于湿排尾矿库，通常情况下多采用坝底防渗，因为内坡防渗会导致浸润线从堆积坝坝面溢出，严重影响坝体稳定性。若要控制浸润线埋深，保证坝体安全，运营期堆积坝排渗设施至关重要［2］。对于近年来因环保政策严格而逐渐兴起的干式尾矿库［3］，多数仍采用坝底防渗，但初期坝坝底防渗层清基平整工程量大，防渗体施工难度大，造成工程投资增加。目前，少数干式尾矿库采用内坡防渗，实际运行效果良好，坝体安全可以保证，但缺少相应的理论支撑。

某干式尾矿库坝高190 m，初期坝高40 m，堆积坝高150 m，初期坝内坡及库区整体防渗（由下至上依次敷设4 800 g/m2膨润土防水毯+1.5 mm HDPE膜）［4-6］。本文通过对某干式尾矿库的三维渗流研究，分析了库区排渗褥垫和浸润线之间的关系，为初期坝内坡及库区整体防渗的干式尾矿库防渗方式设计提供相应的理论支撑。

1工程概况

某干式尾矿库位于豫西某县，主要用来堆存金矿尾矿，尾矿脱水选择5台800 m2板框压滤机（4用1备）。脱水后尾矿采用槽式皮带机输送至尾矿库库区堆存。尾矿库设计总坝高190 m，其中，初期坝高40 m，堆积坝高150 m，总库容约1 707.24万m3，属于二等库。

初期坝为不透水土石坝，筑坝材料采用库区爆破土石料。坝顶标高640 m，坝底标高600 m，最大坝高40 m，坝长127 m，坝顶宽5 m，内外坡比均为1∶1.75。为满足环保要求，在初期坝内坡设防渗层，该防渗层与库区防渗层连为一体，防渗层由下至上依次为：300 mm厚砂砾石保护层，4 800 g/m2膨润土防水毯和1.5 mm HDPE膜。

尾矿库采用上游式尾矿筑坝，最终堆积标高790 m，堆积坝高150 m，平均堆积坡度1∶4.0。每级子坝高10 m，每级子坝顶部布置5 m宽的马道。

由于初期坝内坡及库区整体敷设防渗层，为降低库区浸润线埋深，设计在初期坝坝踵附近布置一座分期实施的直径3 m的碎石排渗井，碎石层外侧布置300 mm厚的砂砾石，砂砾石采用500 g/m2土工布包裹。排渗井底部标高610 m，顶部标高640 m，排渗井渗水通过渗流支排水隧洞排至主排水隧洞。

尾矿库右岸山坡及沟底布置排渗褥垫，底宽1.5 m，高1.0 m，顶宽3.0 m，其末端与碎石排渗井相连。

2计算方法及参数

2.1计算模型

尾矿库库区及坝体具有明显三维特征，建立较为真实的三维模型对渗流场的准确模拟具有重要意义。本次计算使用Autobank_3d建立计算模型。Autobank_3d是河海大学研发的一款三维渗流计算软件，能根据等高线及坝体设计断面生成三维地形、坝体及材料分区。内核计算模块采用有限元计算模块。尾矿库三维模型见图1，排渗井位置见图2。尾矿库库区纵断面见图3。

2.2计算方法

2.2.1达西定律

假定尾矿库渗透水流的运动符合达西定律，即水的渗流速度与水力坡度成正比，其数学表达式为：

v=kJ（1）

式中：v為平均渗流速度（m/s）；k为介质的渗透系数（m/s）；J为水力坡度。

在实际的地下水流中，水力坡度往往各处不同，此时达西定律的一般性表达式为：

v=-kdHds（2）

式中：-dHds为水力坡降。

2.2.2坝坡渗流破坏判别

地下水在土体内流动过程中，作用在土体中的渗流作用力有2种，静水压力（浮容重）和动力压力（渗透力），均为体积力。

位于自由水面以下坝坡表面层的单位土体，只有当静水压力与动水压力的合力克服了土体颗粒对其的摩擦阻力时，土体才可能沿斜坡下滑。若渗流的流线与水平面之间的夹角为θ，坝坡坡角为β，则斜坡表面单位土体力的极限平衡方程式为：

γ′sin β+γwJccos（β-θ）=

γwJcsin（β-θ）］tan φ+C（3）

式中：γ′为静水压力（kN/m3）;γw为水容重（kN/m3）；Jc为临界水力坡度;φ为土体的内摩擦角（°）;C为内聚力（kPa）。

在坝体浸润线与坝坡交点处，由于浸润线与坝坡面相切，此处的流线平行于坝坡面向下，即θ= β，由极限平衡方程式得临界水力坡度为：

Jc=γ′γwcos β（tan φ-tan β）+Cγw（4）

因沿坝坡面，水力坡度Jc=sin β。假定γ′＝γw，则得tan β=12tan φ，即为边坡保持稳定的临界状态数学表达式。此式可作为判断坝坡在渗流出逸时发生渗流破坏的标准，当tan β<12tan φ时，坝坡在渗流出逸时将不会发生渗流破坏；当tan β=12tan φ时，坝坡处于极限平衡状态；而当tan β>12tan φ时，则坝坡将发生渗流破坏。

對于尾矿库内堆存的尾砂，由于其内聚力C一般较小，内摩擦角一般在25°～30°。如果堆积坝平均堆积坡比高于1∶3，则会出现坝坡出逸；若未布置贴坡反滤，坝坡渗流破坏的风险比较大，因此应该尽量避免坝坡出逸。

2.3计算参数

为了防止尾矿库库内尾砂渗滤液污染环境，依据GB 18599—2020 《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》［1］和HJ 943—2018 《黄金行业氰渣污染控制技术规范》［7］，设计在尾矿库库底至初期坝内坡由下至上整体敷设4 800 g/m2膨润土防水毯及1.5 mm HDPE膜，库区整体不透水。因此，本次计算的渗流发生在干堆尾砂中，计算模型的材料包括初期坝（不透水）、干堆尾砂、碎石排渗井及排渗褥垫，各计算分区渗透系数由工程经验确定，见表1。最高洪水位控制为787.49 m。

3计算结果

如果只考虑排渗井，不考虑排渗褥垫，在最高洪水位下渗流计算结果见图4、图5。渗流结果显示，渗透水流主要从排渗井排出，但由于尾矿库体积增大及体型的特殊（受沟谷自然地面影响，坝坡下游走向拐弯），坝体下游右岸与山体结合处及靠近初期坝内侧有水位壅高现象，浸润面埋深较浅，出现一定面积的出逸区域，尾矿库存在渗流破坏的风险。

由图4、图5可知：在最高洪水位工况下出现一定面积的浸润面埋深较小区域及出逸区域，尾矿库存在渗流破坏的风险，可能危及坝体稳定性，因此设计在库区右岸至初期坝内坡脚布置碎石排渗褥垫（见图6）。考虑排渗褥垫，最高洪水位下渗流计算结果见图7、图8。

对比图7、图8与图4、图5可知：在库区布置排渗褥垫后，渗透水流通过排渗褥垫导入排渗井排出尾矿库。库区浸润线明显降低，坝体下游右岸的出逸区域基本消失，浸润面埋深较浅区域减少，下游坝坡绝大部分区域埋深达到12 m以上，排渗效果良好。尾矿库不存在渗流破坏的风险，坝体稳定性可以保证。

4 结论

1）运用渗流理论对初期坝内坡及库区整体防渗的干式尾矿库进行了三维渗流分析计算，坝顶标高达790 m时，下游初期坝内坡附近即下游坝坡右岸拐弯处浸润面埋深较浅，并有出逸区域出现。采取排渗褥垫措施后，渗流状态得到较大改善，浸润面的埋深能达到12 m以上。

2）对于干式尾矿库防渗，建议采用内坡防渗，并采取适当的排渗措施，既可保证坝体安全，又可降低防渗层施工难度，降低项目投资。

3 ）该工程设计方案可行，尾矿坝渗透稳定性有保证。但是，由于尾矿坝尾砂渗透规律的不确定性等多种因素，计算结果和实际情况有差别。因此，生产过程中的渗流安全监测非常重要。需要观测、记录、整理各个监测断面的浸润线高度，并与理论计算结果对照分析，总结浸润线变化规律。如果与理论结果有很大差距，需要及时分析原因，必要时根据实测数据进行尾矿坝渗流反馈分析。

［参 考 文 献］

［1］生态环境部，国家市场监督管理总局.一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准：GB 18599—2020［S］.北京：中国环境出版集团，2020.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.尾矿设施设计规范：GB 50863—2013［S］.北京：中国计划出版社，2013.

［3］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.尾矿库安全规程：GB 39496—2020［S］.北京：中国标准出版社，2020.

［4］中华人民共和国工业和信息化部.天然钠基膨润土防渗衬垫：JC/T 2054—2020［S］.北京：中国建筑工业出版社，2020.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.土工合成材料聚乙烯土工膜：GB/T 17643—2011［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.土工合成材料应用技术规范：GB/T 50290—2014［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［7］环境保护部.黄金行业氰渣污染控制技术规范：HJ 943—2018［S］.北京：中国环境科学出版社，2018.

3D seepage analysis of a dry stacking tailings pondWang Zhenxing

（Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Few pieces of research are carried out on the anti-seepage mode of dry stacking tailings ponds and 3D seepage analysis .A dry stacking tailings pond was designed to carry out early dam internal breaking and overall anti-seepage within the pond area，and discharge seepage with gravel discharge wells and discharge pads.Autobank 3D is used to establish a 3D model and analyze the seepage face and seepage line in the absence of seepage discharge pads.The results show that without seepage discharge pads，the seepage face is buried shallow at the turning of the right bank of the downstream dam slope and runaway areas appear;with seepage discharge pads，the burial depth of the seepage face can reach over 12 m，which means that the seepage discharge pads have a great influence on seepage.

Keywords：dry stacking tailings pond;anti-seepage;3D seepage;seepage discharge pad;seepage line