高勢能尾礦壩三維滲流穩定分析

陳天鐳，秦 婧，汪 軍，冒海軍

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

某尾礦庫始建于1985年，1987年7月建成投入運行，其庫型為基本對稱的V～U峽谷。尾礦庫設計最終標高1510m，壩高163m（其中：初期壩高83m，堆積壩高80m），總庫容為1901×104m3。按尾礦庫設計總庫容、壩高及構筑物級別劃分，該尾礦庫為Ⅱ等庫。

初期壩采用定向爆破一次筑壩，初期壩壩頂標高1396.88m，壩軸底標高1353m，壩高43.88m，寬16m，壩型為不透水壩。此后分五次對壩體進行了加高，加高后最終初期壩頂標高為1435 m，上游坡比1∶1.5，上游坡面鋪設了土工布，下游坡比為自然堆積坡，增高的壩體均為透水堆石壩。

尾礦庫后期堆積壩設計采用上游法尾砂筑壩。從2002年5月至2013年10月，共實施了28次上游尾砂筑壩。目前堆積壩標高約為1485m，總壩高138m，尾砂堆積壩壩高53m，壩長500m，壩頂寬3m，沉積灘坡度l%，正?；厮趲靸人粯烁?481m，沉積灘長度500m，沉積干灘長度150m，安全超高4.0m。

在現狀尾礦庫壩體滲透穩定性分析的基礎上，進行尾礦庫繼續采用濕排方式至1515m高程、尾礦壩下游增設干尾礦加固體，濕排方式至1553m高程的三維滲流計算分析，計算工況包括正常工況和洪水工況，并考慮尾礦放礦的影響，進行尾礦庫壩體滲透穩定性計算分析及評價。

在滲流模擬分析的基礎上，計算各運行工況尾礦庫浸潤線分布、滲透穩定性、滲漏量大小等用于指導加固及排滲設計是十分必要的。

1 三維滲流有限元網格模型建立

1.1 尾礦庫沉積地層分區

開展尾礦壩三維滲流分析，首先要根據放礦方式來確定其尾礦沉積規律。尾礦庫至目前為止（尾礦壩1500m高程以下）為濕排生產方式，尾礦砂漿液采用管道輸送入尾礦庫后，沿運動路徑逐漸實現固相沉積，同時也完成了礦物顆粒按大小和密度而形成的自然分選。

在這沉積過程中，會形成若干不同尾礦土層帶，一般包括以下幾個基本帶：①沖積灘的干灘段；②沖積灘的過渡段；③沖積灘的水下沉積段；④沉淀區。依據尾礦沉積規律，并結合現場取樣分析成果，對尾礦沉積層進行了概化和歸并，主要劃分為：尾粉砂層、尾粉土層、尾粉質黏土層和尾黏土層。

1.2 三維滲流有限元網格劃分

結合尾礦庫原設計1500m及濕排至1515m、1553m高程堆積方案，本次主要說明堆積壩壩頂高程1553m運行工況的三維滲流有限元模型：

其主要用于計算分析擴能采用干尾礦加固壩體后濕排到1553m高程時尾礦庫三維滲流場分布情況，該模型考慮加壓棱體等擴能措施。模型由66個建模剖面控制自動剖分生成，共生成48952個有限元單元和48765個節點，其整體三維有限元網格圖如圖1所示。

圖1 尾礦庫三維有限元網格整體模型圖（壩頂高程1553m）

由于三維滲流場難以清晰表達壩體內滲流場的分布情況，研究通過對三維計算結果進行插值的方式給出若干典型剖面的滲流場分布圖。

2 堆積壩1553m運行工況下尾礦壩滲流場分析結果

尾礦庫采用濕排方式運行至1553m高程尾礦壩的滲流場分布、浸潤線埋深、滲透梯度等情況分析如下。

2.1 庫區滲流場分布

當尾礦壩濕排至1553m高程時，假設干灘長度為100m，沉積灘坡度按1%考慮。按照設計，初期壩下游建有廢石攔砂壩設置反坡加壓棱體，在反坡加壓棱體下游建有截滲壩，模型計算中按照截滲池內有1m深的蓄水考慮下游水位。模型中其它垂直截取邊界設為隔水邊界。

圖2給出了堆積壩壩頂標高1553m運行工況（濕排方式）的庫區整體滲流場的地下水位等勢線分布情況。

圖2 堆積壩1553m壩高運行工況下整體滲流場分布圖

從總體上看，在濕排至1553m運行條件下，尾礦庫滲流場在堆積壩壩體部位與現狀運行高程（1500m）、濕排至1515m運行高程的滲流場分布較為相似，只是浸潤線埋深有一定差別。從圖中可以看出：

（1）在堆積壩壩軸線（1553m）上游側，庫盆水位1552m，庫區和周邊山體的地下水位較高，地下水水位基本上在1530m以上。在堆積壩壩軸線下游側山體內，地下水等勢線分布較為均勻，庫水通過壩體、壩基和兩岸山體向下游滲透，最后通過干尾砂加固體底部導水盲溝排泄至下游截滲池或通過山體排泄至下游山谷。

（2）在尾礦堆積壩部位，地下水位等勢線分布比較均勻，堆積壩壩坡部位的地下水位在1530m～1390m之間，埋深較大（一般大于20m）。

（3）在初期壩下游設置反坡加壓棱體部位，上游庫區滲水通過干尾砂加固體底部導水盲溝排泄，由于防滲膜作用，滲水不進入干尾砂加固體，因此初期壩下游反坡加壓棱體部位的浸潤線與防滲膜重合。

總體上看，濕排至1553m壩高運行工況下尾礦堆積壩中的浸潤線埋深也較大（埋深均超過17m），且下游反坡加壓棱體部位沒有滲流出逸點，地下水位線分布比較均勻，滿足規范對尾礦壩滲流浸潤線埋深的要求。

2.2 典型剖面滲流場特點

為進行尾礦庫滲流場分析，選取三個典型剖面進行滲流場分布分析，3個典型剖面編號分別為：滲流監測剖面1、2、3（位置見圖3）。

圖3 滲流場典型剖面位置設置圖

為描述堆積壩頂標高1553m運行工況下尾礦壩滲流場分布特點，經對計算結果整理分析，將其繪制滲流場分布圖。從這些典型剖面的滲流場分布情況可以看出以下特點：①尾礦壩的地下水浸潤線起始于庫區灘面淹沒線上，在堆積壩內基本上沿著尾粉質粘土與尾粘土分界線下行。浸潤線在越過初期壩上游壩面防滲膜頂部進入初期壩內而迅速降低，初期壩內浸潤線基本上位于初期壩堆石區底部或山溝的砂礫石覆蓋層中，因此滲流浸潤線在初期壩中的埋深普遍都很大，在下游廢石攔砂壩腳處逸出或經山谷覆蓋層滲入下游溪谷中；②尾礦壩浸潤線埋深較大，剖面1其浸潤線埋設最小為17.5m，剖面2其浸潤線埋設最小為26.1m，剖面3其浸潤線埋設最小為26.2m。尾礦壩的中間壩段剖面（剖面2）上的滲流浸潤線埋深更大些，而在靠近兩岸壩頭的剖面（剖面1、3）上滲流場浸潤線埋深稍小些。

上述尾礦壩滲流場浸潤線分布規律與本工程的初期壩和堆積壩設計特點有密切關系。①最早的初期壩為定向爆破堆石壩，上游側內坡鋪設有一層聚乙烯防滲膜，并在上游壩腳處覆蓋層進行了粘土截滲處理，在壩高1392m以下壩體上游側形成一個不透水層。之后采用堆石廢料先后進行了六次加高擴建，這部分的堆石加高初期壩的透水性較大，為透水壩。這樣的初期壩結構使得浸潤線進入初期壩的位置高于1392m以上，但進入初期壩體后迅速降低至壩底位置（初期壩滲透性很大，計算中其滲透系數設為5×10-3cm/s）。②在尾礦堆積壩上，在標高1438m、1450m、1454m處鋪設有軟式透水管（Sh-50）和集水管（PE80-90）作為堆積壩的水平排滲設施，在1470m往上，每升高5m鋪設一層軟式透水管和集水管，因此在這樣的壩坡滲流控制系統作用下，尾礦堆積壩中間壩段的滲水就由水平透水管排出，有效地降低了壩體浸潤線埋深。③按照設計，堆積壩濕排加高至1553.0m，在初期壩下游設置反坡加壓棱體，反壓至1480.0m。采用干尾砂分層堆筑、碾壓而成，在干尾砂加固體底部鋪設導水盲溝并用防滲膜將其覆蓋，以保證尾礦壩滲水由導水盲溝排出而不進入干尾砂加固體。因此，初期壩下游側的浸潤線就沿著干尾砂底部防滲膜導出。

結合尾礦壩滲流場分布規律、壩體和干尾砂加固體滲流浸潤線埋深，尾礦壩在壩頂標高1553m運行工況下，尾礦壩滲流滿足現行規范對尾礦壩滲流控制要求的。

2.3 壩體及透水管滲流量計算分析

在三維滲流場計算分析的基礎上，進一步計算了尾礦庫庫水通過初期壩體和周邊山體滲向下游的總滲流量。計算結果顯示，在堆積壩壩頂標高1553m運行工況下，通過初期壩壩軸線處總的滲流量為Q=876.1方/天。

2.4 庫區各沉積地層滲透梯度計算分析

由于該工況下尾礦堆積壩體的浸潤線埋深非常大，壩坡上部的尾粉砂層、尾粉土層及初期壩堆石區大都位于浸潤線以上，所以，只需對尾粉質粘土層和尾粘土層中的滲透梯度分布情況進行統計分析。在所統計的剖面中，尾粉質粘土層的最大滲透梯度值約為0.963，尾粘土層的最大滲透梯度值約為0.378。這些地層的最大滲透梯度值小于其相應的允許梯度，且位于壩體內部，因此，不會發生滲透破壞，滿足壩體滲透穩定要求。

3 結語

分析堆積壩堆積至1553.0m時尾礦壩滲流場結果如下：

（1）濕排至1553m壩高運行工況下尾礦堆積壩中的浸潤線埋深也較大（埋深均超過17m），且下游反坡加壓棱體部位沒有滲流出逸點，地下水位線分布比較均勻，滿足規范對尾礦壩滲流浸潤線埋深的要求。

（2）在堆積壩壩頂標高1553m運行工況下，通過初期壩壩軸線處總的滲流量為Q=876.1m3/d，根據總滲流量可以進行后續滲水收集設計。

（3）尾粉質粘土層的最大滲透梯度值約為0.963，尾粘土層的最大滲透梯度值約為0.378。這些地層的最大滲透梯度值小于其相應的允許梯度，且位于壩體內部，因此，不會發生滲透破壞，滿足壩體滲透穩定要求。

通過模型建立及數值計算，可以確定尾礦壩的滲流場分布、浸潤線埋深、滲透梯度等情況，通過計算結果我們可以人工干預，進行尾礦壩防排滲設計，對尾礦庫設計及后期運行具有重要指導意義。