強降雨作用下山谷型尾礦壩浸潤線演化規律*

戴 繪 秦衛星 張岳安

(1.長沙理工大學水利工程學院;2.化工部長沙設計研究院)

位于強降雨區域的山谷型尾礦庫，遭遇強降雨時庫水位常發生快速漲落，在降雨與庫水漲落共同作用下壩體浸潤線位置不斷升高與降低。對影響尾礦壩穩定性的隨機變量敏感性分析表明，作為尾礦壩安全運行的生命線，浸潤線每升高10%，壩體抗滑穩定安全系數減少約0.02［1］，可見，浸潤線位置過高對尾礦壩穩定不利。此外，若浸潤線位置下降過快，也可能誘發尾礦壩失穩破壞。因此，揭示強降雨作用下不同時段山谷型尾礦壩浸潤線位置的演化規律，并在此基礎上明確重點監控時段與監控內容，及時給出預警與對策，對保證強降雨情況下尾礦庫安全運行具有重要現實意義。

強降雨引起山谷型尾礦庫水位漲落全過程一般依次可用5個階段描述:降雨初期——水位不變(階段一)、降雨持續——水位上漲(階段二)、降雨停止——水位持續上漲(階段三)、水位回落(階段四)、水位在初始水位保持不變(階段五)。由此可見，強降雨作用下庫水位漲落的啟動時刻(階段二)和結束時刻(階段五)分別滯后降雨開始時刻(階段一)和停止時刻(階段三)。因此，在1個庫水漲落全過程中，尾礦壩有時受降雨和庫水漲落單獨作用，有時又受二者聯合作用。目前孫恩吉等［2］、湯偉等［3］重點研究了降雨階段尾礦壩雨水入滲規律，但對雨停后幾個階段浸潤線的演化研究不多。張力霆等［4］則側重研究了庫水位驟變時尾礦壩浸潤線的變化規律。由此可見，綜合考慮上述5個階段中降雨和庫水位漲落共同作用的山谷型尾礦壩浸潤線演化研究還不多見。為此，本研究以某山谷型尾礦壩為研究對象，采用有限單元法對庫水位漲落全過程中壩體浸潤線位置隨時間的演變過程進行了數值仿真模擬，研究了強降雨作用下壩體浸潤線位置在雨中與雨后的變化規律，以期為做好該類尾礦庫遭遇強降雨時的浸潤線監測提供建議和參考。

1 降雨入滲滲流控制方程

降雨入滲的尾礦壩滲流問題可用非穩定非飽和滲流理論描述，其控制方程為［5］

式中，kx、ky分別為x、y方向的滲流系數;H為總水頭;Q為源匯項;mw為比水容重;γw為水的重度。

通常偏微分方程的求解方法主要有2種:其一是轉換為積分方程求解，另一種是轉換為差分方程求解。兩者對應的數值模擬方法分別為有限單元法和有限差分法。本研究采用有限單元法數值模擬方法，得到方程(1)對應的積分控制方程為

式中，K為透水系數矩陣，M為單元儲水量矩陣，H為總水頭向量，Ht為總水頭對時間求導后的向量，Q為流量向量。

求解方程(2)還需要結合初始條件和邊界條件。初始條件可用降雨前對應的尾礦壩穩定滲流場描述。壩坡降雨入滲可視為流量邊界，入滲流量大小通過比較降雨強度與尾砂飽和滲透系數的大小關系確定:當降雨強度大于尾砂飽和滲透系數時，入滲流量按飽和滲透系數取值;否則直接取降雨強度作為入滲流量。

2 尾礦壩滲流場模擬計算

2.1 工程概況

某山谷型尾礦庫位于強降雨區域，建于2003年。初期壩高4 m，底寬7 m，頂寬0.8 m，外坡比為1∶1.5～1∶2，壩前由漿砌石堆筑，緊鄰一尾水沉積池以回收利用沉積后的澄清水，當水位超過3.34 m時，多余尾水由專門泄洪通道排走。后期堆積壩外坡比為1∶1.5～1∶3.0，總體壩坡較陡，壩高為38 m。尾礦壩概化模型和壩體材料分區如圖1所示。地勘與試驗表明各區相關材料參數為:殘－全風化花崗巖滲透系數5.3×10－6m/s;尾粉土滲透系數6.0×10－7m/s，飽和含水量35.2%;尾粉砂滲透系數7.6×10－6m/s，飽和含水量28.8%;尾中細砂滲透系數6.0×10－5m/s，飽和含水量11.66%;漿砌石壩體滲透系數3.1 ×10－5m/s。

圖1 尾礦壩材料分區

2.2 庫水位漲落規律與計算歷時

該尾礦庫位于強降雨區域，近30 a氣象資料表明尾礦庫區域常遭遇持續15 h左右的強降雨，降雨總量超過500 mm。水庫監測資料表明強降雨引起該庫水漲落隨時間變化的規律為:0～3 h為階段一，3～15 h為階段二，15～17 h為階段三，17～28 h為階段四，28 h后為階段五。由此可見，庫水位從開始降雨到庫水位回落至初始水位只需28 h，但考慮壩體滲流場演化過程存在滯后效應，將強降雨引起的庫水漲落全過程定為100 h，因此階段五歷時為28～100 h。整個仿真模擬過程庫水位隨時間的變化關系見圖2，據此確定庫區內壩坡變水頭邊界。

圖2 庫水位－時間變化

2.3 尾砂土水特征曲線

土水特性曲線是非飽和尾砂的重要材料性質。土水特征曲線有多種數學模型，其中反映非飽和尾砂含水量與基質吸力之間冪函數關系的V－G模型應用較為廣泛。利用V－G模型得出尾粉砂、尾粉土及尾中細砂的土水特征曲線如圖3所示。

圖3 尾砂土水特征曲線

2.4 滲流邊界條件

尾水沉積池初始水位為3.34 m，因尾水沉積池連接專門泄洪通道排水，因此降雨過程保持不變。尾礦庫初始水位為32.3 m，隨降雨過程改變，尾礦庫區內壩坡滲流邊界按變水頭邊界模擬，具體見圖2。尾礦壩外壩坡降雨入滲邊界按流量邊界模擬。根據當地暴雨資料計算出降雨強度為9.6×10－6m/s。考慮尾粉砂飽和滲透系數為7.6×10－6m/s，尾中細砂飽和滲透系數為6.0×10－5m/s，前者小于雨強值，后者大于雨強值。根據文中第1節描述的降雨入滲邊界處理方法，壩坡上部尾中細砂處流量邊界直接按雨強取值，壩坡下部流量邊界按尾粉砂滲透系數大小取值。

3 尾礦壩浸潤線變化規律分析

通過歷時100 h的庫水漲落全過程有限單元數值仿真分析，得到表1所示尾礦壩沿x軸12個剖面位置浸潤線高度y隨時間的變化位置。根據表1，可知降雨與庫水漲落共同作用下尾礦壩浸潤線變化規律如下。

在降雨初期的階段一(0～3 h)，下游側浸潤線位置離坡面最近，由于外坡降雨入滲影響，最先開始抬升。因該階段庫水位基本不變，上游側尾礦壩浸潤線也基本不變。

表1 浸潤線位置隨時間變化關系

在降雨持續的階段二(3～15 h)，降雨入滲和庫水位上漲共同作用下，壩體內浸潤線位置得到全面抬升，同時庫水位上漲導致原上游側浸潤線末端位置成為自由水面，干灘長度不斷變小。

在雨剛停止2 h內的階段三(15～17 h)，由于降雨匯流滯后的影響，庫水繼續上漲，浸潤線位置進一步升高，且尾礦庫自由水面面積繼續增大，該階段末浸潤線位置達到最高，干灘長度達到最小。

在雨停止2 h后的階段四(17～28 h)，庫水位開始降低，該階段末回落至初始庫水位32.3 m，浸潤線位置開始全面下降，尾礦庫自由水面面積逐漸減少。

庫水保持初始水位不變的階段五(28～100 h):浸潤線位置進一步下降，x=342.00 m位置下游側壩體都露出水面，96 h后壩體各位置浸潤線基本回到降雨前初始位置。

4 結論

(1)降雨初期，初期壩附近浸潤線先升高，上游側浸潤線基本保持不變。

(2)降雨持續一段后，尾礦壩浸潤線全面升高，原上游側浸潤線末端位置成為自由水面，干灘長度不斷變短。

(3)降雨剛停不久，浸潤線持續全面抬升，在降雨停止一段時間后達到最高位置，干灘長度達到最小。

(4)降雨停止一段時間后，浸潤線逐漸全面下降。需要注意的是庫水位在初始水位保持穩定后，壩體浸潤線仍持續降低，直至回歸初始浸潤線位置，且浸潤線回位時刻遠滯后雨停時刻。

(5)當山谷型尾礦壩遭遇強降雨時，建議分降雨中與雨后兩大階段突出重點進行浸潤線監測以保障尾礦壩安全:①降雨初期主要監控尾礦壩下游坡腳附近浸潤線位置的變化，降雨持續一段時間后重點做好浸潤線上升階段的監測;②降雨停止初期重點做好浸潤線上升階段的監測，降雨停止后幾天內，應重點做好浸潤線下降階段的監測，避免浸潤線位置過高或降低過快導致尾礦壩壩體破壞。

［1］ 張 楊，秦衛星，張岳安，等.獨木隴尾礦壩抗滑穩定的可靠度分析分析［J］.金屬礦山，2010(5):154-157.

［2］ 孫恩吉，張興凱，李仲學，等.降雨條件下尾礦壩飽和－半飽和滲流模擬分析［J］.中國安全生產科學技術，2012，8(3):5-8.

［3］ 湯 偉，郭勝娟.降雨對尾礦庫滲流場的動態影響［J］.工業安全與環保，2012，38(4):46-48.

［4］ 張力霆，周國斌，谷 芳，等.庫水位急劇變化對尾礦庫壩體穩定的影響［J］.金屬礦山，2008(8):119-122.

［5］ 顧慰慈.滲流計算原理及應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2000.