大型尾礦庫(kù)下游高等級(jí)排土場(chǎng)的降雨入滲特性

朱君星 李躍 李從德

家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；3. 重鋼西昌礦業(yè)有限公司，四川西昌615041）

摘要：尾礦庫(kù)和排土場(chǎng)都是高勢(shì)能的泥石流重大危險(xiǎn)源，二者的降雨入滲特性均較復(fù)雜。而當(dāng)高等級(jí)排土場(chǎng)位于大型尾礦庫(kù)的下游時(shí)，其復(fù)雜性更不言而喻。通過(guò)對(duì)太和鐵礦的工程實(shí)例分析，計(jì)算得到尾礦庫(kù)在千年一遇洪水條件下的浸潤(rùn)線分布，將其導(dǎo)入到排土場(chǎng)中作為初始條件，計(jì)算得到初始浸潤(rùn)線；再據(jù)此分析整個(gè)研究區(qū)域的降雨條件下入滲特性。研究結(jié)果表明，尾礦庫(kù)內(nèi)的浸潤(rùn)線分布對(duì)下游排土場(chǎng)的影響很大，入滲作用改變了排土場(chǎng)邊坡內(nèi)的地下水滲流場(chǎng)，而地下水的升高則是一個(gè)緩慢的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：降雨入滲；非飽和滲流；尾礦庫(kù)；排土場(chǎng)；基質(zhì)吸力

中圖分類號(hào)：TD216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0045-05

收稿日期：2014-05-22

作者簡(jiǎn)介：朱君星（1977-），男，安徽宿州人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：礦山巖土工程水工專業(yè)。

[JZ（〗[WT3BZ]Rainfall Infiltration Characteristics of High-class Dump Downstream of a Large-scale Tailing Pond

ZHU Jun-xing1，2，LI Yue1，2，LI Cong-de3

（1. Maanshan Institute of Mining Research， Sinosteel Group Co. Ltd.， Maanshan Anhui 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine， Maanshan Anhui 243000， China；3. Xichang Mining Co.， Ltd.， Chongqing Iron and Steel Group， Xichan Sichuan 615041， China）

Abstract：Both of tailing pond and waster dump is high-potential fatal danger fountainhead for debris flow， and the infiltration characteristic are all complex of them. Especially， when a high-class dump is downstream of a large-scale tailing pond， the degree of complexity is more self-evident. Based on the engineering instance analysis of Taihe Iron Mining， phreatic line under the case of the millennium of the tailing pond was obtained， which is introduced into the waster dump model as an initial condition to calculate the initial phreatic line. On the basis， the infiltration characteristic in the entire area under rainfall was analyzed. The study results showed that the phreatic line distribution in the tailing pond has great influence on the waster dump at downstream， the groundwater seepage field in the dump was changed by the infiltration， and the rise of groundwater is a slow.

Key words：Rainfall infiltration； unsaturated seepage； tailing pond； waster dump； matric suction

尾礦庫(kù)和排土場(chǎng)作為礦山重要的兩大附屬設(shè)施，安全性直接影響到礦山的經(jīng)濟(jì)效益。同樣作為高勢(shì)能的泥石流重大危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)和排土場(chǎng)的性質(zhì)迥異。

作為“儲(chǔ)水容器”，一般尾礦庫(kù)澄清距離以內(nèi)長(zhǎng)期存在尾礦水；而作為“儲(chǔ)砂介質(zhì)”，尾礦庫(kù)內(nèi)尾砂顆粒較細(xì)，滲透系數(shù)較低，同時(shí)尾礦庫(kù)下部堆積時(shí)間較長(zhǎng)，固結(jié)程度較好，其滲透系數(shù)更偏低，這樣就導(dǎo)致尾礦庫(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線位置處于較高水平運(yùn)行。

排土場(chǎng)也是一個(gè)滯水體，根據(jù)調(diào)查資料，因水文條件釀成排土場(chǎng)滑坡的例子約占事故總數(shù)50%[1]，說(shuō)明排土場(chǎng)中水的因素對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用。

正因?yàn)榇耍谂磐翀?chǎng)上游建設(shè)尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)內(nèi)本身就有很高的浸潤(rùn)線，進(jìn)一步抬高了下游排土場(chǎng)內(nèi)的浸潤(rùn)線，嚴(yán)重威脅到排土場(chǎng)的安全，成為懸在其上方的一把“利器”。

由于各種條件所限，重鋼集團(tuán)太和鐵礦小麻柳地區(qū)規(guī)劃一座尾礦庫(kù)和一座排土場(chǎng)，兩者均是相互獨(dú)立和完整的系統(tǒng)單元。但小麻柳尾礦庫(kù)下游最終將與排土場(chǎng)連成一個(gè)整體，兩者將形成一個(gè)相互制約和影響的復(fù)雜系統(tǒng)。一般情況下，排土場(chǎng)對(duì)尾礦庫(kù)的安全整體上是有利的，但前提是尾礦庫(kù)和排土場(chǎng)自身安全可靠，尾礦庫(kù)不能因?yàn)樽陨硎Х€(wěn)而對(duì)下游排土場(chǎng)構(gòu)成威脅，排土場(chǎng)也不能因?yàn)閳?chǎng)底排滲不暢使得尾礦庫(kù)滲水無(wú)法外排降低壩坡穩(wěn)定性。此外，兩者之間的正常作業(yè)不能相互干擾和影響，必須有序規(guī)劃、統(tǒng)一管理。endprint

針對(duì)排土場(chǎng)處于尾礦庫(kù)下游，在降雨入滲的情況下，對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行了再次規(guī)劃，從安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行雙重把控。

1工程概況

小麻柳排土場(chǎng)位于小麻柳溝，為常年流水溝，雨季流量約為100～180 m3/d。干季流量約為30～60 m3/d。其西分水嶺最高點(diǎn)超過(guò)+1 850 m，低點(diǎn)約+1 540 m，高差約310 m。東面的安寧河為區(qū)域的最低侵蝕基準(zhǔn)面，谷中的地表水流入安寧河，為長(zhǎng)年流水性溝谷。排土場(chǎng)地表水系不發(fā)育，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給。

區(qū)內(nèi)日照時(shí)間長(zhǎng)，熱量豐富，年均日照時(shí)數(shù)2 4314小時(shí)，年降雨量1 043 mm，5～10月為雨季，11月至次年4月為旱季，其中93%以上降雨集中在雨季，旱季降雨量?jī)H全年的7%。

場(chǎng)地地層主要由第四系沖洪積及殘坡積土層、上更新統(tǒng)冰水堆積層，晚第三系“昔格達(dá)”半膠結(jié)粘土巖、未膠結(jié)粉砂巖、細(xì)砂巖、礫巖等組成。

區(qū)內(nèi)地下水分為兩種類型：第四系覆蓋層中的孔隙潛水和西部基巖中的裂隙承壓水，孔隙潛水受大氣降水補(bǔ)給，承壓水受大氣降水及潛水補(bǔ)給。地下水滲流方向?yàn)橛晌飨驏|徑流。

小麻柳尾礦庫(kù)位于排土場(chǎng)上游，其設(shè)計(jì)堆積標(biāo)高1 750 m，庫(kù)容5 801831萬(wàn)m3，總壩高1520 m，為二等庫(kù)，防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)按1 000年一遇考慮。尾礦庫(kù)初期壩體與下游排土場(chǎng)連成一個(gè)整體（見圖1）。因此排土場(chǎng)的地下水受到尾礦庫(kù)的制約，其上游水力邊界條件較為復(fù)雜。

圖1工程布置平面圖

2 非飽和入滲特性

基質(zhì)吸力的量測(cè)比較困難，一般多通過(guò)間接方式進(jìn)行研究，土水特征曲線法最為常見。許多試驗(yàn)表明，當(dāng)土的含水量趨近0%時(shí)，基質(zhì)吸力可達(dá)620～980 MPa限值[2]。土水特征曲線獲取的基本理論雖不復(fù)雜，卻需要花費(fèi)大量的時(shí)間、精力、設(shè)備等，而土體的顆分曲線卻很容易得到。基于此，一些學(xué)者提出土水特征曲線的擬合模型[3-8]，這些模型或以已有的顆分試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，或從數(shù)學(xué)角度進(jìn)行嚴(yán)密推導(dǎo)以解析解的形式呈現(xiàn)。其中以文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]所提出的擬合模型最為常見。例如，文獻(xiàn)[3]提出含有4個(gè)參數(shù)控制的方程如下：

θw=θr+θs-θr[1+（Ψa）n]m（1）

式中：θw為體積含水量；θr為殘余含水量；θs為飽和體積含水量；Ψ為基質(zhì)吸力；a、n、m為曲線擬合參數(shù)，a的單位為kPa，n、m無(wú)量綱。

21尾礦庫(kù)的非飽和入滲特性

尾礦庫(kù)內(nèi)沉積的尾砂多為非飽和，因沉積特點(diǎn)及規(guī)律的不同，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)尾砂各分層的非飽和特性存在差異。土工試驗(yàn)結(jié)果表明：與灘頂距離越遠(yuǎn)，尾礦砂的含水量越大，顆粒越細(xì)，其孔隙比越大[9]。

22排土場(chǎng)的非飽和入滲特性

排土場(chǎng)成分復(fù)雜，粒徑分布范圍很大，不同的排土工藝、堆置方式對(duì)入滲特性影響很大。一般而言，對(duì)于單臺(tái)階式排土場(chǎng)，由于多采用汽車運(yùn)輸排土，大塊廢石壓在坡腳處，滲透系數(shù)很大，上部較為密實(shí)；對(duì)于覆蓋式排土場(chǎng)，各分級(jí)臺(tái)階從下到上的分選性類似，滲透性均由強(qiáng)到弱，整體而言，其滲透特性較為復(fù)雜；對(duì)于壓坡腳式排土場(chǎng)，排土臺(tái)階由內(nèi)向外推進(jìn)，大塊廢石壓在底部，細(xì)顆粒同樣匯集于各臺(tái)階頂，其滲透特性與單臺(tái)階式有一定程度的相似之處（見圖2）。一般而言，巖土密實(shí)度越大，大孔隙相對(duì)越少，小孔隙相對(duì)比較多。吸力相同時(shí)，干容重大的土相應(yīng)的含水率一般也越大。

（a） 單臺(tái)階排土 （b） 覆蓋式排土 （c）壓坡腳式排土

圖2排土場(chǎng)的典型堆置方式

小麻柳排土場(chǎng)采用覆蓋式排土堆置方式，考慮到每個(gè)臺(tái)階高度都不超過(guò)15～20 m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將每個(gè)排土臺(tái)階自上而下分為兩層，各分層的土水特征曲線采用式（1）擬合，再據(jù)非飽和土水分運(yùn)動(dòng)的基本方程式（2）得到各主要巖土層滲透系數(shù)函數(shù)（見圖3）。

x[kwx（θw）hx]+y[kwy（θw）hy]+z[kwz（θw）hz]=mwγw（H-y）t（2）

式中：kwx（θw）， kwy（θw）， kwz（θw）為x， y， z方向的滲透系數(shù)，是關(guān)于體積含水量θw的函數(shù)； mw=-θw（ua-uw）為土水特征曲線斜率絕對(duì)值，（ua-uw）為基質(zhì)吸力；γw為水的容重；H為總水頭；y為位置水頭；t為時(shí)間，當(dāng)t=0時(shí)，為穩(wěn)定滲流。

基質(zhì)吸力/kPa

1. 排土物料下層；2. 排土物料上層；3. 尾砂

圖3主要巖土層滲透系數(shù)函數(shù)

3入滲條件下數(shù)值模擬計(jì)算與分析

31幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題

小麻柳排土場(chǎng)的等級(jí)較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，加之其處在尾礦庫(kù)的下游，尾礦庫(kù)的使用無(wú)疑給排土場(chǎng)帶來(lái)安全隱患。因此，必須要確保尾礦庫(kù)、排土場(chǎng)的雙重穩(wěn)定。

1） 尾礦庫(kù)是二等庫(kù)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇，需要考察尾礦庫(kù)在千年一遇洪水條件下的最高洪水位；在此條件下，考慮降雨入滲對(duì)尾礦庫(kù)非飽和帶的影響，研究其浸潤(rùn)線變化規(guī)律。

2） 在上述情況下，尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線變化對(duì)下游排土場(chǎng)的影響，同時(shí)還需兼顧排土場(chǎng)的降雨入滲特性。

32計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

在GeoStudio軟件中建模并劃分網(wǎng)格，計(jì)算模型如圖4所示。

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圖4計(jì)算剖面圖

非飽和土體滲流邊界條件有三種形式。第一類為Dirichlet邊界，給定邊界上水頭分布或勢(shì)函數(shù)，亦稱水頭邊界，考慮與時(shí)間t有關(guān)的過(guò)程中，水頭邊界是不斷變化的，可表示為hΓ1=f（x，y，x，t）；第二類為Neumann邊界，在邊界上給出位勢(shì)函數(shù)或水頭的法向?qū)?shù)，或稱流量邊界，涉及與時(shí)間t有關(guān)的邊界時(shí)，hnΓ2=-vnk=f（x，y，z，t）；第三類是前兩種條件的組合，含水層邊界的內(nèi)外水頭差和交換的流量之間保持一定的線性關(guān)系，即h+αhnΓ3=β，前述各式中h為等勢(shì)面，Γi（i=1，2，3）為積分區(qū)域邊界，vn為單面面積邊界上穿過(guò)的流量。對(duì)于降雨入滲和蒸發(fā)，文中均考慮流量邊界條件。計(jì)算得千年一遇洪水工況下尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線情況如圖5所示。endprint

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圖5千年一遇洪水工況下尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線

將尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到排土場(chǎng)模型中，計(jì)算降雨入滲初期，排土場(chǎng)內(nèi)的初始浸潤(rùn)線（見圖6）。施加降雨，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，設(shè)定降雨強(qiáng)度350 mm/d，持時(shí)1天，采用流量邊界條件，來(lái)不及入滲的雨水經(jīng)由底部平臺(tái)宣泄。計(jì)算得降雨結(jié)束初期尾礦庫(kù)及排土場(chǎng)的浸潤(rùn)線分布情況（見圖7）。

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圖6尾礦庫(kù)千年一遇洪水工況影響下的排土場(chǎng)初始浸潤(rùn)線圖

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圖7降雨結(jié)束初期排土場(chǎng)浸潤(rùn)線分布（持時(shí)1天）

33計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算可知，尾礦庫(kù)在千年一遇洪水狀態(tài)下的浸潤(rùn)線很高（見圖5），從初期壩出露的地下水進(jìn)入排土場(chǎng)中，抬高了排土場(chǎng)中的地下水位（見圖6）。

在降雨一天后（見圖7），尾礦庫(kù)和排土場(chǎng)內(nèi)部浸潤(rùn)線未發(fā)生明顯變化，但在其表面均形成較大規(guī)模的暫態(tài)飽和區(qū)，其深度從5～20 m不等。在庫(kù)內(nèi)，由于地勢(shì)較為平緩，其徑流能力偏弱，濕潤(rùn)峰向下推移的距離較大，入滲深度較大；而在排土場(chǎng)邊坡的表面，坡度的存在使得降雨徑流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入滲速度，其入滲能力較之于庫(kù)內(nèi)偏弱，決定了其暫態(tài)飽和帶多分布在邊坡的淺層位置。

降雨結(jié)束后的一段時(shí)期內(nèi)（見圖8），由于滯后效應(yīng)，入滲作用仍在持續(xù)，濕潤(rùn)峰進(jìn)一步向下推移，相應(yīng)地，暫態(tài)飽和區(qū)逐步下移；與此同時(shí)，雨后蒸發(fā)效應(yīng)不斷增強(qiáng)，邊坡內(nèi)部的淺層地下水部分進(jìn)入大氣，淺層部位的暫態(tài)飽和區(qū)逐漸消失。

到雨后第10天（見圖8b），邊坡淺層位置的暫態(tài)飽和區(qū)進(jìn)一步減少，重新轉(zhuǎn)換為非飽和帶；到第15天，淺層暫態(tài)飽和區(qū)范圍繼續(xù)減小，同時(shí)，內(nèi)部的雨水持續(xù)下滲，飽和帶繼續(xù)往下推移。到了第20天左右，邊坡體內(nèi)的暫態(tài)飽和區(qū)已漸消失，濕潤(rùn)峰已移至地下水處，抬高了排土場(chǎng)內(nèi)的地下水。可見，降雨對(duì)排土場(chǎng)內(nèi)部浸潤(rùn)線的影響是中長(zhǎng)期的。

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（a） 第2天

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（b） 第10天

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（c） 第15天

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（d） 第20天

圖8降雨結(jié)束后排土場(chǎng)浸潤(rùn)線分布

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)太和鐵礦的工程實(shí)例分析，將尾礦庫(kù)在千年一遇洪水條件下的浸潤(rùn)線分布導(dǎo)入到下游排土場(chǎng)中，計(jì)算得到初始浸潤(rùn)線；再分析整個(gè)研究區(qū)域降雨條件下的入滲特性，為后期的整體穩(wěn)定性研究及排土場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃打下基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明，尾礦庫(kù)內(nèi)的浸潤(rùn)線分布對(duì)該排土場(chǎng)的影響很大；降雨結(jié)束初期，排土場(chǎng)邊坡表面暫態(tài)飽和區(qū)范圍很大，隨著時(shí)間推移， 蒸發(fā)效應(yīng)和

入滲效應(yīng)的進(jìn)一步作用，淺層的暫態(tài)飽和區(qū)逐步消失，深層的濕潤(rùn)峰不斷下移；經(jīng)過(guò)20天左右，降雨對(duì)排土場(chǎng)地下水位的影響開始逐漸顯現(xiàn)。可見，降雨入滲作用改變了排土場(chǎng)邊坡內(nèi)的地下水滲流場(chǎng)，而地下水的升高則是一個(gè)緩慢的過(guò)程。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）endprint