滲流影響下尾礦壩穩定性研究

李克達 陳冬華

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000)

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滲流影響下尾礦壩穩定性研究

李克達 陳冬華

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000)

以磨石溝尾礦庫現狀壩體為研究對象，采用勘察、試驗以及數值模擬手段，研究了尾礦壩正常運行和洪水運行兩種不同水位工況下的壩體滲流穩定性及抗滑穩定性，結果表明：現狀庫內水位正常運行和最高洪水位運行兩種工況下的壩體抗滑穩定性安全系數均大于規程所規定的最小安全系數,滿足規范要求。

尾礦壩，滲流，穩定性，洪水運行工況

0 引言

礦山生產中尾礦壩是重要設施，它的運行狀況直接關系到礦山企業效益，甚至對人民生產、生活安全產生直接影響[1]。尾礦壩潰壩、垮塌等事故時有發生，尾礦庫泥沙流經長度長、范圍廣。滲流是影響尾礦壩安全運行的重要因素，要對尾礦壩進行安全控制，必須要分析滲流狀態下壩體的安全穩定性系數[2-4]。本文結合磨石溝尾礦庫壩為研究對象，采用有限元方法模擬研究常水位和洪水水位時浸潤線位置，確定壩體安全系數，為壩體的安全評價提供理論依據。

1 工程概況

磨石溝尾礦庫位于寬城滿族自治縣城西約16 km處的東黃花川鄉西五溝村磨石溝內。2009年10月對該庫進行了初步設計，設計年處理礦石275.0×104t，尾礦庫設計初期壩底標高為535.0 m,壩頂標高565.0 m,設計最終堆積標高630.0 m，尾礦庫總壩高95.0 m，設計總庫容為703.225×104m3，尾礦庫設計等級為三等庫。尾礦砂為中—細小顆粒，尾礦砂由生產廠區經泵、管道輸送至尾礦庫，流入庫后端，澄清后，清水經回水系統流至車間，循環使用。該礦山選礦工藝為磁選，不加任何有害添加劑，尾礦砂不含有害元素，對周邊環境基本無影響。

2 壩體巖土工程地質特性

勘察結果表明，磨石溝尾礦庫庫區范圍內，地層巖性根據性質及成因可分為三個部分，即天然地層、初期壩、尾礦堆積層。天然地層表面為強風化基巖，局部有角礫層覆蓋，初期壩為透水堆石壩體。由于尾礦沉積分選性不強，故砂性尾礦中普遍存在粘性尾礦夾層，且在同平面上不連續，呈透鏡體狀，但從整體上看仍存在一定規律。垂直層序上存在上粗下細的規律，水平層序上由堆積子壩向庫區由粗變細。根據野外鉆探、原位測試和室內土工試驗結果，經綜合分析，并經概化后將庫區各巖土層劃分為6個主層，即尾中砂、尾細砂、尾粉砂、尾粉質粘土、角礫、石英巖。壩體穩定水位埋深為6.0 m～14.6 m，尾礦庫初期壩為透水堆石壩，壩基為中等風化石英巖，為弱透水層。

3 壩體穩定性理論分析

3.1 計算方法

考慮正常水位運行和洪水位運行兩種情況，選用野外勘察中實測尾礦庫主剖面，實測地質參數，選取不同的荷載工況，利用水工結構有限元分析系統軟件進行不同情況下的滲流分析計算，利用土石壩邊坡穩定分析系統軟件(由河海大學工程力學系和黃委勘測設計研究院研發)，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進行穩定性分析計算。

3.2 計算剖面及參數確定

本次分析選取了尾礦庫勘察的主剖面進行計算，基于主剖面建立了滲流分析和壩體抗滑穩定分析的計算模型，通過標準貫入試驗、室內土工試驗與地區經驗相結合，確定物理力學指標如表1所示。

表1 各巖土層的物理力學參數表

3.3 計算工況及荷載組合

1)滲流穩定性分析。

磨石溝尾礦庫現狀壩體的滲流穩定性分析按以下兩種水位運行工況進行：正常運行和洪水運行。正常運行條件下根據實測水面標高608.30 m及各巖土層豎直和水平滲透系數，采用水工結構分析系統軟件進行二維數值模擬，分析評價壩體在該工況下的滲流穩定性。洪水運行條件下最高洪水位，中、后期按500年一遇計算，經調洪演算確定最高洪水位標高610.23 m，采用水工結構分析系統軟件進行二維數值模擬，分析評價壩體在該工況下的滲流穩定性。

2)抗滑穩定性分析。

根據現行有關規范的規定，對壩體的抗滑穩定性計算分析包括兩種工況：

a.庫內正常運行水位標高608.30 m運行工況；

b.庫內最高洪水位標高610.23 m運行工況。

3.4 滲透穩定性計算

1)正常運行條件下壩體滲流分析。

根據該尾礦庫正常運行期實際情況，將正常運行期地質參數輸入水工結構有限元分析系統軟件，經計算得到該尾礦庫正常運行條件下尾礦壩壩體滲流浸潤線。考慮滲流計算得出結果對穩定計算影響，運用土石壩穩定分析系統，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩定的最小安全系數,如圖1所示。

2)洪水運行條件下壩體滲流分析。

本次按中后期運用洪水重現期為500年進行計算，頻率0.2%。

該尾礦庫位于水文分區Ⅳ區,通過查《承德地區水文實用手冊》(1973)，繪制洪水過程線，采用列表法，運用任意時段水量平衡方程：1/2(Q1+Q2)-1/2(q1+q2)Δt=V2-V1，分時段進行調洪演算，確定調洪高度H=1.93 m。

在洪水運行工況下，最高洪水位為610.23 m。將地質參數輸入水工結構有限元分析系統軟件，經計算得到該尾礦庫洪水運行條件下尾礦壩壩體滲流浸潤線。由洪水運行工況下的二維有限元滲流數值模擬計算結果可以看出，洪水運行工況下干灘長度為153.74 m，浸潤線未從堆積壩外坡出逸。

根據《尾礦庫安全技術規程》中穩定性計算時荷載組合要求，考慮滲流計算得出結果對穩定計算影響，根據洪水運行條件最高水位，運用土石壩穩定分析系統，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算壩坡抗滑穩定的最小安全系數，如圖2所示。

4 結語

根據本次對磨石溝尾礦庫現狀壩體的巖土工程勘察、試驗以及在此基礎上對該庫在正常運行和洪水運行兩種不同水位運行工況下的壩體滲流穩定性及抗滑穩定性計算分析，得出如下結論：

1)尾礦庫正常運行工況下，干灘長度為209.91 m，壩體安全系數滿足規范要求；

2)在設計洪水運行工況下，尾礦庫的干灘長度為153.74 m，壩體安全系數滿足規范要求;

3)根據對尾礦庫在現狀庫內水位正常運行和最高洪水位運行兩種工況下的壩體抗滑穩定性計算分析可知，采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算分析的安全系數均大于規程所規定的最小安全系數，滿足規程要求。

[1] 路美麗,崔 莉.影響尾礦壩滲流場的因素分析[J].中國安全科學學報,2004,14(6):17-20.

[2] 王會芬,董羽蕙.尾礦壩滲流場的計算與分析[J].科學技術與工程,2010,10(24):5860-5867.

[3] 羅鳳姿.尾礦壩固結滲流模型關鍵參數研究[J].礦業研究與開發,2010(3):92-94.

[4] 柳厚祥,李 寧,廖 雪.考慮應力場與滲流場耦合的尾礦壩非穩定滲流分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(17):2870-2875.

Stability study of seepage under the influence of tailings dam

Li Keda Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

To stone ditch present situation of tailings dam as the research object, the survey, experiment and numerical simulation method, the normal operation of tailings dam and flood run two different water level under the operation condition of dam body seepage stability and stability against sliding. The results show that normal operation of water level of the status quo of the rolls and the highest flood level run two kinds of working conditions of dam body stability safety factor against sliding are the minimum safety factor is greater than the procedures as stipulated.

tailings dam, seepage, stability, flood operation condition

1009-6825(2017)10-0083-02

2017-01-22

李克達(1980- )，男，工程師

P624

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