磷石膏庫調洪演算與尾礦堆積壩穩定性分析

胡章地 胡雅文 李 博 李志國 邱丹丹 胡文軍

（1、湖北大楚注冊安全工程師事務所有限公司，湖北 武漢430073 2、湖北虎渡河科技有限公司，湖北 荊州434300 3、武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢430073）

1 概述

DS 磷石膏庫最終設計標高為420.0m，設計總壩高95.8m，設計總庫容為1457.74×104m3。目前現狀磷石膏DS 磷石膏庫堆積壩標高408.7m，相應總壩高84.5m，已堆積磷石膏約600×104m3。DS 磷石膏庫等別均為三等，其主要構筑物按3 級建筑物考慮，次要建筑物和臨時建筑物按4 級建筑物考慮。為了評價DS 磷石膏庫的安全現狀，本文對DS 磷石膏庫尾礦堆積壩進行調洪演算與穩定性分析。

2 DS 磷石膏庫防洪安全復核

2.1 洪水計算

根據企業地理位置查《湖北省水文手冊》，計算得水文參數，采用推理公式求得各區域洪峰流量、匯流時間與24 小時洪水總量。計算結果如表1 所示。

表1 洪水計算結果

2.2 防洪安全復核

DS 磷石膏庫等別為三等，根據《尾礦設施設計規范》（GB50863-2013），設計防洪標準洪水重現期為500 年一遇。周邊截水溝按照Ⅱ類一般工業固廢標準校核，防洪標準重現期取50 年一遇。

2.2.1 DS 磷石膏庫內防洪安全復核

目前，場內簡易排水斜槽- 排水涵管已實施反濾封堵，場內來水依靠現有調蓄庫容進行調蓄，根據DS 磷石膏庫現狀地形圖，堆積壩頂部408.7m 標高以下形成的調洪庫容約為204.72×104m3，DS 磷石膏庫內防洪安全分析按照全面積匯流計算，不考慮周邊截水溝攔截作用。按照500 年一遇形成的一次24h 洪水總量為29.62×104m3，因此現狀條件下庫內調蓄庫容遠大于一次性洪水總量，可容納500 年一遇工況下一次洪水總量。

通過現狀調洪演算分析，在500 年一遇洪水運行工況下，DS磷石膏庫內調蓄庫容遠大于500 年一遇形成的一次24h 洪水總量，考慮極端情況下DS 磷石膏庫內兩次500 年一遇形成的一次24h 洪水總量相互疊加，當洪水占用場內調蓄庫容59.24×104m3，洪水期場內最高洪水位為402.1m。

2.2.2 截水溝防洪安全復核截水溝為清污分流，不參與DS 磷石膏庫防洪能力計算，其防洪能力按照50 年一遇進行復核，截水溝過流能力按照明渠均勻流公式計算。

經計算，當截水溝內下泄流量為截水溝以上對應匯水面積內50 年一遇洪峰流量2.59 m3/s 時，溝內水深為0.47m，相應安全超高為0.33m，截水溝防洪能力滿足相應要求。

3 尾礦堆積壩穩定分析

分別考慮壩內正常水位、洪水水位、地震+洪水水位三種工況，計算壩體內侵潤線位置、水力坡降。正常水位以目前該壩內水位為準，根據該磷石膏廠勘察資料得，正常水位位于高程398.0m；洪水水位根據調洪演算得知，位于高程402.1m，安全超高為6.6m，大于尾礦設施設計規范（GB50863-2013）中規定的三等庫滿足最小安全超高0.7m，符合條件。該壩體場地地震基本烈度為Ⅵ度，計算時取地震加速度值為0.05g。

3.1 壩體滲透穩定性分析方法

滲透計算選用有限單元法，設置邊界條件，計算浸潤線位置，壩體和壩基的滲流量以及壩體出逸段的水力坡降[3]。

有限單元法是用有限個單元的集合體代替連續的滲流場，單元間的結合點稱結點。選擇簡單的函數關系近似地表示單元上的水頭分布，最后解得滲流場節點處滿足一定精度的水頭值。

3.2 壩體抗滑穩定性分析方法

根據《尾礦設施設計規范》（GB50863-2013），尾礦壩的抗滑穩定性應根據壩體材料及壩基巖土的物理力學性質，考慮各種荷載組合，經計算確定。尾礦壩穩定計算采用規范推薦的簡化畢肖普法（總應力）。

3.3 DS 磷石膏庫穩定最小安全系數

本地區地震烈度為6 度，采用畢肖普法計算時，根據《尾礦設施設計規范》相關規定，在壩體穩定性計算分析中，考慮正常運行、洪水運行、特殊運行三種工況。得出DS 磷石膏庫壩坡抗滑穩定的最小安全系數指標為：水位處于正常水位時，K≥1.30；水位處于最高洪水位時，K≥1.20；水位處于最高洪水水位且遇到設計烈度地震時，K≥1.15。

3.4 軟件計算及結果分析

計算軟件采用Autobank 軟件[2][4]。Autobank 軟件是由河海大學針對我國水利行業的要求而設計的，采用有限元技術，可對堤防、土壩、涵洞、水閘等水工建筑物進行詳細的分析計算。它可將滲流、穩定、應力計算實現一體化，使各計算階段無縫結合。通過計算，可以獲得浸潤線位置、所有節點水頭值、不同百分比的等勢線等成果。該程序輸入參數較少，使用簡便，同時計算結果具有較高的精度，可以滿足實際工程的技術和精度要求。

選取最大壩高截面作為計算剖面。使用Autobank 水工結構分析系統建立材料分區模型、有限元網格模型。

磷石膏及壩體物理力學參數參考國內已有工程選取，壩基基巖物理力學參數根據企業相關報告確定。計算所選取各種參數如表2、表3 所示。

表2 巖土層滲透系數表

表3 抗滑穩定計算物理力學指標

在正常運行、洪水運行及特殊運行（洪水+地震）工況下，抗滑穩定安全系數計算結果匯總與評估如表4 所示。

表4 抗滑穩定安全系數計算結果匯總

4 結論

本文研究了DS 磷石膏庫資料，利用資料進行了調洪演算與穩定性分析計算。

經調洪演算分析，在500 年一遇洪水運行工況下，DS 磷石膏庫內調蓄庫容遠大于500 年一遇形成的一次24h 洪水總量。截水溝防洪能力滿足相應要求。

經穩定性分析計算，DS 磷石膏庫在正常運行、洪水運行、特殊運行（洪水+地震）的工況之下抗滑穩定安全系數分別為1.39515，1.20112，1.15129，分別大于規范值1.30，1.20，1.15。

結合分析結果，本文建議DS 磷石膏庫按照國家有關規定進行“三同時”管理，做到本質安全；加強現場管理；加強安全檢查；隱患及時治理；加強安全培訓教育：加強監測監控；制訂應急預案并演練，有備無患。