磷石膏庫(kù)調(diào)洪演算與尾礦堆積壩穩(wěn)定性分析

胡章地 胡雅文 李 博 李志國(guó) 邱丹丹 胡文軍

（1、湖北大楚注冊(cè)安全工程師事務(wù)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(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢430073）

1 概述

DS 磷石膏庫(kù)最終設(shè)計(jì)標(biāo)高為420.0m，設(shè)計(jì)總壩高95.8m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為1457.74×104m3。目前現(xiàn)狀磷石膏DS 磷石膏庫(kù)堆積壩標(biāo)高408.7m，相應(yīng)總壩高84.5m，已堆積磷石膏約600×104m3。DS 磷石膏庫(kù)等別均為三等，其主要構(gòu)筑物按3 級(jí)建筑物考慮，次要建筑物和臨時(shí)建筑物按4 級(jí)建筑物考慮。為了評(píng)價(jià)DS 磷石膏庫(kù)的安全現(xiàn)狀，本文對(duì)DS 磷石膏庫(kù)尾礦堆積壩進(jìn)行調(diào)洪演算與穩(wěn)定性分析。

2 DS 磷石膏庫(kù)防洪安全復(fù)核

2.1 洪水計(jì)算

根據(jù)企業(yè)地理位置查《湖北省水文手冊(cè)》，計(jì)算得水文參數(shù)，采用推理公式求得各區(qū)域洪峰流量、匯流時(shí)間與24 小時(shí)洪水總量。計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 洪水計(jì)算結(jié)果

2.2 防洪安全復(fù)核

DS 磷石膏庫(kù)等別為三等，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50863-2013），設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為500 年一遇。周邊截水溝按照Ⅱ類(lèi)一般工業(yè)固廢標(biāo)準(zhǔn)校核，防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期取50 年一遇。

2.2.1 DS 磷石膏庫(kù)內(nèi)防洪安全復(fù)核

目前，場(chǎng)內(nèi)簡(jiǎn)易排水斜槽- 排水涵管已實(shí)施反濾封堵，場(chǎng)內(nèi)來(lái)水依靠現(xiàn)有調(diào)蓄庫(kù)容進(jìn)行調(diào)蓄，根據(jù)DS 磷石膏庫(kù)現(xiàn)狀地形圖，堆積壩頂部408.7m 標(biāo)高以下形成的調(diào)洪庫(kù)容約為204.72×104m3，DS 磷石膏庫(kù)內(nèi)防洪安全分析按照全面積匯流計(jì)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(xiàn)狀條件下庫(kù)內(nèi)調(diào)蓄庫(kù)容遠(yuǎn)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(guò)現(xiàn)狀調(diào)洪演算分析，在500 年一遇洪水運(yùn)行工況下，DS磷石膏庫(kù)內(nèi)調(diào)蓄庫(kù)容遠(yuǎn)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(kù)內(nèi)兩次500 年一遇形成的一次24h 洪水總量相互疊加，當(dāng)洪水占用場(chǎng)內(nèi)調(diào)蓄庫(kù)容59.24×104m3，洪水期場(chǎng)內(nèi)最高洪水位為402.1m。

2.2.2 截水溝防洪安全復(fù)核截水溝為清污分流，不參與DS 磷石膏庫(kù)防洪能力計(jì)算，其防洪能力按照50 年一遇進(jìn)行復(fù)核，截水溝過(guò)流能力按照明渠均勻流公式計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)截水溝內(nèi)下泄流量為截水溝以上對(duì)應(yīng)匯水面積內(nèi)50 年一遇洪峰流量2.59 m3/s 時(shí)，溝內(nèi)水深為0.47m，相應(yīng)安全超高為0.33m，截水溝防洪能力滿足相應(yīng)要求。

3 尾礦堆積壩穩(wěn)定分析

分別考慮壩內(nèi)正常水位、洪水水位、地震+洪水水位三種工況，計(jì)算壩體內(nèi)侵潤(rùn)線位置、水力坡降。正常水位以目前該壩內(nèi)水位為準(zhǔn)，根據(jù)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(jù)調(diào)洪演算得知，位于高程402.1m，安全超高為6.6m，大于尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50863-2013）中規(guī)定的三等庫(kù)滿足最小安全超高0.7m，符合條件。該壩體場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅵ度，計(jì)算時(shí)取地震加速度值為0.05g。

3.1 壩體滲透穩(wěn)定性分析方法

滲透計(jì)算選用有限單元法，設(shè)置邊界條件，計(jì)算浸潤(rùn)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(gè)單元的集合體代替連續(xù)的滲流場(chǎng)，單元間的結(jié)合點(diǎn)稱(chēng)結(jié)點(diǎn)。選擇簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系近似地表示單元上的水頭分布，最后解得滲流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)處滿足一定精度的水頭值。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50863-2013），尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)壩體材料及壩基巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，考慮各種荷載組合，經(jīng)計(jì)算確定。尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算采用規(guī)范推薦的簡(jiǎn)化畢肖普法（總應(yīng)力）。

3.3 DS 磷石膏庫(kù)穩(wěn)定最小安全系數(shù)

本地區(qū)地震烈度為6 度，采用畢肖普法計(jì)算時(shí)，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，在壩體穩(wěn)定性計(jì)算分析中，考慮正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行、特殊運(yùn)行三種工況。得出DS 磷石膏庫(kù)壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)指標(biāo)為：水位處于正常水位時(shí)，K≥1.30；水位處于最高洪水位時(shí)，K≥1.20；水位處于最高洪水水位且遇到設(shè)計(jì)烈度地震時(shí)，K≥1.15。

3.4 軟件計(jì)算及結(jié)果分析

計(jì)算軟件采用Autobank 軟件[2][4]。Autobank 軟件是由河海大學(xué)針對(duì)我國(guó)水利行業(yè)的要求而設(shè)計(jì)的，采用有限元技術(shù)，可對(duì)堤防、土壩、涵洞、水閘等水工建筑物進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。它可將滲流、穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算實(shí)現(xiàn)一體化，使各計(jì)算階段無(wú)縫結(jié)合。通過(guò)計(jì)算，可以獲得浸潤(rùn)線位置、所有節(jié)點(diǎn)水頭值、不同百分比的等勢(shì)線等成果。該程序輸入?yún)?shù)較少，使用簡(jiǎn)便，同時(shí)計(jì)算結(jié)果具有較高的精度，可以滿足實(shí)際工程的技術(shù)和精度要求。

選取最大壩高截面作為計(jì)算剖面。使用Autobank 水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)建立材料分區(qū)模型、有限元網(wǎng)格模型。

磷石膏及壩體物理力學(xué)參數(shù)參考國(guó)內(nèi)已有工程選取，壩基基巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)企業(yè)相關(guān)報(bào)告確定。計(jì)算所選取各種參數(shù)如表2、表3 所示。

表2 巖土層滲透系數(shù)表

表3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)

在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行及特殊運(yùn)行（洪水+地震）工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總與評(píng)估如表4 所示。

表4 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總

4 結(jié)論

本文研究了DS 磷石膏庫(kù)資料，利用資料進(jìn)行了調(diào)洪演算與穩(wěn)定性分析計(jì)算。

經(jīng)調(diào)洪演算分析，在500 年一遇洪水運(yùn)行工況下，DS 磷石膏庫(kù)內(nèi)調(diào)蓄庫(kù)容遠(yuǎn)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(yīng)要求。

經(jīng)穩(wěn)定性分析計(jì)算，DS 磷石膏庫(kù)在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行、特殊運(yùn)行（洪水+地震）的工況之下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.39515，1.20112，1.15129，分別大于規(guī)范值1.30，1.20，1.15。

結(jié)合分析結(jié)果，本文建議DS 磷石膏庫(kù)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行“三同時(shí)”管理，做到本質(zhì)安全；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理；加強(qiáng)安全檢查；隱患及時(shí)治理；加強(qiáng)安全培訓(xùn)教育：加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控；制訂應(yīng)急預(yù)案并演練，有備無(wú)患。