連續降雨對尾礦壩穩定性的影響分析

劉余欣，易飛，徐裕華，樊莉

（1.南昌大學第一附屬醫院，江西 南昌 330006；2.江西工業貿易職業技術學院，江西 南昌 330038）

1 引言

尾礦壩作為一種礦石尾料堆積形成的工業構筑物，一旦發生潰壩破壞力極強。相關統計結果表明[1]，尾礦壩潰壩造成的損失在世界范圍內的各類災害中排名第18位。例如，發生在1997年圭亞那的尾礦壩潰壩事件造成了20多人死亡的嚴重后果[2]；發生在2008年的陜西臨汾尾礦壩潰壩事故累積造成128人死亡，35人受傷[3]。由此可見，尾礦壩潰壩造成的危害性極大。以往的研究表明[4-5]，尾礦壩的失穩潰壩往往發生于連續降雨期間，連續降雨會增加壩體的飽和度，降低土體的基質吸力，使得土體抗剪強度下降，最終導致尾礦壩失穩破壞。鑒于上述原因，對連續降雨期間尾礦壩失穩的機制進行分析并采取有針對性的措施進行預防是極為有必要的。

本文從某尾礦壩實際工程案例出發，利用GeoStudio軟件分析了連續降雨條件下該尾礦壩總水頭、浸潤線以及壩坡穩定性的變化情況，為降雨入滲條件下的尾礦壩滲流及穩定性分析提供了參考，結論可供類似工程參考應用。

2 滲流及穩定性計算原理

2.1 滲流計算原理

尾礦壩的滲流問題屬于連續介質的飽和-非飽和非恒定滲流問題，連續介質飽和-非飽和非恒定滲流理論問題的描述及其求解概要敘述如下。

2.1.1 滲流控制方程

假設水在非飽和土體中仍舊能滿足達西定律，水流在滿足連續性原理的同時孔隙氣壓力不隨時間變化，在忽略不同流體流動同土結構平衡條件之間的相互作用條件下，飽和-非飽和區土地地下水的非穩定滲流控制方程可以寫成：

當（1）式中總水頭H恒定不變時，地下水穩態流控制方程可以寫成：

上式中，H為總水頭，h為壓力水頭，y為位置水頭，總水頭為壓力水頭和位置水頭之和，即H=h+y。當處于飽和區時，滲透系數為飽和值，與h大小無關；當處于非飽和區時，滲透系數是壓力水頭的函數；kx、ky分別代表x與y方向的滲透系數；Q為微元體邊界流量；mw代表體積含水量變化系數，其值為土水特征曲線的斜率；γw為水的容重。

2.1.2 邊界條件

在水位變動的條件下，尾礦壩滲流問題的邊界條件可以寫成：

上式中，H（x,y）表示在二維條件下尾礦壩的某一邊界S在t時刻的水頭，根據尾礦壩的庫水位變動條件，可確定邊界S的水頭邊界值H1(x,y,t)。

2.1.3 有限元計算方法

由式（1）和（3）構成滲流問題的定解條件，由該定解條件，通過適當的數學方法可求出尾礦壩滿足邊界條件（3）的唯一水頭分布的解。

2.2 穩定性計算原理

本次邊坡穩定性計算采用的方法為剛體極限平衡法，以簡化Bishop法為主。為了便于對結果對比分析，同時采用瑞典圓弧法以及摩根斯坦-普萊斯法對邊坡穩定性進行計算。簡化Bishop法的基本原理為條分法，其假設條塊間的作用力方向只為水平方向，以此建立整體力矩平衡方程并進行求解。簡化Bishop法在忽略條塊間的豎向剪力并簡化安全系數的求解過程同時，精度卻幾乎沒有降低，在工程中被廣泛運用，該法已被寫入各國的相關規程中。

3 工程實例

3.1 數值模型的建立

本次研究的尾礦壩壩體材料主要包括尾細砂、尾粉砂、粉質黏土、填土以及塊石棱體等，根據其典型剖面建立有限元網格模型，見圖1，該網格模型共有7486個節點，7293個單元。

圖1 計算模型網格圖

3.2 材料的參數

通過一系列室內土工試驗并參考相關勘察報告，最終確定了尾礦壩壩體中各個材料計算所需的力學參數數值，如表1所示。

3.3 計算工況

本次計算選取的計算工況為尾礦壩在上游正常水位運行條件的前提下，同時以50mm/d的降雨強度（暴雨）連續降水3天，計算此時尾礦壩的滲流及壩坡穩定性。由于壩體材料中尾砂的滲透系數較低，雨水不可能完全滲入到壩體內部材料，大量雨水集結于坡體表面形成徑流被排出，因此本次計算不考慮徑流對計算結果的影響。

材料物理力學參數表 表1

穩定性計算成果匯總表 表2

3.4 計算結果

3.4.1 滲流計算結果

利用Geostudio軟件的滲流模塊對上述建立的模型進行滲流計算，獲得尾礦壩在上述工況下的滲流計算結果，如圖2所示。

由圖2可知，連續降雨3天后壩體的總水頭相較于降雨一天后的總水頭有明顯提升。隨著雨水不斷滲入到壩體內部，壩體的飽和度持續增加，壩體材料的滲透系數也隨之增加。降雨3天后壩體內部浸潤線的高度相較于第一天有明顯增加，壩體失穩的可能性也隨之增加。

3.4.2 穩定性計算結果

圖2 連續降雨條件下尾礦壩總水頭圖

將上述滲流計算結果導入到GeoStudio軟件的穩定性計算模塊，利用軟件內置的簡化bishop法對壩體的穩定性進行計算，結果如圖3所示。

圖3 連續降雨一天后尾礦壩壩體穩定分析圖

由圖3可知，在連續降雨一天后壩體的安全系數為0.919，明顯小于《尾礦設施設計規范》（GB 50863-2013）[6]規定的最低安全系數1.25，尾礦壩壩體會發生失穩。為了便于比較分析，同時給出了連續降雨2天、3天以及3種不同算法計算得出的安全系數值，見表2。從表2可以看出，隨著降雨時間的增加，尾礦壩壩體的穩定系數進一步下降，連續降雨3天后，由簡化Bishop法計算得出的安全系數僅為0.766，明顯小于規范規定的最低安全系數，極易發生潰壩。

4 結論

本文運用GeoStudio軟件內置的滲流及穩定性計算模塊對連續降雨條件下的尾礦壩滲流及穩定性情況進行分析，得出的主要結論如下：

①連續降雨條件下，壩體的總水頭明顯上升，壩體材料逐漸趨于飽和，浸潤線明顯抬升，進而導致壩體失穩，且隨著降雨時間的增加，壩體的安全系數進一步下降；

②在連續降雨條件下，應做到對尾礦壩位移的24小時監測，及時采取措施應對發生的突發情況，避免潰壩現象的發生。