降雨條件下的尾礦庫壩滲流特性數值模擬研究

朱 蒙，佘彤彤

(江蘇省鴻源招標代理股份有限公司，南京 210000)

0 引 言

尾礦庫壩的安全穩定評價是尾礦壩建設與管理的重要內容，影響尾礦壩安全穩定的影響因素較多，如地震[1-2]、庫水位變動[3-4]、人工開挖[5]及降雨[6-7]，其中降雨導致的尾礦庫的滲流破壞是其失穩的主要因素[8-9]。降雨導致尾礦庫壩內部的水位上升，土體參數銳減，從而引起尾礦庫壩的災害。因此，對尾礦庫壩在降雨條件下的滲流及穩定性研究尤為重要。

國內外學者對降雨條件下的庫壩邊坡滲流穩定性規律進行了大量有益研究。如秦世偉等[10]、郁舒陽等[11]對降雨條件下的不同非飽和參數對邊坡滲流穩定性的影響進行了數值模擬研究；張繼勛等[12]考慮到土工膜壩的破損特性，對其滲流穩定性進行了定量化分析；謝旭陽[13]從4個方面的因素分析了尾礦壩的致災因素，著重建立了降雨條件下的尾礦庫區的預警指標體系；張家榮[14]對尾礦壩在降雨條件下的滲流規律及其破壞原因進行了分析。這些研究多針對降雨的某一個特定過程，其假定成分較大，而尾礦壩的滲流穩定特性更多取決于其先期特性，如前期降雨等[15]。因此，目前針對前期降雨對尾礦壩的滲流穩定性規律的研究較少。

本文針對現有研究的不足之處，以洛陽市澀草湖尾礦庫為工程背景，探討不同類型前期降雨(前鋒型前期降雨、中鋒型前期降雨、后鋒型前期降雨及平均型前期降雨)條件對后期主降雨下的尾礦壩滲透穩定特性的影響，以期為不同類型前期降雨對尾礦壩滲透穩定性規律的認識及其數值計算提供相應的參考。

1 計算理論

1.1 非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為：

(1)

式中：kr為透水率；kij為滲透張量；hc為水頭；Q為源匯；C(hc)為容水度；θ為水頭函數；n為孔隙率；Ss為單位貯水量。

1.2 非飽和邊坡抗滑穩定理論

非飽和邊坡抗滑穩定理論如下：

(2)

2 工程概況

澀草湖尾礦庫擬建于洛陽市欒川縣獅子廟鎮三聯村澀草湖下游的鉆天道與大干溝內，位于爐場溝尾礦庫西北側，南側緊鄰爐場溝和磨溝。見圖1。

圖1 澀草湖尾礦庫衛星圖Fig.1 Satellite map of Shechao Lake tailings reservoir

該庫初期壩為碾壓堆石壩，壩頂標高約1 160.00 m，壩高79 m。初期庫容401.0×104m3，有效庫容293.0×104m3，可為30 000 t/d選廠服務0.5年。后期采用上游法堆壩，設計堆積標高1 280.00 m，平均堆積邊坡1∶5.0，尾礦堆高120 m，總壩高199 m，總庫容5 742.5×104m3，有效庫容4 708.8×104m3，可為30 000 t/d選廠服務7.6年。尾礦庫等別為二等，其主要構造物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。后期加高擴容擬在最終堆積1 280.00 m標高基礎上，繼續采用尾礦上游法加高100 m，設計最終堆積壩壩頂標高1 380.00 m，尾礦庫總壩高299 m，總庫容約13 203.4×104m3，按規范尾礦庫等級為一等庫。

3 模型及參數

選取澀草湖尾礦典型斷面，根據地質勘測資料，其主要分為基巖、尾黏土、尾粉質黏土、尾粉土、尾粉砂、尾細砂和初期壩，見圖2。尾礦壩由圖2所示的初期壩為基礎進行四級堆載，其中oa為110 m定水位邊界，考慮尾礦壩正常運行工況，cde為90 m正常水位下的定水位邊界，abc為降雨入滲邊界，oe為不透水邊界。

圖2 計算模型及模型網格Fig.2 Calculation model and model grid

降雨類型往往存在4種典型形式[16]。取平均型降雨、前鋒型降雨、中鋒型降雨及后鋒型降雨4種典型前期降雨，考慮前期降雨后的主降雨影響，其中前期降雨持續時間為5 d，控制4種不同類型降雨的總降雨量一定，為0.48 m，主降雨過程為持續8 h的強降雨，降雨總量為0.18 m，總降雨持續時間一共設置為10 d。不同降雨工況下的降雨過程曲線見圖3。

圖3 不同降雨工況下的降雨過程曲線Fig.3 Rainfall process curves under different rainfall conditions

尾礦壩的計算力學參數根據室內試驗及現場勘測綜合確定，見表1。

表1 不同材料物理力學性質Tab.1 Physical and mechanical properties of different materials

4 計算成果

4.1 尾礦壩表層孔壓變化

為監測尾礦壩的表層孔壓變化，設置典型監測點(圖2)——上部監測點A與下部監測點B進行監測，其孔壓變化規律見圖4。

圖4 不同表層孔壓監測點孔壓變化Fig.4 Changes of pore pressure at different surface pore pressure monitoring points

由圖4可知，對于主降雨過程中，孔壓有個突然升高的過程，這是因為主降雨的降雨強度較大，屬于“短歷時，強降雨”過程，這時孔壓達到計算時間內的最大值。對下部監測點B來說，不同前期降雨后經歷主降雨過程，最大孔壓趨于一致，即不同類型前期降雨對主降雨過程中的峰值孔壓無影響；而對于上部監測點A而言，不同類型前期降雨對主降雨下的孔壓峰值大小有影響，即后鋒型前期降雨>平均型前期降雨>中鋒型前期降雨>前鋒型前期降雨。

對于停雨后，不同類型前期降雨對停雨后的孔壓影響不大，即不同類型前期降雨在停雨后尾礦壩壩坡不同位置的孔壓變化一致，但是上部監測點、中部監測點與下部監測點的孔壓變化則較為不同。對于上部監測點A來說，停雨后孔壓呈現逐漸降低的趨勢，且降幅較大；而下部監測點B則在停雨后孔壓迅速平穩保持不變，孔壓降幅較小。

4.2 尾礦壩縱深孔壓變化

為監測尾礦壩的縱深孔壓變化，設置典型監測面(圖2)——上部監測面A與下部監測面B進行監測，其孔壓變化規律見圖5。

圖5 不同縱深孔壓監測面孔壓變化Fig.5 Changes of face pressure in different depth hole pressure monitoring

由圖5可見，初始狀態下，上部監測面A在一定高程孔壓保持不變，而下部監測面B則一直保持線性增大的規律。隨著時間的推移，表層孔壓逐漸增大，而下部高程的孔壓增幅則相對較小。降雨結束后，表層的孔壓則緩慢回落，而“濕潤鋒”逐漸向尾礦壩深部發展。值得注意的是，尾礦壩內部距離庫水位區越近，尾礦壩整體上的孔壓也越大。

4.3 尾礦壩安全穩定變化規律

不同工況下的尾礦壩穩定系數變化見圖6。

圖6 安全系數變化Fig.6 Change in safety factor

前期降雨條件下，尾礦壩安全系數呈現持續下降的規律。在主降雨過程中，安全系數降幅更大，最終安全系數降幅逐漸減小并最終趨于穩定?？傮w而言，前鋒型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨與中鋒型降雨，最后是后鋒型降雨。在停雨后，計算時間結束后的不同類型前期降雨安全系數降幅：(平均型前期降雨、前鋒型前期降雨、中鋒型前期降雨及后鋒型前期降雨)分別為12.15%、13.98%、18.87%及25.12%?？梢?，安全系數降幅在逐漸增大的同時，不同類型前期降雨下的安全系數降幅差異也在逐漸增大，呈現出不同類型前期降雨影響尾礦壩長期安全穩定性的規律。

5 結 論

本文依據飽和-非飽和原理，利用巖土分析專業軟件Geostudio，對尾礦壩在前期降雨及主降雨條件下的滲流穩定性進行了數值模擬研究，得出以下結論：

1) 前期降雨過程中，不同前期降雨影響了孔壓最先達到最大的時刻，“短歷時，強降雨”下主降雨過程中，孔壓有個突然升高的過程。停雨后，不同類型前期降雨對停雨后的孔壓影響不大，但是邊坡不同位置表層孔壓變化具有差異。

2) 隨著時間的推移，表層孔壓逐漸增大，而下部高程的孔壓增幅則相對較小。降雨結束后，表層的孔壓則緩慢回落，而“濕潤鋒”逐漸向尾礦壩深部發展。

3) 前期降雨條件下，尾礦壩安全系數呈現持續下降的規律。在主降雨過程中，安全系數降幅更大，然后安全系數降幅逐漸減小并最終趨于穩定。前鋒型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨與中鋒型降雨，最后是后鋒型降雨。