某加高擴容尾礦庫排滲管三維有限元模擬及效果分析

楊強勝

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司）

尾礦壩的浸潤線是尾礦庫的生命線，也是影響尾礦壩安全穩定的重要因素之一［1］。某尾礦庫位于高寒地區，由于冰凍層的存在，隨著尾礦庫后期加高擴容工程子壩的逐漸堆筑，壩體浸潤線進一步抬升，可能出現浸潤線在堆積壩壩坡逸出的情況影響壩體穩定運行，為了有效控制壩體浸潤線必須采取一定工程措施。由于尾礦堆積材料的特殊性，一般情況下，降低浸潤線大都采用碎石排滲帶、土工席墊、集滲盲管、排滲管、排水溝等措施［2-5］。結合某加高擴容尾礦庫建立了該尾礦庫壩體和排滲管的三維有限元精細模型，模擬分析了排滲管設計方案的排滲效果，為設計方案的進一優化提供參考依據。

1 工程概況

某尾礦庫座落在三面環山的河谷中，主谷斷面上口呈寬闊的“U”字形。整體北高南低，地形較緩，高程介于418.4～589.2 m，相對高差170.8 m。大部分為剝蝕低山丘陵，低山海拔一般在500～600 m，丘陵海拔一般在400～500 m，呈圓漫崗狀，地面坡度一般在5°～20°。

尾礦庫初期壩采用碾壓堆石筑壩，壩底標高+437.0 m，壩頂標高+456.0 m，內坡比為1∶2.0，外坡比為1∶2.5，壩頂寬4 m。后期堆積壩采用上游法筑壩，子壩采用碎石混黏性土料堆筑。目前堆積標高為+468.0 m，現狀總壩高約31 m，庫容約為4 500萬m3。為了滿足二期擴建需要，尾礦庫進行加高擴容，壩體周圈主體擬利用采礦剝離廢石建壩形成大型透水尾礦攔擋壩，南側主壩段采用廢石中線法+上游法廢石堆壩。尾礦庫周圈部分利用廢石料主要采取分期外推法加高形成透水攔擋壩。尾礦壩最終堆積標高為+545.0 m，最終庫容達48 576.68萬m3，總壩高108 m。根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）表3.3.1規定，尾礦庫加高擴容后按最終全庫容和最終總壩高考慮，均為二等庫。

尾礦庫加高擴容后，為有效控制壩內浸潤面埋深，擬在尾礦堆積壩外坡+527 m標高設置1層弧形排滲管，后期根據壩內浸潤面實際埋深情況，必要時在+537 m標高再設置1層弧形排滲管，2層排滲管梅花形交錯布置，其平面布置見圖1，縱剖面見圖2。

弧形排滲管均采用槽孔排滲管，貫穿式布置，槽孔管兼作排滲管和通氣管，以盡可能降低尾礦壩浸潤線埋深。每層子壩上層沉積灘面鋪設厚1.5 m，寬45.0 m的廢石褥墊排滲層。貫穿式排滲管采用直徑75 mm槽孔管，開孔率按10%左右控制，外包白鋼網，導水管采用直徑75 mm的PE管。

1#排滲管入土標高+527 m，單根排滲管長145 m，水平間距25 m，共計49根。排滲管出口段導水管長度18 m，其余部分采用全幅和半幅濾水管；2#排滲管入土標高+537 m，單根排滲管長135 m，水平間距25 m，共計49根。出口段導水管規格與1#排滲管相同。所有排滲管分直線段和曲線段2部分，直線段縱坡1%～2%，曲線段最大曲率不大于8°/m。

2 尾礦壩三維滲流有限元模型

2.1 有限元模型網格

選取尾礦庫加高擴容至+545 m時的典型剖面建立精細三維有限元模型，模型底部取初期壩壩底面即絕對高程+438 m，模型頂部高程+545 m，模型范圍包括尾礦庫干灘和匯水區域的一半、主壩、堆積壩和東西兩側攔擋壩的一部分。排滲管通過在模型中添加排水線模擬。有限元模型見圖3，模型節點202 057個，單元總數為549 860個。模型中排滲管近似取直線，模型中排滲管示意見圖4。整個模型單元數總數為490 044個，節點總數675 116個。

2.2 邊界條件

考慮穩定滲流，計算模型邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界、不透水邊界和排滲管的壓力邊界4種。

（1）已知水頭邊界包括庫區上游水位淹沒線以下的尾礦壩面以及攔擋壩上游面等。

（2）出滲邊界包括尾礦壩下游坡面、攔擋壩下游面等。

（3）模型底部按不透水邊界考慮。

（4）排滲管按照排水線處理，管線位置施加孔壓邊界，當排滲管線位置為空，設置該處孔壓為零，水可自由排出；若排滲管全部堵塞，排水線消失，本次研究排水管部分堵塞時，孔壓可按位置水頭值給出。

2.3 計算參數

尾礦庫庫區各巖土層的滲透系數，根據尾礦庫的工程勘察基礎資料并結合相關工程經驗進行選取，如表1所示。

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2.4 計算工況

為了分析排滲管的滲控措施效果，需對比分析不同工況下尾礦壩的滲流性態，本研究考慮以下工況：①工況1，壩體高程+545 m，洪水運行水位+543.43 m，無排滲管；②工況2，壩體高程+545 m，洪水運行水位+543.43 m，有排滲管，排滲管未堵塞；③工況3，壩體高程+545 m，洪水運行水位+543.43 m，有排滲管，排滲管堵塞一半。具體計算工況見表2。

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3 排滲管排滲效果分析

經過有限元法計算分析和整理，洪水運行工況條件下設排滲管時整體模型孔壓分布圖見圖5；不同工況條件下，主壩中軸線縱剖面孔壓分布云圖見圖6。

由圖6可知，尾礦庫加高擴容后，不設滲控措施時，洪水工況下，浸潤線位置較設置排滲設施時高。各種工況條件下，浸潤線的最小埋置深度見表3。由表3可知，未設排滲設施時，浸潤線埋深9.8 m，接近于二等庫最小埋深；設置排滲管，且排滲管暢通時，壩面浸潤線埋置深度最小為14.3 m；排滲管堵塞一半，浸潤線位置略有升高，最小埋置深度為13.7 m。

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設置排滲設施后，尾礦庫沉積灘后匯水池內的水通過尾礦堆積體及排滲管由庫內向庫外下游排出，浸潤線沿排滲管逐漸下降。相同條件下，考慮到尾礦庫運行過程中的不可預見因素，建議設置滲控措施，且施工時應采取必要措施，防止排滲管堵塞。設計的排滲管為彎曲狀，計算時考慮排滲管為水平布置的直管，且排滲管長按100 m考慮，因此現場施工時，應注意排滲管深入壩體直線段的距離不應少于100 m。

4 結 論

（1）從滲流控制效果看，合理布置排滲管，且保證排滲管足夠暢通后，在最不利工況下，浸潤線埋置深度為14.3 m，可滿足滲流控制的要求。

（2）排滲管堵塞，對浸潤線位置有一定影響，排滲管堵塞一半，計算結果顯示浸潤線抬高了0.6 m。

（3）根據計算結果表明，排滲管深入壩體的直線段距離應不少于100 m。