尾礦庫三維滲流模擬及排滲設施對滲流場影響

孫景鵬 宋春山,2 韓紅衛,2 趙林長 馬錫銘

(1.東北農業大學水利與土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省寒區水資源與水利工程重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150030;3.黑龍江省冶金設計規劃院,黑龍江 哈爾濱 150080)

尾礦壩潰壩的主要原因有滲流破壞、壩坡失穩、地震液化、超高堆壩等[1],而尾礦壩內浸潤面過高并從壩面出逸就可能產生滲流破壞,嚴重的將造成壩坡失穩破壞甚至潰壩[2]。尾礦壩一旦潰壩,就會給下游人民生命財產和周邊環境帶來巨大的災難,因此對尾礦壩滲流場進行有效控制很有必要[3-4]。

目前,關于尾礦壩滲流場方面的研究較多,如齊清蘭等[5]采用數值模擬方法,定性分析了初期壩排滲能力、干灘長度及堆積壩下游坡比等因素對尾礦壩浸潤線的影響并對降低浸潤線的若干措施進行了分析;梅聰等[6]對土工席墊進行了等效模擬并賦予相應的等效滲透系數,提出采用土工席墊的排滲措施可增大浸潤面的埋深,有效控制浸潤面。柳厚祥等[7]根據彈性力學和滲流理論提出了耦合問題的力學模型及其控制微分方程,對尾礦壩進行了考慮應力場與滲流場耦合的非穩定滲流分析。尹光志等[8-9]通過數值模擬及室內物理模型試驗方法對尾礦壩滲流規律及影響因素進行了研究,首次考慮了大氣降雨對尾礦壩滲流場的影響。鄧紅衛等[10]通過Midas-GTS軟件建立了尾礦庫三維滲流模型,研究了干灘長度對尾礦壩穩定性的影響,得出了干灘長度與該尾礦庫安全系數之間的函數關系。可見,當前研究通?？紤]了初期壩、干灘長度及大氣降雨等因素對尾礦壩滲流場的影響,并取得了豐富的研究成果。但少有考慮到水平排滲管對滲流場的直接影響及其排滲效果分析。本項目以某山谷型尾礦庫為研究對象,重點是分析尾礦壩布設排滲管前后的滲流場分布及數值計算結果的準確性。由于尾礦庫的滲流受原始地形影響很大,為更真實地模擬尾礦庫實際滲流狀態,建立滲流三維數值分析模型,對尾礦壩不同壩高及布設排滲管前后的滲流場進行對比分析。本次研究考慮了尾礦庫的復雜性及排滲管的影響,為尾礦庫三維滲流安全分析提供了一定的參考依據。

1 數值計算模型

1.1 工程背景

某尾礦庫由Ⅰ#和Ⅱ#尾礦庫組成,2個庫初期壩采用透水堆石壩,上下游坡比為 1∶1.7、1∶2.0,Ⅰ#初期壩壩高39 m,Ⅱ#初期壩壩高37 m,壩頂標高均為440 m。堆積壩采用上游沖積法堆筑,下游平均坡比為1∶5.0。當堆積壩壩頂標高達到460 m時,2個庫合成1個庫。設計總壩高為198 m,總庫容為4.29×108m3,為二等尾礦庫,總服務年限32 a。目前在堆積壩標高443.0 m和450.0 m分別設置了水平排滲管,管長80 m,管底坡度3%～5%,采用63×4.7UPVC花管,外包400 g/m2土工布,間隔60 m布置。庫區地貌分為構造剝蝕低山丘陵、山前堆積臺地及堆積河漫灘。庫區地勢總體上東北高、西南低,地形起伏較大。此次研究時的壩高為70 m,已達到設計最終壩高的1/3,尾礦庫平面布置圖如圖1所示。

圖1 尾礦庫平面布置(單位:m)Fig.1 Layout plan of tailings pond

1.2 理論基礎

尾礦庫正常運行時大部分的滲流狀態屬于層流運動,所以整個尾礦庫滲流場符合達西定律,尾礦作為一種非均質各向異性材料,三維空間穩定滲流基本方程[11]為

式中,h是水頭函數;kx、ky、kz分別是以x、y、z軸為主軸方向的滲透系數。

實際發生穩定滲流時還應滿足以下邊界條件,Γ1和Γ2構成三維空間滲流場的全部邊界。

第一類,邊界上水頭是已知的,即

式中,Γ1為尾礦庫上下游及下游滲出面邊界之和。

第二類,邊界上流量等于零,即

式中,Γ2為不透水邊界;n為Γ2的外法線。

由于滲流自由面沒有流量流入或流出,因此在滲流自由面上除需滿足式(3)外,同時還需滿足:

1.3 模型構建

為更真實地模擬尾礦庫實際滲流狀態,采用Midas-GTS有限元計算軟件進行尾礦庫滲流三維數值模擬。依據尾礦庫設計文件、庫區實際地形地貌建立尾礦庫的三維實體。再根據現場地質勘察資料和規程規范,對尾礦庫材料進行概化分層,壩體典型剖面見圖2。

圖2 壩體典型剖面Fig.2 Typical section of tailings dam

自下而上依次為基巖、塊石混合料、尾粉土、尾細砂和尾中砂,各材料的物理力學特性如表1所示。尾礦庫的三維模型選用莫爾—庫倫模型。定義XOY面為尾礦壩下游基巖最低點水平面,初期壩壩頂最右端在XOY面的投影點為坐標原點,下游向上游方向為X軸的正方向,正法線方向為Y軸正方向,基準面之上為Z軸正方向。

表1 物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters

為了同時滿足精度和計算量的要求,通過反復試算,最終確定每個單元的長度為10 m,初期壩、排滲管、堆積壩及壩肩等對滲流影響較大的關鍵區域進行加密處理。構建的三維滲流模型共劃分為574 397個單元,119

742個節點。三維滲流模型如圖3所示。邊界條件分為:不透水邊界、已知水頭邊界和出滲邊界3種。其中,將尾礦壩灘面確定為已知水頭邊界,堆積壩及初期壩下游坡面確定為出滲邊界,將庫區基巖層及周圍山體確定為不透水邊界。

圖3 三維滲流模型Fig.3 Three dimensional seepage model

2 結果分析

2.1 排滲管的布設與計算工況

在不同壩高的模擬中,考慮了水平排滲管的影響。壩高70m時排滲管的布設將嚴格按照尾礦庫實際布設情況進行。當壩高達到100 m時尾礦庫為二等庫,有必要對其滲流場進行分析,此時排滲管在原有布設情況下,豎直方向上每隔7m布設一層。水平排滲管的模擬參照陳崇希等[12]提出的“等效滲透系數理論”進行,計算工況如表2所示。

表2 研究工況Table 2 Study condition

2.2 模型準確性分析

分別模擬無水平排滲管和增設水平排滲管時,尾礦壩各斷面處的浸潤線位置。為進一步驗證數值模型及計算結果的準確性,把計算結果與實測浸潤線(本文實測浸潤線為壩高70 m,正常水位467.9 m時鉆井點實測浸潤線高程)作對比,定義模擬浸潤線與實測浸潤線的相對誤差ε為:

式中,Hm和Hs分別為尾礦庫浸潤線的模擬值和實測值,規定相對誤差在1.5%之內,便判定為數值計算結果合理。

圖4展示了壩高70m不布設排滲管與布設排滲管時,不同水位下的浸潤線與實測浸潤線位置的對比?？梢钥闯?未布設排滲管時,典型剖面浸潤線與實測浸潤線耦合得并不理想,最大相對誤差為1.34%。布設排滲管后,典型剖面浸潤線與實測浸潤線的誤差明顯變小,最大相對誤差為0.53%,浸潤線耦合良好。說明在進行尾礦庫三維數值模擬時,對水平排滲管進行簡化模擬,與實際情況更為相符,并且數值計算結果合理。

圖4 增設排滲設施前后最大斷面浸潤線模擬值及實測值Fig.4 Simulated and measured values of maximum section infiltration line before and after adding seepage drainage facilities

2.3 無排滲管情況下不同壩高滲流場分布

尾礦壩浸潤線對壩體安全影響較為重要,在浸潤線埋深(埋深指壩面到浸潤線的距離)小到一定程度時,尾礦壩便會發生失穩破壞。根據《GB 50863—2013尾礦設施設計規范》[13]的要求,尾礦堆積壩下游壩坡浸潤線的最小埋深除了要滿足表3外還應滿足一至三級尾礦壩下游坡浸潤線的最小埋深不宜低于6 m,四級、五級尾礦壩不宜低于4 m的設計條件[14]。參照規范要求,本次研究尾礦壩浸潤線最小埋深為6 m。

表3 尾礦堆積壩下游坡浸潤線最小埋深Table 3 Minimum buried depth of phreatic line of downstream slope of tailings dam

圖5為工況2條件下三維滲流場中各斷面的孔隙壓力云圖,云圖中黑色線代表浸潤線位置(本文云圖統一用黑色線代表浸潤線位置)?？梢钥闯?浸潤線自尾礦庫區灘面沿尾中砂分區入滲,最終從2個初期壩下游坡腳附近出滲。浸潤線在堆積壩內分布比較平緩,在初期壩與堆積壩交界處下降較快。各斷面浸潤線埋深較淺,但未發生出逸現象,最小埋深位于1#堆積壩下游壩坡458m高程處,為3.5m,不滿足浸潤線最小埋深需大于6m的安全設計要求,存在安全隱患。水力坡降自堆積壩上游向下游方向逐漸增大,最大水力坡降分布在初期壩內坡腳附近的尾礦堆積壩內,小于該部位尾砂的臨界水力坡降,不會發生滲透破壞。

圖5 運行水位469.3 m時無排滲管浸潤線分布Fig.5 Distribution of infiltration line without drainage pipe at 469.3 m operating water level

圖6為工況5條件下三維滲流場中典型剖面的孔隙壓力云圖。由圖可知,當壩高升至100 m時,浸潤線于高程467 m處逸出堆積壩表面,如不進行處理,極易出現潰壩風險,這將嚴重影響尾礦庫的安全運行,同時也不滿足規范要求。因此有必要設置排滲設施降低浸潤線的位置。

圖6 運行水位498.5 m時未增加排滲設施典型剖面浸潤線分布Fig.6 Infiltration line distribution of typical profile without additional drainage facilities at 498.5 m operating water level

2.4 布設水平排滲管情況下各壩高滲流場分布

圖7、圖8分別為壩高70m和100m時布設排滲管后尾礦庫典型剖面浸潤線云圖?？梢钥闯?布設排滲管后浸潤線的高度在排滲管輻射范圍內明顯降低,浸潤線埋深降低范圍為5～10 m,各斷面浸潤線的埋深均大于6 m安全設計要求。此外,增加排滲管后,浸潤線的變化趨勢有所改善,水力坡降最大值均分布在初期壩內坡腳附近的尾礦堆積壩內,均小于該部位尾砂的臨界水力坡降,不會發生滲透破壞。壩高100 m時在原有排滲設施基礎上每隔7 m高程差布設一層排滲管后,浸潤線下降明顯,證明該布設方案可行,降滲效果顯著,能夠加快尾礦砂的固結速度,提高壩體的排滲能力,保證了尾礦庫的安全穩定運行。

圖7 運行水位469.3m時布設排滲管后浸潤線分布Fig.7 Distribution of infiltration line after laying drainage pipe at 469.3 m operating water level

圖8顯示的典型剖面浸潤線埋深雖然滿足浸潤線最小埋深需大于6m的安全設計要求,但總體來說較為接近。這就意味著擬建的每隔7 m高程差布設一層排滲管基本上能滿足尾礦庫的安全運行,但若實際施工時高程差超過7m或者施工質量存在問題,就會使尾礦庫排滲能力下降,影響尾礦庫的運行安全。因此,在條件允許的情況下應該適當增加排滲管的層數,在日常運行時還應加強監控,一旦發現浸潤線不滿足安全設計要求時,應及時采取措施,保證尾礦庫的安全[13]。

圖8 運行水位498.5 m時增加排滲管后典型剖面浸潤線分布Fig.8 Distribution of infiltration line in typical section after adding drainage pipe at 498.5m operating water level

綜上,尾礦壩加高擴容的過程中,隨著尾礦的不斷堆積,尾礦壩內的浸潤線會逐漸升高,如果處理不當則會出現浸潤線從堆積壩下游坡面出逸的情況。運用Midas-GTS軟件建立尾礦庫滲流三維數值模型,簡化模擬了排滲管的布設,計算浸潤線結果與實測結果相對誤差在合理范圍內,因此通過此模型對增設排滲管前后尾礦庫的滲流場計算具有準確性。從滲流控制效果上來看,合理布置排滲管后,可有效控制壩體內浸潤線埋深和分布,明顯改善滲流場的狀態,從而防止尾礦壩發生滲透破壞,有利于尾礦庫壩體穩定。需要注意的是,由于排滲管在使用過程中會出現淤堵現象,這將使排滲管的排滲能力下降,進而引起尾礦壩浸潤線升高的情況。所以,在日常運行時,應加強管理并定期對尾礦壩浸潤線進行監控,保證尾礦庫正常運行。

3 結 論

本研究針對某山谷型尾礦庫現狀,運用Midas-GTS軟件建立了尾礦庫滲流三維數值模型,并與實測數據進行了比較。在此基礎上對尾礦庫加高擴容后的滲流場進行了模擬并提出了增設排滲管的方案,得出以下結論:

(1)現狀壩高未布設排滲管,典型剖面浸潤線與實測浸潤線最大相對誤差為1.34%;布設排滲管后,典型剖面浸潤線與實測浸潤線的誤差明顯變小,最大相對誤差為0.53%;相對誤差均小于1.5%,說明尾礦庫三維數值模擬計算結果合理。

(2)壩高100 m時,每隔7 m高程差布設排滲管的方案可有效控制尾礦壩體的浸潤線位置,浸潤線埋深整體降低5～10m,明顯改善了滲流場的狀態,保證了尾礦庫的安全穩定運行,但運行過程中應加強監控。