王曉東，李小萌，黃海云

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南民族大學(xué)，昆明 650500；3.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，昆明 650091)

基于滲流分析對某尾礦庫壩體穩(wěn)定性研究

王曉東1，李小萌2，黃海云3

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南民族大學(xué)，昆明 650500；3.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，昆明 650091)

滲流破壞是影響尾礦庫穩(wěn)定性的重要因素之一，對尾礦庫工程的滲流進(jìn)行研究十分必要。本文以某尾礦庫工程為研究對象，通過現(xiàn)場勘察得到了該工程的基本狀況，應(yīng)用ANSYS軟件對其副壩的滲流場、超孔隙水壓力和滲透破壞情況進(jìn)行模擬和分析。認(rèn)為該尾礦庫工程存在滑塌、尾礦砂液化及流土滲流破壞的可能，應(yīng)該對其進(jìn)行綜合治理。并針對該尾礦庫工程的治理提出了一些可行性建議。

尾礦庫；尾礦壩；滲流；穩(wěn)定性

1 引言

本文以云南省昆明市安寧市縣街鎮(zhèn)某尾礦庫作為研究對象進(jìn)行研究。該尾礦庫的已使用庫存已接近一期規(guī)劃的目標(biāo)，為保證采選的工程生產(chǎn)安全及可持續(xù)發(fā)展，決定對尾礦庫副壩進(jìn)行加高增容，以滿足生產(chǎn)之需。加高后，副壩整體穩(wěn)定性降低，有沿下部粉質(zhì)黏土層滑動的可能，為解決副壩加高后穩(wěn)定性問題，需要采取措施進(jìn)行加固治理：副壩下游坡腳設(shè)置抗滑樁、壩體坡面噴錨防護(hù)、馬道支護(hù)樁、壩腳重力式擋土墻及局部貼坡反壓等。本文主要對加固后的尾礦庫副壩的穩(wěn)定性進(jìn)行滲流分析。

2 尾礦壩概況

2.1 初期壩

尾礦庫主壩初期壩為碾壓式土石壩。壩高52 m，壩頂寬4.5 m，壩頂高程2 040 m，對應(yīng)庫容280.0×104m3，上游壩坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比為1∶1.2；高程2 025.0～2 010.0 m坡比為1∶1.2；高程2 010.0～1 990.0 m坡比為1∶1.5，在標(biāo)高2 025.0 m和2 010.0 m各設(shè)2 m寬的馬道。初期壩下游壩坡二期工程采用碾壓堆石加固，高程2 040.0～2 025.0 m坡比為1∶2.0；高程2 025.0～2 010.0 m坡比為1∶2.25；高程2 010.0～1 995.0 m坡比為1∶2.5；高程1 995.0～1 984.0 m坡比為1∶2.5。在標(biāo)高2 025.0 m、2 010.0 m和1 995.0 m各設(shè)1.5 m寬的馬道。

2.2 副壩初期壩

一期副壩為碾壓式土石壩。壩高40 m，壩頂寬4.5 m，壩頂高程2 040 m。壩下游壩坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比為1∶1.5；高程2 025.0～2 010.0 m坡比為1∶1.5。在標(biāo)高2 025.0 m設(shè)2 m寬的馬道。

上游壩坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比為1:1.5；高程2 025.0～2 008.0 m坡比為1∶1.5。在標(biāo)高2 025.0 m設(shè)2 m寬的馬道。

下游壩腳漿砌毛石凌體頂高程2 010.0 m，底高程接至實際地面高程，頂寬2.0 m,內(nèi)坡比1∶1.0，外坡比1∶1.0。一期副壩下游與周邊山體形成一封閉區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)無水，庫容49.2×104m3，為空庫度汛。

3 尾礦庫副壩滲流場計算分析

尾礦壩內(nèi)的滲流狀態(tài)是影響尾礦壩安全的重要因素之一，若不能有效的解決滲流問題，將造成巨大損失。在尾礦庫建設(shè)期間，在尾礦庫建設(shè)過程中，需要設(shè)計合理的排滲設(shè)施，同時深入分析尾礦庫的滲流場分布，確保尾礦壩的安全。滲流分析得到的浸潤線位置是壩體安全的生命線，它為尾礦壩邊坡穩(wěn)定、靜力及動力分析提供了基本保障[1-2]。

3.1 副壩二維滲流場分析

針對尾礦庫副壩的滲流場進(jìn)行分析，選取了副壩1-1′、2-2′兩個剖面做為典型剖面，對這兩個剖面的水頭分布情況進(jìn)行分析。分析了副壩采用加固方案的尾礦庫副壩的孔隙水壓力、滲流變形、滲透破壞情況，采用時程法分析地震作用下尾礦庫副壩中孔隙水壓力的變化情況。

滲流分析得到的孔隙水壓力的分布結(jié)果是尾礦庫副壩加固工程進(jìn)行靜力穩(wěn)定性計算及動力耦合分析的基礎(chǔ)[3]。

圖1 1-1′剖面正常水位-孔隙水壓力、正常水位-地震孔隙水壓力等值線圖

圖2 2-2′剖面正常水位-孔隙水壓力、正常水位-地震孔隙水壓力等值線圖

從圖1、圖2位和洪水位時，壩體浸潤線均在尾砂沉積灘外坡表面有出露。

在正常運行情況下，1-1′、2-2′剖面子壩壩腳位置已經(jīng)出現(xiàn)了輕微的浸潤線逸出現(xiàn)象。在洪水運行情況下，1-1′、2-2′剖面浸潤線在尾砂沉積灘外坡表面距副壩初期壩壩頂2.948 m標(biāo)高出露，洪水位較正常水位時的壩體浸潤線抬升了2.948 m。

浸潤線從尾砂沉積灘外坡面逸出將導(dǎo)致壩坡濕潤或沼澤化，過高的浸潤面增加了滑坡的可能性，受長期的滲流作用及氣溫變化、降雨等因素的影響，壩坡土體的抗剪強度減小，局部滲透破壞，導(dǎo)致滑塌的可能性加大。

尾礦庫副壩內(nèi)坡由于有土工膜防滲，故在壩前位置的浸潤線有壅高的現(xiàn)象；而土工膜之后的初期壩的滲透系數(shù)比土工膜大很多，所以在土工膜后的浸潤線有很大程度的陡降。

由尾礦庫副壩1-1′、2-2′剖面滲流場和動力場的耦合分析看，尾礦庫副壩內(nèi)坡土工膜防滲的存在，使尾礦庫庫底孔隙水壓力驟升，形成超孔隙水壓力，見圖1、圖2。

3.2 超孔隙水壓力分析

尾礦庫副壩1-1′、2-2′剖面超孔隙水壓力計算結(jié)果見圖3、圖4。正常水位時，1-1′剖面最大超孔隙水壓力為235.1 kPa，洪水位時，1-1′剖面最大超孔隙水壓力為228.5 kPa；正常水位時，2-2′剖面最大超孔隙水壓力為275.5 kPa；洪水位時，2-2′剖面最大超孔隙水壓力為266.1 kPa。從計算結(jié)果看，1-1′、2-2′剖面在地震作用下，正常水位時的超孔隙水壓力較洪水位時高。

圖3 1-1′剖面正常水位-地震孔隙水壓力、洪水位-地震孔隙水壓力等值線圖

3.3 滲透破壞分析

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，對于無黏性土，若不均勻系數(shù)小于等于5，則滲透變形可判為流土；無黏性土若不均勻系數(shù)大于5，且細(xì)粒含量大于等于35%，則滲透變形也判為流土。水力梯度較大，流速增大，沿滲流方向的滲透力大于土的有效重度時，土顆粒將懸浮流動形成流土。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)，G.0.7表[4]，無黏性土的允許比降采用下列方法確定：

圖4 2-2′剖面正常水位-地震孔隙水壓力、洪水位-地震孔隙水壓力等值線圖

(1) 以土的臨界水力比降除以1.5～2.0的安全系數(shù)；當(dāng)滲透穩(wěn)定對水工建筑物的危害較大時，取2的安全系數(shù)；對于特別重要的工程也可用2.5的安全系數(shù)。

(2) 根據(jù)表1選用經(jīng)驗值。

根據(jù)尾礦庫尾砂滲透變形試驗[5]，試驗按土樣平均干密度制樣，M1、M2、M3平均干密度分別為：1.69 g/cm3、1.81 g/cm3、1.75 g/cm3。3組土樣的破壞坡降分別為0.93、1.23和1.21，滲透破壞形勢均為流土型破壞。

表1 無黏性土允許水力比降

從計算結(jié)果可以看出，1-1′、2-2′剖面無論是在正常水位，還是洪水位，壩體浸潤線均在尾砂沉積灘外坡表面出露，Y方向水力梯度最大，2-2′剖面最大Y方向水力梯度iy-max=1.048，有發(fā)生流土滲流破壞的可能。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過加固后的尾礦庫副壩，用模袋法加高至+2 049 m時，無論是在正常水位和洪水位時，壩體浸潤線均在尾砂沉積灘外坡表面有出露。由于尾礦庫副壩內(nèi)坡有土工膜防滲，故在壩前位置的浸潤線有壅高的現(xiàn)象；而土工膜之后的初期壩的滲透系數(shù)比土工膜大很多，所以在土工膜后的浸潤線有很大程度的陡降。

(2) 在正常運行情況下，子壩壩腳位置已經(jīng)出現(xiàn)了輕微的浸潤線逸出現(xiàn)象。在洪水運行情況下，浸潤線在尾砂沉積灘外坡表面距副壩初期壩壩頂2.948 m標(biāo)高出露。浸潤線從尾砂沉積灘外坡面逸出將導(dǎo)致壩坡濕潤或沼澤化，過高的浸潤面增加了滑坡的可能性，同時因為滲流的長期作用和氣溫降雨的影響，壩坡土體的抗剪強度降低，局部滲透破壞可能嚴(yán)重，導(dǎo)致滑塌的可能性加大。

(3) 從尾礦庫副壩滲流場和動力場的耦合分析來看，尾礦庫副壩內(nèi)坡的土工膜在防滲的同時使尾礦庫庫底孔隙水壓力驟升，產(chǎn)生超孔隙水壓力，引起庫內(nèi)尾砂液化。

(4) 在正常水位和洪水位，壩體浸潤線均在尾砂沉積灘外坡表面出露，根據(jù)滲透變形試驗，尾礦庫尾砂的滲透破壞類型為流土破壞，從計算結(jié)果圖上看Y方向水力梯度最大。Y方向的最大水力梯度iy-max=1.048出現(xiàn)在2-2′剖面上，該位置存在發(fā)生流土滲流破壞的可能。

綜合上述分析可以看出，尾礦庫副壩內(nèi)坡應(yīng)用土工膜進(jìn)行防滲，使得土工膜后的浸潤線產(chǎn)生了陡降，降低了滑坡的可能性，但引起了庫內(nèi)尾砂、尾砂堆積壩坡面浸潤線逸出位置和尾砂堆積壩浸潤線埋深較淺位置的液化，所以應(yīng)該考慮采用其他滲透性強且不易液化的土石料進(jìn)行堆筑。

[1] 寧民霞，王振偉，殷新宇.水對尾礦壩的穩(wěn)定性影響研究[J].礦業(yè)快報,2006，25(5):43-44.

[2] 唐曉玲.粉煤灰工程特性的試驗研究及貯灰壩(尾礦壩)的穩(wěn)定和滲流分析[D].貴州大學(xué),2007.

[3] 呂庭剛,廟延鋼.尾礦庫壩體滲透穩(wěn)定性分析[J].云南冶金，2005,34(2)：12-15.

[4] 中華人民共和國水利電力部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50487-2008)[S].水利電力出版社，1979.

[5] 第一機(jī)械工業(yè)部勘測公司.土工試驗規(guī)程(SL237-1999)[S].1979.

STUDY ON STABILITY OF A TAILINGS DAM BASED ON SEEPAGE ANALYSIS

WANG Xiao-dong1,LI Xiao-meng2,HUANG Hai-yun3

(1.College of Land and Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Nationalities University,Kunming 650500,China; 3.College of Architecture and Planning, Yunnan University,Kunming 650091,China)

Seepage failure is one of the important factors that affect the stability of tailings pond. It is necessary to study the seepage of tailings reservoir. In this paper, a tailings project is taken as the object of study. The basic condition of the project is obtained by field investigation. The seepage field, excess pore water pressure and osmotic damage of the auxiliary dam are simulated and analyzed by ANSYS software. It is believed that the tailings reservoir project has the possibility of slipping, tailings sand liquefaction and soil erosion, and it should get a comprehensive treatment and some feasible suggestions are put forward for the treatment of the tailings project.

tailings reservoir; tailings dam; seepage; stability

1006-4362(2017)02-0070-04

2017-01-03 改回日期： 2017-02-20

TV698.2；TD7

A

王曉東(1991- )，男，陜西渭南人，昆明理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面研究。 E-mail:710356434@qq.com