王 莎，梅國(guó)棟，謝旭陽(yáng)

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)8 869座[1]，隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開(kāi)采，尾礦排放規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，受土地資源的限制，不少尾礦庫(kù)在達(dá)到設(shè)計(jì)高程后加高等，這造成了巨大的安全隱患[2]。尾礦庫(kù)的安全關(guān)系到礦山生產(chǎn)的整體安全性，尾礦潰壩事故的特點(diǎn)是，發(fā)展迅速、沖擊力強(qiáng)、變形量大、流動(dòng)特性復(fù)雜[3]，尤其當(dāng)尾礦庫(kù)下游存在村莊或重要設(shè)施時(shí)，潰壩事故將造成更加嚴(yán)重的后果，這使得尾礦庫(kù)的安全預(yù)警工作顯得尤為重要。

對(duì)于上游式尾礦庫(kù)，庫(kù)內(nèi)水持續(xù)向下游滲透，產(chǎn)生滲透壓力并降低筑壩料自身的抗剪強(qiáng)度，滲流作用不僅降低壩坡的抗滑穩(wěn)定性[4-5]，若從堆積壩面逸出，還會(huì)產(chǎn)生滲流破壞，如管涌、流土等，破壞壩體局部結(jié)構(gòu)。因此，浸潤(rùn)線(xiàn)的監(jiān)測(cè)及準(zhǔn)確預(yù)警工作對(duì)尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性的作用。

目前，浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值的計(jì)算缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，若單純依靠規(guī)范所規(guī)定的浸潤(rùn)線(xiàn)最小埋深來(lái)確定預(yù)警閾值，不考慮壩體浸潤(rùn)線(xiàn)隨壩高等因素的變化，與實(shí)際工程差異較大，空?qǐng)?bào)、誤報(bào)率較高，對(duì)實(shí)際工程不具備指導(dǎo)作用。基于此，本文開(kāi)展了尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值的確定方法研究，為尾礦庫(kù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警值設(shè)計(jì)提供了工程借鑒。

1 浸潤(rùn)線(xiàn)紅色預(yù)警閾值計(jì)算方法

尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值計(jì)算方法詳見(jiàn)圖1。首先，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[6]確定尾礦庫(kù)等級(jí)，確定尾礦庫(kù)的最小干灘長(zhǎng)度、最小安全超高、最小浸潤(rùn)線(xiàn)埋深、穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求；其次，建立滲流計(jì)算模型，設(shè)置合理的邊界條件進(jìn)行浸潤(rùn)線(xiàn)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足最小干灘長(zhǎng)度、安全超高、浸潤(rùn)線(xiàn)埋深及穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，從而確定臨界控制浸潤(rùn)線(xiàn)；最后，對(duì)應(yīng)臨界控制浸潤(rùn)線(xiàn)及測(cè)點(diǎn)的空間位置，獲得各測(cè)點(diǎn)的各級(jí)預(yù)警閾值。

圖1 尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值計(jì)算方法邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Logical structure diagram of the phreatic line warning threshold calculation method

2 浸潤(rùn)線(xiàn)邊界條件及計(jì)算工況的要求

尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線(xiàn)計(jì)算水位邊界條件，首先應(yīng)滿(mǎn)足最小安全超高與最小干灘長(zhǎng)度的要求，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)，上游式尾礦堆積壩最小安全超高與及干灘長(zhǎng)度要求應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 上游式尾礦堆積壩的最小安全超高與最小干灘長(zhǎng)度

尾礦壩浸潤(rùn)線(xiàn)的確定還應(yīng)分析放礦、雨水和地震等因素對(duì)尾礦壩浸潤(rùn)線(xiàn)的影響，尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)線(xiàn)的最小埋深除應(yīng)滿(mǎn)足壩坡抗滑穩(wěn)定的條件外，為了防止?jié)B透破壞的發(fā)生，浸潤(rùn)線(xiàn)的埋深應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足表2的要求。

表2 尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)線(xiàn)的最小埋深

尾礦壩應(yīng)滿(mǎn)足靜力、動(dòng)力穩(wěn)定要求，根據(jù)確定的浸潤(rùn)線(xiàn)，進(jìn)行尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算，不同計(jì)算方法要求的最小安全系數(shù)不同，以畢肖普法為例，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應(yīng)小于表3規(guī)定的數(shù)值，位于地震區(qū)的尾礦庫(kù)，尾礦壩應(yīng)采取可靠的抗震措施。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)

3 化引干灘長(zhǎng)度法計(jì)算壩體浸潤(rùn)線(xiàn)

滲流計(jì)算中邊界條件的選取，直接決定了尾礦壩中浸潤(rùn)線(xiàn)的分布形式。若按照干灘長(zhǎng)度紅色預(yù)警閾值，不考慮放礦水對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)的影響，則計(jì)算浸潤(rùn)線(xiàn)較實(shí)際監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)線(xiàn)偏低，基于此，本文提出采用化引干灘長(zhǎng)度作為庫(kù)內(nèi)滲流邊界條件來(lái)計(jì)算壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，即根據(jù)紅色預(yù)警的干灘長(zhǎng)度進(jìn)行換算，獲得化引灘長(zhǎng)和化引庫(kù)水位。從下游坡浸潤(rùn)線(xiàn)上端點(diǎn)至計(jì)算庫(kù)水位水邊線(xiàn)用對(duì)數(shù)曲線(xiàn)連接成光滑曲線(xiàn)，作為沉積灘部分的浸潤(rùn)線(xiàn)。

放礦水覆蓋絕大部分灘面時(shí)，化引干灘長(zhǎng)度為：

Lh=3.3L0.48

(1)

放礦水覆蓋部分灘面時(shí)，化引干灘長(zhǎng)度為：

Lh=2.26L0.645

(2)

式中：Lh—化引干灘長(zhǎng)，m；L—計(jì)算灘長(zhǎng)，m。

4 浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值設(shè)置

根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面在平面布置圖上的具體位置，對(duì)原始地形圖和壩體同時(shí)進(jìn)行切割，獲得壩體穩(wěn)定性和滲流計(jì)算的剖面。結(jié)合浸潤(rùn)線(xiàn)實(shí)測(cè)值、滲流計(jì)算結(jié)果及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，獲得控制浸潤(rùn)線(xiàn)。參照控制浸潤(rùn)線(xiàn)及堆積壩外坡測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的浸潤(rùn)線(xiàn)埋深紅色預(yù)警閾值。根據(jù)《尾礦庫(kù)在線(xiàn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51108—2015)[7]，尾礦庫(kù)堆積壩外坡浸潤(rùn)線(xiàn)埋深的橙色預(yù)警閾值取紅色預(yù)警閾值的1.1倍。尾礦庫(kù)堆積壩外坡浸潤(rùn)線(xiàn)埋深的黃色預(yù)警閾值取紅色預(yù)警閾值的1.2倍。

5 計(jì)算案例

本文所研究尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高125.0 m，堆積壩壩高96.0 m，初期壩壩高29.0 m，總庫(kù)容約5 588.0萬(wàn)m3，屬于二等庫(kù)，因此，按照規(guī)范要求，該尾礦庫(kù)最小安全超高為1.0 m，最小干灘長(zhǎng)度為100.0 m，浸潤(rùn)線(xiàn)最小埋深為6.0 m。

尾礦庫(kù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置詳見(jiàn)圖2。該工程在主壩位置設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在各級(jí)子壩及初期壩頂端共計(jì)埋設(shè)15個(gè)浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)孔。

根據(jù)規(guī)范要求，該等級(jí)尾礦庫(kù)采用畢肖普法的允許安全系數(shù)為1.35；特殊工況允許安全系數(shù)為1.15。庫(kù)區(qū)各巖土層抗剪強(qiáng)度及滲流計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表4。

圖2 尾礦庫(kù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.2 The location map of the phreatic line monitoring points in tailings pond online monitoring system

表4 尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)各巖土層抗剪強(qiáng)度及滲流計(jì)算參數(shù)

根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果，該尾礦庫(kù)的紅色預(yù)警干灘長(zhǎng)度為300 m。本工程放礦水覆蓋絕大多數(shù)灘面，因此，采用公式(1)計(jì)算的化引干灘長(zhǎng)度，結(jié)果為51.0 m，相應(yīng)的水位為624.7 m。

根據(jù)化引干灘長(zhǎng)度確定的水位，設(shè)置滲流計(jì)算的水位邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算，獲得壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行復(fù)核，獲得基準(zhǔn)浸潤(rùn)線(xiàn)。然后開(kāi)展壩體滲流-應(yīng)力耦合分析，獲得壩體在不同工況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，并與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，若安全系數(shù)值大于規(guī)范要求，則將上述基準(zhǔn)浸潤(rùn)線(xiàn)向上平移，直至安全系數(shù)小于或等于規(guī)范值，此時(shí)的浸潤(rùn)線(xiàn)為臨界浸潤(rùn)線(xiàn)。若在上述移動(dòng)過(guò)程中，浸潤(rùn)線(xiàn)最小埋深小于或等于規(guī)范要求時(shí)(本工程為6.0 m)，則停止搜索，此時(shí)的浸潤(rùn)線(xiàn)即為臨界浸潤(rùn)線(xiàn)。

按照上述過(guò)程，最終確定的尾礦庫(kù)臨界浸潤(rùn)線(xiàn)如圖3所示，由穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，在此浸潤(rùn)線(xiàn)下，正常工況的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.66，大于規(guī)范要求的1.35；地震工況的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.37，大于規(guī)范要求的1.15。根據(jù)結(jié)果可知，在此計(jì)算案例中，穩(wěn)定性對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)并不起到控制作用。

圖3 尾礦壩臨界浸潤(rùn)線(xiàn)及穩(wěn)定性結(jié)果(正常工況和地震工況)Fig.3 The critical position of the phreatic line and the stability calculation result (normal and seismic working condition)

根據(jù)上文計(jì)算的臨界浸潤(rùn)線(xiàn)，對(duì)應(yīng)各測(cè)點(diǎn)的高程位置，可獲得各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處的浸潤(rùn)線(xiàn)紅色預(yù)警、橙色預(yù)警和黃色預(yù)警閾值，詳見(jiàn)表5所示。

表5 尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各級(jí)預(yù)警閾值

6 結(jié)論

本文梳理了尾礦庫(kù)相關(guān)規(guī)范中有關(guān)浸潤(rùn)線(xiàn)的控制要求，整理了尾礦壩控制浸潤(rùn)線(xiàn)計(jì)算的邏輯結(jié)構(gòu)，并結(jié)合某尾礦庫(kù)實(shí)際工程，對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了如下結(jié)論：

1)尾礦庫(kù)壩坡浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值的確定需考慮諸多因素，如壩坡穩(wěn)定性、干灘長(zhǎng)度、最小安全超高、受力狀態(tài)等，同時(shí)與微觀(guān)因素如尾礦顆粒級(jí)配、塑限、液限值等有關(guān)，限于篇幅，本文不做微觀(guān)因素的研究?？紤]到浸潤(rùn)線(xiàn)是壩坡穩(wěn)定性的主要影響因素，提出采用壩坡穩(wěn)定性計(jì)算及相關(guān)規(guī)范要求來(lái)綜合確定控制浸潤(rùn)線(xiàn)高度。

2)由于采用干灘長(zhǎng)度紅色預(yù)警值作為滲流邊界條件時(shí)計(jì)算的浸潤(rùn)線(xiàn)埋深較實(shí)際值偏大，本文提出了采用化引干灘長(zhǎng)度計(jì)算公式確定壩體臨界浸潤(rùn)線(xiàn)的方法。同時(shí)，考慮到該工況水位一般高于洪水工況，因此，不再?gòu)?fù)核洪水工況的壩坡穩(wěn)定性，因此，在浸潤(rùn)線(xiàn)預(yù)警閾值計(jì)算中，僅考慮正常工況和地震工況兩種情況。

3)尾礦庫(kù)臨界浸潤(rùn)線(xiàn)埋深的確定，宜根據(jù)滲透破壞試驗(yàn)，綜合調(diào)洪演算、穩(wěn)定性分析等因素綜合決定，僅考慮單一因素將產(chǎn)生較大的誤差。