王振興

摘要：關(guān)于干式堆存尾礦庫(kù)防滲方式與三維滲流分析之間的研究很少。某干式尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)采用初期壩內(nèi)坡及庫(kù)區(qū)整體防滲，碎石排滲井及排滲褥墊排滲，使用Autobank_3d建立三維模型，進(jìn)行有無(wú)排滲褥墊條件下的浸潤(rùn)面及浸潤(rùn)線(xiàn)分析。結(jié)果表明：未布設(shè)排滲褥墊時(shí)，下游壩坡右岸拐彎處浸潤(rùn)面埋深較淺，并有出逸區(qū)域出現(xiàn)；布設(shè)排滲褥墊后，浸潤(rùn)面的埋深能達(dá)到12 m以上，即排滲褥墊對(duì)滲流影響顯著。

關(guān)鍵詞：干式尾礦庫(kù)；防滲；三維滲流；排滲褥墊；浸潤(rùn)線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD926.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）05-0088-04doi：10.11792/hj20230519

引言

近年來(lái)，隨著新的環(huán)保政策及GB 18599—2020《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》［1］的實(shí)施，庫(kù)區(qū)防滲成為大多數(shù)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)的基本要求。尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)防滲又分為內(nèi)坡防滲和壩底防滲，內(nèi)坡防滲即防滲體位于初期壩內(nèi)坡及尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)，壩底防滲即防滲體位于初期壩底部及尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)。

對(duì)于濕排尾礦庫(kù)，通常情況下多采用壩底防滲，因?yàn)閮?nèi)坡防滲會(huì)導(dǎo)致浸潤(rùn)線(xiàn)從堆積壩壩面溢出，嚴(yán)重影響壩體穩(wěn)定性。若要控制浸潤(rùn)線(xiàn)埋深，保證壩體安全，運(yùn)營(yíng)期堆積壩排滲設(shè)施至關(guān)重要［2］。對(duì)于近年來(lái)因環(huán)保政策嚴(yán)格而逐漸興起的干式尾礦庫(kù)［3］，多數(shù)仍采用壩底防滲，但初期壩壩底防滲層清基平整工程量大，防滲體施工難度大，造成工程投資增加。目前，少數(shù)干式尾礦庫(kù)采用內(nèi)坡防滲，實(shí)際運(yùn)行效果良好，壩體安全可以保證，但缺少相應(yīng)的理論支撐。

某干式尾礦庫(kù)壩高190 m，初期壩高40 m，堆積壩高150 m，初期壩內(nèi)坡及庫(kù)區(qū)整體防滲（由下至上依次敷設(shè)4 800 g/m2膨潤(rùn)土防水毯+1.5 mm HDPE膜）［4-6］。本文通過(guò)對(duì)某干式尾礦庫(kù)的三維滲流研究，分析了庫(kù)區(qū)排滲褥墊和浸潤(rùn)線(xiàn)之間的關(guān)系，為初期壩內(nèi)坡及庫(kù)區(qū)整體防滲的干式尾礦庫(kù)防滲方式設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論支撐。

1工程概況

某干式尾礦庫(kù)位于豫西某縣，主要用來(lái)堆存金礦尾礦，尾礦脫水選擇5臺(tái)800 m2板框壓濾機(jī)（4用1備）。脫水后尾礦采用槽式皮帶機(jī)輸送至尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)堆存。尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高190 m，其中，初期壩高40 m，堆積壩高150 m，總庫(kù)容約1 707.24萬(wàn)m3，屬于二等庫(kù)。

初期壩為不透水土石壩，筑壩材料采用庫(kù)區(qū)爆破土石料。壩頂標(biāo)高640 m，壩底標(biāo)高600 m，最大壩高40 m，壩長(zhǎng)127 m，壩頂寬5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.75。為滿(mǎn)足環(huán)保要求，在初期壩內(nèi)坡設(shè)防滲層，該防滲層與庫(kù)區(qū)防滲層連為一體，防滲層由下至上依次為：300 mm厚砂礫石保護(hù)層，4 800 g/m2膨潤(rùn)土防水毯和1.5 mm HDPE膜。

尾礦庫(kù)采用上游式尾礦筑壩，最終堆積標(biāo)高790 m，堆積壩高150 m，平均堆積坡度1∶4.0。每級(jí)子壩高10 m，每級(jí)子壩頂部布置5 m寬的馬道。

由于初期壩內(nèi)坡及庫(kù)區(qū)整體敷設(shè)防滲層，為降低庫(kù)區(qū)浸潤(rùn)線(xiàn)埋深，設(shè)計(jì)在初期壩壩踵附近布置一座分期實(shí)施的直徑3 m的碎石排滲井，碎石層外側(cè)布置300 mm厚的砂礫石，砂礫石采用500 g/m2土工布包裹。排滲井底部標(biāo)高610 m，頂部標(biāo)高640 m，排滲井滲水通過(guò)滲流支排水隧洞排至主排水隧洞。

尾礦庫(kù)右岸山坡及溝底布置排滲褥墊，底寬1.5 m，高1.0 m，頂寬3.0 m，其末端與碎石排滲井相連。

2計(jì)算方法及參數(shù)

2.1計(jì)算模型

尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)及壩體具有明顯三維特征，建立較為真實(shí)的三維模型對(duì)滲流場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬具有重要意義。本次計(jì)算使用Autobank_3d建立計(jì)算模型。Autobank_3d是河海大學(xué)研發(fā)的一款三維滲流計(jì)算軟件，能根據(jù)等高線(xiàn)及壩體設(shè)計(jì)斷面生成三維地形、壩體及材料分區(qū)。內(nèi)核計(jì)算模塊采用有限元計(jì)算模塊。尾礦庫(kù)三維模型見(jiàn)圖1，排滲井位置見(jiàn)圖2。尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)縱斷面見(jiàn)圖3。

2.2計(jì)算方法

2.2.1達(dá)西定律

假定尾礦庫(kù)滲透水流的運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，即水的滲流速度與水力坡度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

v=kJ（1）

式中：v為平均滲流速度（m/s）；k為介質(zhì)的滲透系數(shù)（m/s）；J為水力坡度。

在實(shí)際的地下水流中，水力坡度往往各處不同，此時(shí)達(dá)西定律的一般性表達(dá)式為：

v=-kdHds（2）

式中：-dHds為水力坡降。

2.2.2壩坡滲流破壞判別

地下水在土體內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，作用在土體中的滲流作用力有2種，靜水壓力（浮容重）和動(dòng)力壓力（滲透力），均為體積力。

位于自由水面以下壩坡表面層的單位土體，只有當(dāng)靜水壓力與動(dòng)水壓力的合力克服了土體顆粒對(duì)其的摩擦阻力時(shí)，土體才可能沿斜坡下滑。若滲流的流線(xiàn)與水平面之間的夾角為θ，壩坡坡角為β，則斜坡表面單位土體力的極限平衡方程式為：

γ′sin β+γwJccos（β-θ）=

γwJcsin（β-θ）］tan φ+C（3）

式中：γ′為靜水壓力（kN/m3）;γw為水容重（kN/m3）；Jc為臨界水力坡度;φ為土體的內(nèi)摩擦角（°）;C為內(nèi)聚力（kPa）。

在壩體浸潤(rùn)線(xiàn)與壩坡交點(diǎn)處，由于浸潤(rùn)線(xiàn)與壩坡面相切，此處的流線(xiàn)平行于壩坡面向下，即θ= β，由極限平衡方程式得臨界水力坡度為：

Jc=γ′γwcos β（tan φ-tan β）+Cγw（4）

因沿壩坡面，水力坡度Jc=sin β。假定γ′＝γw，則得tan β=12tan φ，即為邊坡保持穩(wěn)定的臨界狀態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式。此式可作為判斷壩坡在滲流出逸時(shí)發(fā)生滲流破壞的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)tan β<12tan φ時(shí)，壩坡在滲流出逸時(shí)將不會(huì)發(fā)生滲流破壞；當(dāng)tan β=12tan φ時(shí)，壩坡處于極限平衡狀態(tài)；而當(dāng)tan β>12tan φ時(shí)，則壩坡將發(fā)生滲流破壞。

對(duì)于尾礦庫(kù)內(nèi)堆存的尾砂，由于其內(nèi)聚力C一般較小，內(nèi)摩擦角一般在25°～30°。如果堆積壩平均堆積坡比高于1∶3，則會(huì)出現(xiàn)壩坡出逸；若未布置貼坡反濾，壩坡滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)比較大，因此應(yīng)該盡量避免壩坡出逸。

2.3計(jì)算參數(shù)

為了防止尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)尾砂滲濾液污染環(huán)境，依據(jù)GB 18599—2020 《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》［1］和HJ 943—2018 《黃金行業(yè)氰渣污染控制技術(shù)規(guī)范》［7］，設(shè)計(jì)在尾礦庫(kù)庫(kù)底至初期壩內(nèi)坡由下至上整體敷設(shè)4 800 g/m2膨潤(rùn)土防水毯及1.5 mm HDPE膜，庫(kù)區(qū)整體不透水。因此，本次計(jì)算的滲流發(fā)生在干堆尾砂中，計(jì)算模型的材料包括初期壩（不透水）、干堆尾砂、碎石排滲井及排滲褥墊，各計(jì)算分區(qū)滲透系數(shù)由工程經(jīng)驗(yàn)確定，見(jiàn)表1。最高洪水位控制為787.49 m。

3計(jì)算結(jié)果

如果只考慮排滲井，不考慮排滲褥墊，在最高洪水位下滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。滲流結(jié)果顯示，滲透水流主要從排滲井排出，但由于尾礦庫(kù)體積增大及體型的特殊（受溝谷自然地面影響，壩坡下游走向拐彎），壩體下游右岸與山體結(jié)合處及靠近初期壩內(nèi)側(cè)有水位壅高現(xiàn)象，浸潤(rùn)面埋深較淺，出現(xiàn)一定面積的出逸區(qū)域，尾礦庫(kù)存在滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

由圖4、圖5可知：在最高洪水位工況下出現(xiàn)一定面積的浸潤(rùn)面埋深較小區(qū)域及出逸區(qū)域，尾礦庫(kù)存在滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)，可能危及壩體穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)在庫(kù)區(qū)右岸至初期壩內(nèi)坡腳布置碎石排滲褥墊（見(jiàn)圖6）。考慮排滲褥墊，最高洪水位下滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

對(duì)比圖7、圖8與圖4、圖5可知：在庫(kù)區(qū)布置排滲褥墊后，滲透水流通過(guò)排滲褥墊導(dǎo)入排滲井排出尾礦庫(kù)。庫(kù)區(qū)浸潤(rùn)線(xiàn)明顯降低，壩體下游右岸的出逸區(qū)域基本消失，浸潤(rùn)面埋深較淺區(qū)域減少，下游壩坡絕大部分區(qū)域埋深達(dá)到12 m以上，排滲效果良好。尾礦庫(kù)不存在滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)，壩體穩(wěn)定性可以保證。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用滲流理論對(duì)初期壩內(nèi)坡及庫(kù)區(qū)整體防滲的干式尾礦庫(kù)進(jìn)行了三維滲流分析計(jì)算，壩頂標(biāo)高達(dá)790 m時(shí)，下游初期壩內(nèi)坡附近即下游壩坡右岸拐彎處浸潤(rùn)面埋深較淺，并有出逸區(qū)域出現(xiàn)。采取排滲褥墊措施后，滲流狀態(tài)得到較大改善，浸潤(rùn)面的埋深能達(dá)到12 m以上。

2）對(duì)于干式尾礦庫(kù)防滲，建議采用內(nèi)坡防滲，并采取適當(dāng)?shù)呐艥B措施，既可保證壩體安全，又可降低防滲層施工難度，降低項(xiàng)目投資。

3 ）該工程設(shè)計(jì)方案可行，尾礦壩滲透穩(wěn)定性有保證。但是，由于尾礦壩尾砂滲透規(guī)律的不確定性等多種因素，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況有差別。因此，生產(chǎn)過(guò)程中的滲流安全監(jiān)測(cè)非常重要。需要觀測(cè)、記錄、整理各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的浸潤(rùn)線(xiàn)高度，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)照分析，總結(jié)浸潤(rùn)線(xiàn)變化規(guī)律。如果與理論結(jié)果有很大差距，需要及時(shí)分析原因，必要時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行尾礦壩滲流反饋分析。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］生態(tài)環(huán)境部，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局.一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)：GB 18599—2020［S］.北京：中國(guó)環(huán)境出版集團(tuán)，2020.

［2］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50863—2013［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

［3］國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).尾礦庫(kù)安全規(guī)程：GB 39496—2020［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

［4］中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.天然鈉基膨潤(rùn)土防滲襯墊：JC/T 2054—2020［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2020.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).土工合成材料聚乙烯土工膜：GB/T 17643—2011［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［6］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：GB/T 50290—2014［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

［7］環(huán)境保護(hù)部.黃金行業(yè)氰渣污染控制技術(shù)規(guī)范：HJ 943—2018［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2018.

3D seepage analysis of a dry stacking tailings pondWang Zhenxing

（Changchun Gold Design Institute Co.，Ltd.）

Abstract：Few pieces of research are carried out on the anti-seepage mode of dry stacking tailings ponds and 3D seepage analysis .A dry stacking tailings pond was designed to carry out early dam internal breaking and overall anti-seepage within the pond area，and discharge seepage with gravel discharge wells and discharge pads.Autobank 3D is used to establish a 3D model and analyze the seepage face and seepage line in the absence of seepage discharge pads.The results show that without seepage discharge pads，the seepage face is buried shallow at the turning of the right bank of the downstream dam slope and runaway areas appear;with seepage discharge pads，the burial depth of the seepage face can reach over 12 m，which means that the seepage discharge pads have a great influence on seepage.

Keywords：dry stacking tailings pond;anti-seepage;3D seepage;seepage discharge pad;seepage line