磷石膏高堆积场三维渗流模拟及渗流稳定性分析

曹纪刚 毛权生 吴鹏程

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

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磷石膏高堆积场三维渗流模拟及渗流稳定性分析

曹纪刚1，2，3毛权生1，2，3吴鹏程1，2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

磷石膏的沉积规律与一般尾矿差别较大，其堆场的渗流特性也区别于一般尾矿库。针对国内某一大型磷石膏堆场的实际情况，运用三维渗流有限元方法，分析了磷石膏堆积坝现状及最终工况下的渗流场及渗流稳定性。结果表明，最终堆积标高时浸润线从坡面溢出，且下游部分坡面水力坡降大于允许渗透坡降或者余量较小，后期运行过程中应采取措施进行治理。

磷石膏高堆积场 三维渗流 渗流稳定性

我国现有尾矿库8 540座[1]，据不完全统计，我国尾矿堆存总量已超过70亿t，每年产出的尾矿量约3亿t。尾矿库的重大事故不仅对下游居民的生命财产造成严重威胁,也将给企业带来不可估量的经济损失和极坏的社会影响。而尾矿库地下水分布作为影响整个坝体稳定性的主要因素也显得尤为重要。

目前国内磷石膏渣场渗流研究成果相对较少，特别是高堆积场的。徐晗等[2]根据磷石膏渣坝渗流场的分布特征以及坝坡的稳定性，提出在初期坝上游以及磷石膏下游底部设置排渗棱体的方案；郭茜等[3]对大峪口磷石膏尾矿坝进行了多种工况下的渗流场分析，认为干滩长度变化以及排渗垫层的淤堵程度对浸润线的影响十分明显，干滩长度越长，坝体浸润线越低；排渗垫层淤堵越重，浸润线越高。以国内某一大型磷石膏高堆积场为例，运用三维渗流有限元方法，分析了磷石膏堆积坝现状及最终工况下的渗流场及渗流稳定性，对磷石膏堆场的渗流分布以及安全运行具有一定的指导意义。

1 三维渗流场有限元原理

非均质各向异性多孔隙介质中的稳定饱和渗流连续微分控制方程为：

(1)

式中，xi为坐标，i=1，2，3；kij为二阶对称的达西渗透系数张量，描述岩体渗透各向异性；h=x3+p/γ为总水头；x3为位置水头；p/γ为压力水头；Q为渗流域中的源或汇项。

渗流场的边界条件原则上可分为流场的几何边界形状位置与边界上起支配作用的条件，从描述流动的数学模型来看可以分为以下3类：

(2)

(3)

(4)

式中，ni为边界面外法线方向余弦；qn为边界面法向流量，流出时为正值；Γ1为已知水头边界；Γ2为流量边界；Γ3为饱和逸出面边界。

对饱和无压渗流场求解，渗流场内自由面边界条件为：

(5)

2 磷石膏堆场三维渗流分析

2.1 工程概况

某磷石膏堆场三面环山，地表水仅来自四周斜坡地表分水岭内的大气降水，大气降水是本区主要补给来源，雨量较充沛。区内地表多为第四系松散层覆盖，在枯季很难形成地表径流或地表水体，但在雨季持续降雨后，将形成季节性地表流水，一部分沿区内冲沟汇流至螳螂江，一部分直接下渗补给松散层孔隙、基岩裂隙水。

经地质调查，四周斜坡区域未见泉点出露，现堆场四周设置了截水沟，雨季降水沿截水沟排出库区外，库区内的地表水主要来源于磷石膏浆。

从库区地貌、岩土层结构分析，地下水类型主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水，从补给来源分析地下水富水性较弱。尾矿堆积体孔隙比大，结构松散，黏性低，为地下水的赋存提供了良好条件，地下水丰富。

该磷石膏堆场初期坝高25 m，主要为混砾粉质黏土组成，局部夹碎石、角砾透镜体，后期坝体采用磷石膏堆筑。现磷石膏堆场高60 m，最终堆高150 m，最终属二等库。

2.2 参数选取

根据勘察资料，对尾粉土、素填土和混砾粉质黏土进行了垂直渗透试验，得出垂直渗透系数值，见表1。一般尾砂表现出较强的各向异性，但磷石膏堆积体表现出的各项渗透系数基本相同，本次按照均质体进行计算。

表1 垂直渗透试验成果

2.3 有限元模型建立

为尽可能正确地模拟该磷石膏堆场渗流场，本次计算以场区勘察结果、初期坝及现状尾矿堆积的实际情况、尾矿沉积规律、岩体水文地质特性结果及山体地形地貌状况等为依据，选择场区渗流场计算域大小，确定其渗流的边界条件，对材料进行合理概化分区。

本次建模x轴正向为正东方向，y轴正向为正北方向，z轴为铅直向上。网格单元主要是八结点六面体空间等参单元，同时辅以六节点五面体空间等参单元，最终形成疏密有致、质量较高的三维渗流场有限元计算网格。现状堆高模型见图1(a)，最终堆积标高(即堆积标高1 995 m)模型见图1(b)。

图1 渣场有限元计算网格

2.4 边界条件

由于该磷石膏堆场内渗流主要受场内水位影响，计算域四周边界选择分水岭近似作为不透水渗流对称面，将底部取至高程1 750 m处后，将底面近似作为磷石膏堆场渗流场的底部不透水边界；将坝体外坡以及下游山体表面看做可能逸出边界面，具体实际逸出面的大小将在渗流场迭代求解的过程中搜索确定。

2.5 研究方案

本次研究正常工况上游水位取勘察库内水位，洪水工况根据《尾矿设施设计规范》要求给定上游控制水位。渗流计算方案及相关参数见表2。

表2 渗流模拟方案

2.6 三维渗流模拟结果及分析

限于篇幅，本文仅选取主剖面的计算结果进行分析，见图2。

从图2(a)中可以看出，在现状堆积标高正常水位工况下，等水头线分布均匀。而勘察结果中碎石土(初期坝位置)渗透性为6.0×10-4cm/s，磷石膏与基岩渗透系数为(1～2)×10-4cm/s，初期坝与周围材料的渗透系数相差仅为3～6倍，对浸润线降低作用不明显，浸润线整体较高，渗透水从初期坝脚溢出；从图2(b)中可以看出，在现状标高最高洪水位工况下，等水头线分布均匀,与正常水位相比，总体趋势比较相似，但浸润线总体都有一定程度的上升，特别是堆积坝顶位置浸润线上升幅度较大，约上升了6.21 m;图2(c)为最终堆积标高正常水位时的等水头分布，与现状堆积标高时的渗流场相比，浸润线有大幅度上升，坡面有渗流溢出，且溢出点位置较高，该剖面的溢出点高程为1 916.06 m；与正常水位工况相比(图2(c))，浸润线整体有一定程度的提升(图2(d))，主剖面的溢出点高程为1 922.19 m。

图2 各工况等水头分布

由于磷石膏堆积坝的渗透稳定性研究范围主要为坝坡部分，图3主要截取了上述4个方案最大水力比降部位的计算结果图，从图3中可以看出，水力坡降的较大值主要分布在尾粉土(磷石膏堆积坝)和素填土(初期坝及坝脚)中，两土层的计算最大渗透坡降见表3。

图3 各工况水力比降分布

表3 坝体渗透稳定性分析

尾粉土属于无黏性土，渗透变形形式属于过渡型，按照《碾压式土石坝设计规范》表C.1(表3)，本次允许水力坡降取0.25；素填土属于黏性土，渗透变形形式均为流土,临界水力坡降为0.89。计算结果表明，现状工况下的尾粉土及素填土最大水力比降小于相应土层的允许水力坡降；洪水工况下尾粉土的最大水力比降大于允许水力比降，该位置为浸润线的坡面溢流位置，故坝坡需要采取措施降低浸润线，如增设水平孔、辐射井等，以降低最大水力比降在允许范围内；而素填土尽管在允许范围内，但两者差距较小，安全余量较低，该土层的最大水力比降位置位于坝坡脚处，故应在该位置设置反滤压坡等措施，以保证该位置的渗透稳定。

3 结论和建议

(1)计算结果表明，干滩的长度越长，对上游浸润线降低效果越明显，对下游降低效果相对较差。

(2)等水头线计算表明，在相同干滩长度的前提下，随着尾矿堆积高度的升高，坝体内下游处的浸润线不断上升，最终堆积标高时浸润线已经从坡面溢出，对坝体稳定性不利。故在尾矿库后期堆坝过程中，应采取必要措施降低浸润线。

(3)水力比降计算表明，与等水头线趋势基本相同，现状堆高时各水力比降满足要求；而最终堆积标高时尾粉土层的最大水力比降大于允许值，容易产生渗透破坏，坝脚素填土层的最大水力比降与允许值之间的余量也较小，后期应在坝坡及坝脚部位采取相应的措施，以保证磷石膏渣场的渗流稳定。

[1] 谢旭阳,王云海,张兴凯,等.我国尾矿库数据库的建立[J].中国安全生产科学技术,2008,4(2):53-56.

[2] 徐 晗,许 凯,文松霖,等.磷石膏渣坝的稳定分析研究[J].长江科学院学报,2008,25(2):42-45.

[3] 郭 茜.大峪口磷石膏尾矿坝渗流场与稳定性分析[D]．武汉：武汉理工大学，2010.

[4] 曹纪刚,乐 陶.某山谷型尾矿库三维渗流场模拟分析[J].金属矿山,2013(3):36-38.

Three-dimensional Seepage Simulation and Seepage Stability Analysis of Phosphogypsum High Packing Field

Cao Jigang1,2,3Mao Quansheng1,2,3Wu Pengcheng1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.)

The difference of sedimentary rules of phosphogypsum and general tailings is big,the seepage characteristics of the yard of phosphorous gypsum is different from general tailings.According to the actual field situations of a phosphogypsum yard in our country,three-dimensional seepage finite element method is adopted to analyze the present situation,seepage filed and seepage stability under the final condition of the phosphogypsum stacking dam.The results show that the saturation line is overflowed from the slope with final accumulation level,the downstream part of the slope seepage slope hydraulic gradient is greater than the allowed seepage slope,besides that,measures should be taken to deal with the phosphogypsum stacking dam in the late process of running.

Phosphogypsum stacking field, Three-dimensional seepage, Seepage stability

2015-04-02)

曹纪刚(1984—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。