排渗设施对某尾矿坝渗流稳定性的影响分析

党发宁 李 权 薛海斌 任 劼 郭振世

(1.西安理工大学岩土工程研究所；2.金堆城钼业集团有限公司)

排渗设施对某尾矿坝渗流稳定性的影响分析

党发宁1李 权1薛海斌1任 劼1郭振世2

(1.西安理工大学岩土工程研究所；2.金堆城钼业集团有限公司)

为探索不同排渗设施对尾矿坝渗透稳定性的影响，以某上游式尾矿坝为例，通过对比水平-竖直联合排渗管、水平排渗管、竖直排渗管、库岸排渗支沟及库底排渗盲沟分别失效后坝体的渗透稳定状态，认为水平排渗管对渗流量的影响最大，库底排渗盲沟对渗透坡降以及浸润线埋深的影响最大，并给出了不同排渗设施对尾矿坝渗流要素的影响大小比较，为尾矿坝排渗设施施工提供参考依据。

尾矿坝 排渗设施 渗流量 水力坡降 浸润线

尾矿库内的水沿坝体向下游不断渗透形成浸润线，坝体内的浸润线越高，坝体稳定性越差。坝内设置排渗设施可有效地降低浸润线，并有利于尾矿料的渗透固结，是增强坝体稳定性的重要措施[1]。

为了探索排渗设施对尾矿坝渗流特性的影响，国内外学者进行了大量的研究工作。李亚楠通过比较无防渗排渗措施、坝体坡表铺设排渗管及排渗管+排渗盲沟的有限元计算结果，指出增设排渗设施能有效提高坝体稳定性[2]；金松丽等总结了常见尾矿坝排渗设施的工作原理和优缺点[3]；彭易华等通过工程实例，指出采用垂直-水平联合自流排渗体可以很好地提高尾矿坝的排渗效果[4]；郭振世等通过对栗西尾矿坝进行有限元渗流预测分析，提出联合采用辐射井和控制干滩长度即可确保尾矿坝的稳定和安全[5]。

尾矿坝工程是一项非常复杂的系统工程，其生产服务年限通常比较长，尾矿料的渗透固结特性比较复杂，单一的排渗类型往往难以满足安全稳定要求，需要联合采用不同的排渗措施。本文试图通过对某尾矿坝不同排渗措施的渗流计算分析，找出不同排渗体对尾矿坝渗流要素的影响，从而更合理地确定尾矿坝的渗控方案，以提高尾矿坝的稳定性。

1 排渗体排渗效果的评价方法

1.1 坝体的渗透流量

对尾矿坝进行渗透量控制主要是为了降低坝体的浸润线[6]。坝体的渗透量不宜太大，否则容易发生水力破坏；其值又不能太小，坝内渗水不能及时排出，会扩大饱和区范围，降低坝体的有效承载力。

通过对比不同排渗设施对坝体排渗量的贡献值来确定渗透水的主要通道，从而加强目标区的排渗设施管理。

1.2 渗流关键区的水力坡降

渗流关键区的水力坡降直接反应坝体的渗流稳定状态，在筑坝材料和干滩长度已定的情况下，排渗设施直接影响坝内渗水的流通方向，从而影响坝体各关键位置的水力坡降，为确保坝体的安全稳定，尾矿料各关键位置的溢出水力坡降必须限制在允许水力坡降之内。

不同排渗设施对坝体渗流溢出口处水力坡降的影响不尽相同，通过对比不同排渗设施作用下坝坡的水力坡降，可以比较不同排渗体对坝体渗透稳定的影响大小。

1.3 浸润线的埋深

浸润线埋深是尾矿坝工程中最重要的控制参数之一，文献[7]规定尾矿坝的浸润线埋深最小范围为6～8 m。对于等级较高的尾矿坝，应相应地提高控制标准。

不同排渗设施的排渗机理有所差别，降低浸润线的能力也会有所不同，根据不同排渗设施作用下浸润线的埋深即可评价其排渗效果。

2 工程背景

某尾矿坝为上游式山谷型尾矿坝，初期坝为透水堆石坝，坝底标高为1 012 m，坝顶标高为1 080 m，初期坝高68 m，尾矿最终堆积标高为1 203 m，尾矿堆坝高123 m，总坝高为191 m，堆积坝平均外坡比为1∶5，沉积滩平均坡比为3∶100，设计干滩长度为150 m，设计库容为2.35亿m3，设计有效库容为2亿m3，服务年限为24.3 a，为二等尾矿库，构筑物级别为二级，其平面布置见图1。

图1 某尾矿坝平面布置

该尾矿坝坝体较高，库容较大，为保证大坝的稳定安全，欲联合采用水平排渗管+竖直排渗管+两岸排渗支沟+下部排渗盲沟的渗控方案。其中，水平与竖直排渗管联合作用称为上部排渗措施，具体措施见表1。各排渗体形式见图2。

表1 排渗设施对照

图2 排渗设施布置

3 数值模拟

3.1 材料分布与计算参数

根据上游式尾矿坝的沉积规律，按分区选取尾矿料渗透系数的方法[5,8-9]，自沉积滩至库底依次将尾矿分为尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉土和尾粉黏土5种材料，将上述尾矿料按沉积时间的不同，又各自分为A、B、C、D 4个区。计算模型的材料分区和渗透系数见图3和表2。

图3 典型剖面及材料分区示意

表2 渗透系数选取

3.2 排渗体的处理

按面积等效原则[10]，将圆形的水平、竖直排渗管简化为矩形截面在模型中进行实体建模，为了真实地反映排渗管的排渗效果，采取赋予较大渗透系数的方法，取1 cm/s。位于库岸的排渗支沟以及库底的排渗褥垫和盲沟均按实际尺寸和空间位置建在数值模型中。

3.3 数值模型与网格划分

利用Seep-3D有限元渗流计算软件建立数值计算模型，按六面体八节点单元进行网格划分，共划分单元95 446个，节点105 546个，计算模型与网格划分见图4。

图4 计算模型与网格划分

4 有限元计算结果

在设计干滩长度的基础上，进行了全部排渗体正常运行及部分排渗设施失效的三维渗流有限元计算，对比了不同的排渗设施对渗流场的影响，具体结果见图5。

图5 各工况计算结果对比

由图5可以看出：

(1)通过不同排渗设施分别失效与其全部正常使用时坝体的总渗流量差值比较，水平排渗管对排渗体的排渗量贡献最大，为37.2 L/s；竖直排渗管的贡献最小，为1.04 L/s；两岸排渗支沟的排渗量大于库底排渗褥垫+盲沟的排渗量；水平-竖直排渗管的排渗效果与水平排渗管的效果相当，主要是因为水平排渗管可深入尾矿堆坝内部，渗透水通过水平管可直接排出坝外，而竖直管只是将坝坡浅处的水导流进水平管，当坝体整体浸润线埋深较深时，竖直排渗管的效果就不是很明显。

(2)当排渗设施正常运行时，尾矿堆坝坡面的最大水力坡降最小，为0.12，坝体处于稳定状态；五种排渗方式分别失效时，坝体坡面处的水力坡降均接近或大于临界坡降，坝体处于局部或整体不稳定状态。其中，库底褥垫+盲沟失效时，坡面处的水力坡降最大，达到0.30，说明下部排渗设施对坝体的水力坡降最为敏感。

(3)当排渗设施正常时，浸润线埋深最大，为18.70 m；下部排渗失效时，浸润线埋深最小，为13.18 m，其余各工况的浸润线埋深均在15.6～15.7。计算结果均满足文献[7]规定的6～8 m的最小埋深范围要求。说明该尾矿坝整体结构布置较好，能满足部分排渗设施失效时对浸润线的最小埋深要求。

由以上分析可知，排渗设施正常运行时，坝体处于渗流稳定状态；两岸侧排渗失效时，坝体处于局部不稳定状态；其余排渗设施失效时，坝体处于不稳定状态。可见，排渗设施对尾矿坝的渗流稳定性非常敏感。

5 结 论

(1)该尾矿坝排渗设施对渗流量的影响由大到小的排列顺序依次为水平排渗、上部排渗、两岸侧排渗、下部排渗和竖直排渗。

(2)该尾矿坝排渗设施对渗透坡降的影响由大到小的排列顺序依次为下部排渗、上部排渗、水平排渗、竖直排渗和两岸侧排渗。

(3)该尾矿坝排渗设施对浸润线埋深的影响由大到小的排列顺序依次为下部排渗、水平排渗、上部排渗、竖直排渗和两岸侧排渗。

(4)排渗设施对坝体的渗透稳定性影响较大，建议加强水平排渗和库底排渗的施工质量，同时在保证排渗设施施工质量的基础上增加干滩长度。

[1] 周汉民．尾矿库建设与安全管理技术[M]．北京：化学工业出版社，2012．

[2] 李亚楠．某尾矿库坝体三维渗流分析[D]．郑州：华北水利水电大学，2013．

[3] 金松丽．尾矿坝排渗技术的研究现状[J]．现代矿业，2012(7)：35-38．

[4] 彭易华．垂直、水平联合自流排渗法加固坝体的研究[J]．土工基础，2006,14(2)：15-19．

[5] 郭振世，速宝玉，仵彦卿，等．栗西尾矿坝三维渗流预测与控制研究[J]．西安理工大学学报，2009，25(2)：160-163．

[6] 李 权，党发宁，郭振世，等．尾矿坝干滩长度确定方法及影响因素分析[J]．水利与建筑工程学报，2014,12(4)：14-17．

[7] 尾矿设施设计参考资料编写组．尾矿设施设计参考资料[M]．北京：冶金工业出版社，1980．

[8] 郭振世，仵彦卿，詹美礼，等．高堆尾矿坝堆积特性及三维渗流数值分析研究[J]．水土保持通报，2009，29(3)：188-192．

[9] 郭振世．高堆尾矿坝稳定性分析及加固关键技术研究[D]．西安：西安理工大学，2010．

[10] 田春亮，赵宏斌，郭 娟，等．某尾矿坝三维有限元渗流分析[J]．水利与建筑工程学报，2010，8(5)：121-123．

*陕西省黄土力学与工程重点实验室重点科研计划项目(编号：09JS103)。

2014-10-10)

党发宁(1962—)，男，教授，博士生导师，710048 陕西省西安市。