基于渗流分析对某尾矿库坝体稳定性研究

王晓东，李小萌，黄海云

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650500；2.云南民族大学，昆明 650500；3.云南大学建筑与规划学院，昆明 650091)

基于渗流分析对某尾矿库坝体稳定性研究

王晓东1，李小萌2，黄海云3

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650500；2.云南民族大学，昆明 650500；3.云南大学建筑与规划学院，昆明 650091)

渗流破坏是影响尾矿库稳定性的重要因素之一，对尾矿库工程的渗流进行研究十分必要。本文以某尾矿库工程为研究对象，通过现场勘察得到了该工程的基本状况，应用ANSYS软件对其副坝的渗流场、超孔隙水压力和渗透破坏情况进行模拟和分析。认为该尾矿库工程存在滑塌、尾矿砂液化及流土渗流破坏的可能，应该对其进行综合治理。并针对该尾矿库工程的治理提出了一些可行性建议。

尾矿库；尾矿坝；渗流；稳定性

1 引言

本文以云南省昆明市安宁市县街镇某尾矿库作为研究对象进行研究。该尾矿库的已使用库存已接近一期规划的目标，为保证采选的工程生产安全及可持续发展，决定对尾矿库副坝进行加高增容，以满足生产之需。加高后，副坝整体稳定性降低，有沿下部粉质黏土层滑动的可能，为解决副坝加高后稳定性问题，需要采取措施进行加固治理：副坝下游坡脚设置抗滑桩、坝体坡面喷锚防护、马道支护桩、坝脚重力式挡土墙及局部贴坡反压等。本文主要对加固后的尾矿库副坝的稳定性进行渗流分析。

2 尾矿坝概况

2.1 初期坝

尾矿库主坝初期坝为碾压式土石坝。坝高52 m，坝顶宽4.5 m，坝顶高程2 040 m，对应库容280.0×104m3，上游坝坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比为1∶1.2；高程2 025.0～2 010.0 m坡比为1∶1.2；高程2 010.0～1 990.0 m坡比为1∶1.5，在标高2 025.0 m和2 010.0 m各设2 m宽的马道。初期坝下游坝坡二期工程采用碾压堆石加固，高程2 040.0～2 025.0 m坡比为1∶2.0；高程2 025.0～2 010.0 m坡比为1∶2.25；高程2 010.0～1 995.0 m坡比为1∶2.5；高程1 995.0～1 984.0 m坡比为1∶2.5。在标高2 025.0 m、2 010.0 m和1 995.0 m各设1.5 m宽的马道。

2.2 副坝初期坝

一期副坝为碾压式土石坝。坝高40 m，坝顶宽4.5 m，坝顶高程2 040 m。坝下游坝坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比为1∶1.5；高程2 025.0～2 010.0 m坡比为1∶1.5。在标高2 025.0 m设2 m宽的马道。

上游坝坡高程2 040.0～2 025.0 m坡比为1:1.5；高程2 025.0～2 008.0 m坡比为1∶1.5。在标高2 025.0 m设2 m宽的马道。

下游坝脚浆砌毛石凌体顶高程2 010.0 m，底高程接至实际地面高程，顶宽2.0 m,内坡比1∶1.0，外坡比1∶1.0。一期副坝下游与周边山体形成一封闭区域，该区域内无水，库容49.2×104m3，为空库度汛。

3 尾矿库副坝渗流场计算分析

尾矿坝内的渗流状态是影响尾矿坝安全的重要因素之一，若不能有效的解决渗流问题，将造成巨大损失。在尾矿库建设期间，在尾矿库建设过程中，需要设计合理的排渗设施，同时深入分析尾矿库的渗流场分布，确保尾矿坝的安全。渗流分析得到的浸润线位置是坝体安全的生命线，它为尾矿坝边坡稳定、静力及动力分析提供了基本保障[1-2]。

3.1 副坝二维渗流场分析

针对尾矿库副坝的渗流场进行分析，选取了副坝1-1′、2-2′两个剖面做为典型剖面，对这两个剖面的水头分布情况进行分析。分析了副坝采用加固方案的尾矿库副坝的孔隙水压力、渗流变形、渗透破坏情况，采用时程法分析地震作用下尾矿库副坝中孔隙水压力的变化情况。

渗流分析得到的孔隙水压力的分布结果是尾矿库副坝加固工程进行静力稳定性计算及动力耦合分析的基础[3]。

图1 1-1′剖面正常水位-孔隙水压力、正常水位-地震孔隙水压力等值线图

图2 2-2′剖面正常水位-孔隙水压力、正常水位-地震孔隙水压力等值线图

从图1、图2位和洪水位时，坝体浸润线均在尾砂沉积滩外坡表面有出露。

在正常运行情况下，1-1′、2-2′剖面子坝坝脚位置已经出现了轻微的浸润线逸出现象。在洪水运行情况下，1-1′、2-2′剖面浸润线在尾砂沉积滩外坡表面距副坝初期坝坝顶2.948 m标高出露，洪水位较正常水位时的坝体浸润线抬升了2.948 m。

浸润线从尾砂沉积滩外坡面逸出将导致坝坡湿润或沼泽化，过高的浸润面增加了滑坡的可能性，受长期的渗流作用及气温变化、降雨等因素的影响，坝坡土体的抗剪强度减小，局部渗透破坏，导致滑塌的可能性加大。

尾矿库副坝内坡由于有土工膜防渗，故在坝前位置的浸润线有壅高的现象；而土工膜之后的初期坝的渗透系数比土工膜大很多，所以在土工膜后的浸润线有很大程度的陡降。

由尾矿库副坝1-1′、2-2′剖面渗流场和动力场的耦合分析看，尾矿库副坝内坡土工膜防渗的存在，使尾矿库库底孔隙水压力骤升，形成超孔隙水压力，见图1、图2。

3.2 超孔隙水压力分析

尾矿库副坝1-1′、2-2′剖面超孔隙水压力计算结果见图3、图4。正常水位时，1-1′剖面最大超孔隙水压力为235.1 kPa，洪水位时，1-1′剖面最大超孔隙水压力为228.5 kPa；正常水位时，2-2′剖面最大超孔隙水压力为275.5 kPa；洪水位时，2-2′剖面最大超孔隙水压力为266.1 kPa。从计算结果看，1-1′、2-2′剖面在地震作用下，正常水位时的超孔隙水压力较洪水位时高。

图3 1-1′剖面正常水位-地震孔隙水压力、洪水位-地震孔隙水压力等值线图

3.3 渗透破坏分析

根据《水利水电工程地质勘察规范》，对于无黏性土，若不均匀系数小于等于5，则渗透变形可判为流土；无黏性土若不均匀系数大于5，且细粒含量大于等于35%，则渗透变形也判为流土。水力梯度较大，流速增大，沿渗流方向的渗透力大于土的有效重度时，土颗粒将悬浮流动形成流土。

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)，G.0.7表[4]，无黏性土的允许比降采用下列方法确定：

图4 2-2′剖面正常水位-地震孔隙水压力、洪水位-地震孔隙水压力等值线图

(1) 以土的临界水力比降除以1.5～2.0的安全系数；当渗透稳定对水工建筑物的危害较大时，取2的安全系数；对于特别重要的工程也可用2.5的安全系数。

(2) 根据表1选用经验值。

根据尾矿库尾砂渗透变形试验[5]，试验按土样平均干密度制样，M1、M2、M3平均干密度分别为：1.69 g/cm3、1.81 g/cm3、1.75 g/cm3。3组土样的破坏坡降分别为0.93、1.23和1.21，渗透破坏形势均为流土型破坏。

表1 无黏性土允许水力比降

从计算结果可以看出，1-1′、2-2′剖面无论是在正常水位，还是洪水位，坝体浸润线均在尾砂沉积滩外坡表面出露，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，有发生流土渗流破坏的可能。

4 结论

(1) 经过加固后的尾矿库副坝，用模袋法加高至+2 049 m时，无论是在正常水位和洪水位时，坝体浸润线均在尾砂沉积滩外坡表面有出露。由于尾矿库副坝内坡有土工膜防渗，故在坝前位置的浸润线有壅高的现象；而土工膜之后的初期坝的渗透系数比土工膜大很多，所以在土工膜后的浸润线有很大程度的陡降。

(2) 在正常运行情况下，子坝坝脚位置已经出现了轻微的浸润线逸出现象。在洪水运行情况下，浸润线在尾砂沉积滩外坡表面距副坝初期坝坝顶2.948 m标高出露。浸润线从尾砂沉积滩外坡面逸出将导致坝坡湿润或沼泽化，过高的浸润面增加了滑坡的可能性，同时因为渗流的长期作用和气温降雨的影响，坝坡土体的抗剪强度降低，局部渗透破坏可能严重，导致滑塌的可能性加大。

(3) 从尾矿库副坝渗流场和动力场的耦合分析来看，尾矿库副坝内坡的土工膜在防渗的同时使尾矿库库底孔隙水压力骤升，产生超孔隙水压力，引起库内尾砂液化。

(4) 在正常水位和洪水位，坝体浸润线均在尾砂沉积滩外坡表面出露，根据渗透变形试验，尾矿库尾砂的渗透破坏类型为流土破坏，从计算结果图上看Y方向水力梯度最大。Y方向的最大水力梯度iy-max=1.048出现在2-2′剖面上，该位置存在发生流土渗流破坏的可能。

综合上述分析可以看出，尾矿库副坝内坡应用土工膜进行防渗，使得土工膜后的浸润线产生了陡降，降低了滑坡的可能性，但引起了库内尾砂、尾砂堆积坝坡面浸润线逸出位置和尾砂堆积坝浸润线埋深较浅位置的液化，所以应该考虑采用其他渗透性强且不易液化的土石料进行堆筑。

[1] 宁民霞，王振伟，殷新宇.水对尾矿坝的稳定性影响研究[J].矿业快报,2006，25(5):43-44.

[2] 唐晓玲.粉煤灰工程特性的试验研究及贮灰坝(尾矿坝)的稳定和渗流分析[D].贵州大学,2007.

[3] 吕庭刚,庙延钢.尾矿库坝体渗透稳定性分析[J].云南冶金，2005,34(2)：12-15.

[4] 中华人民共和国水利电力部.水利水电工程地质勘察规范(GB50487-2008)[S].水利电力出版社，1979.

[5] 第一机械工业部勘测公司.土工试验规程(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

王晓东(1991- )，男，陕西渭南人，昆明理工大学在读硕士研究生，主要从事水文地质与工程地质方面研究。 E-mail:710356434@qq.com