尾矿砂渗透系数对尾矿坝坝体渗流场的影响研究

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(1.陕西省宝鸡峡管理局，陕西 咸阳 712000；2.陕西省地下水管理监测局，陕西 西安 710003)

尾矿砂渗透系数对尾矿坝坝体渗流场的影响研究

任川江1，郑太林2

(1.陕西省宝鸡峡管理局，陕西 咸阳 712000；2.陕西省地下水管理监测局，陕西 西安 710003)

通过对上游式堆筑分层特性的研究，对于在特殊情况下，上游式尾矿堆积坝在堆筑过程中出现渗透系数下部大、上部小，或者中间大、上下小的问题，以四方金矿尾矿库模型为基础，二维有限元数值分析方法模拟其运行时的渗流情况，探讨当坝体材料变化时浸润线的变化规律。结果表明：坝体各层层面上的浸润线，上游式尾矿库宏观上具有上粗下细特征，渗透系数呈现上部大、下部小的规律性，当增大坝体下层渗透性降低浸润线，可以有效的维持坝体的稳定。

分层特性；尾矿坝；渗透系数；浸润线

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或者其他工业废渣的场所[1]。尾矿库的浸润线是尾矿库的生命线，浸润线的位置高低是影响尾矿库稳定性的重要因素之一。浸润线过高往往会影响坝体稳定，造成坝体破坏[2]。据统计，浸润线每下降1 m，可使尾矿库的静力稳定安全系数增加0.05甚至更多；浸润线如果在坝面8m及以下，在发生7级地震时基本上不会产生振动液化的现象[3-5]。因此，准确地计算出尾矿库的浸润线，对工程的设计方案、是否需要增设排水设施和尾矿库的安全稳定都具有重要的指导意义。

根据工程经验可以看出，尾矿库本身的因素可能对浸润线产生较大的影响。例如：在尾矿库设计阶段，选择透水能力强的初期坝，就可有效地降低浸润线；对于既有的尾矿库，如果其浸润线埋深过浅，不能满足规范要求时，为降低尾矿坝浸润线高度，常在尾矿堆积坝设置防渗设施，主要型式有水平排渗层、盲沟排渗、水平管排渗及辐射井等[6-7]。

我国尾矿库数量多，规模小，且大都采用工艺简单、便于管理、运行成本低、且投资较少的上游式筑坝[8-9]。上游式尾矿库堆积坝是在初期坝上游方向冲、堆积尾矿的筑坝方式[10-11]。它的堆筑特点是：先在沉积干滩面上堆筑子坝，然后在子坝上进行分散放矿，待库内充填尾矿砂与子坝齐平时，再在新形成的干滩面上堆子坝继续放矿，如此循环，分层堆筑[12]。因此，上游式尾矿库具有明显的分层特性。一般情况下，上游式尾矿库宏观上具有上粗下细特征，渗透系数呈现上部大、下部小的规律性[13]。但在特殊情况下，可能出现渗透系数下部大、上部小，或者中间大、上下小的现象。本章主要以四方金矿尾矿库模型为基础，探讨当坝体材料变化时，浸润线的变化规律。

1 各层材料渗透系数的变化对渗流的影响研究

1.1 模型的建立及材料参数的选取

四方金矿祝家院尾矿库剖面图及材料分区如图1所示。该尾矿库堆筑方式为上游式堆坝法，其初期坝建在原尾矿库(已闭库)尾砂面上，采用堆石碾压坝型。初期坝坝高16 m，坝底标高974.0 m，坝顶标高990.0 m，下游坝坡1:2，上游坝坡1:1.75，坝顶宽4.0 m，筑坝方量为12万 m3。采用上游法最终冲填至1 030.0 m，冲填高度40.0 m，总坝高为90.0 m，堆积坝外边坡为1:4.25。本模型涉及到的材料包括初期坝、堆积坝和拦洪坝三大类。上游水头边界高程为1 028.5 m，由于初期坝为透水性堆石碾压坝，下游水头边界选在初期坝坝址处为自由透水面，模型左右两面和底部设置为不透水边界。其中堆积坝材料包括干密度分别为1.45 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3的尾粉土和干密度分别为1.55 g/cm3的尾粉砂共4种材料。各材料的渗透系数见表1。

图1 尾矿库剖面图及材料分区

根据四方金矿祝家院尾矿库剖面图和材料分区(图1)及尾矿库坝体材料的渗流参数选取列表(表1)，用大型有限元商业分析软件ABAQUS建立二维数值计算模型。对二维数值计算模型采用线性四边形单元进行有限元离散，其网格划分如图2所示，模型的单元数为1843，节点数为1947。

图2 二维数值计算模型网格划分图

1.2 渗流计算结果的分析与整理

四方金矿尾矿库在洪水工况下运行时，其最小干滩长度为100 m。故在模拟其渗流时，拟建干滩长度为100 m来模拟其实际渗流情况。计算结果见图3。

表1 尾矿库坝体材料的渗流参数选取列表

图3 二维数值模拟浸润线云图

图3为用二维数值分析方法模拟四方金矿尾矿库的浸润线云图。由图可以看出：浸润线沿顺河方向逐渐降低，至初期坝上游坡面附近出现跌水现象。这是由于初期坝的渗透系数急剧增大，使渗透流速也迅速增大，从而势能减小所导致的。计算得到浸润线的最小埋深为9.77 m。

为分析坝体内各层尾矿的渗透系数的变化对浸润线的影响，现分别将堆积坝中其中一层尾矿的渗透系数提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍，其余层则不变。计算其浸润线。

1.2.1 第一层(顶层)尾矿材料渗透系数的变化对渗流的影响研究

表2 第一层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

图4 第一层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

由图4和表2可以得到如下结论：

(1) 随着第一层(坝顶)尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐抬升，浸润线的最小埋深逐渐减小。这是因为第一层尾矿的渗透系数增大，使得第一层的尾矿水向下渗流的趋势降低，又由于总水头保持不变，从而使得尾矿库的浸润线抬高。

(2) 当渗透系数增加到3倍时，浸润线的最小埋深为0 m，即浸润线溢出，溢出位置在第一层和第二层的分界线附近。随着渗透系数的增大，浸润线的溢出区域也逐渐增大。

(3) 对比五种情况下不同渗透系数的倍数可以看出，第一层尾矿渗透系数的变化对第一层的渗流影响最大，随着深度的增加，影响逐渐减小。

(4) 随着第一层尾矿渗透系数的增大，初期坝上游坡面附近的跌水现象越明显。

1.2.2 第二层尾矿材料渗透系数的变化对渗流的影响研究

表3 第二层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

图5 第二层尾矿坝渗透系数变化时浸润线的最小埋深

由图5和表3可以得到如下结论：

(1) 随着渗透系数的增大，浸润线逐渐降低，但降低的幅度很小。

(2) 对比五种情况下不同渗透系数的倍数可以看出，第二层尾矿渗透系数的变化对尾矿库的浸润线影响较小，并且浸润线的最小埋深变化范围也很小。

(3) 第二层尾矿渗透系数对整个坝体的流线影响较小，随着第二层尾矿渗透系数的增大，初期坝上游坡面附近的跌水现象越不明显。

1.2.3 第三层尾矿材料渗透系数的变化对渗流的影响研究

表4 第三层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

图6 第三层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

由图6和表4可以得到如下结论：

(1) 通过对比可以看出，随着第三层尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐下降，浸润线的最小埋深也逐渐增大。这是因为第三层尾矿的渗透系数增大，使得第一层和第二层的尾矿水向下渗流的趋势增大，从而使得尾矿库的浸润线降低。

(2) 对比五种情况下不同渗透系数的倍数可以看出，第三层尾矿渗透系数的变化对第一层和第二层的渗流影响最大，随着深度的增加，影响逐渐减小。

(3) 随着第一层尾矿渗透系数的增大，初期坝上游坡面附近的跌水现象越不明显。这是因为跌水现象是由于渗透系数的急剧变化而引起的，由于第三层尾矿的渗透系数逐渐增大，使得初期坝与尾矿的渗透系数差距逐渐减小，导致水流从尾矿到初期坝的势能差减小，因此跌水现象越不明显。

1.2.4 第四层(底层)尾矿材料渗透系数的变化对渗流的影响研究

表5 第四层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

图7 第四层尾矿渗透系数变化时浸润线的最小埋深

由图7和表5可以得到如下结论：

(1) 通过对比可以看出，随着第四层(底层)尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐下降，浸润线的最小埋深也逐渐增大。这是因为第四层尾矿的渗透系数增大，使得上面三层的尾矿水向下渗流的趋势增大，从而使得尾矿库的浸润线降低。

(2) 对比五种情况下不同渗透系数的倍数可以看出，第四层尾矿渗透系数的变化对整个坝体的渗流影响都很大。

通过对比图4～图7和表2～表5可以看出：

(1) 坝体浸润线沿顺河方向逐渐降低，当尾矿与初期坝渗透系数相差较大时，初期坝上游坡面附近出现跌水现象。

(2) 当坝体中其中一层尾矿的渗透系数改变时，其对该层和该层以上的渗流影响较大，对而该层以下渗流的影响很小。

(3) 由以上的分析可以看出：当增加上层尾矿的渗透系数时(图4)，浸润线有上升的趋势；当增加下层尾矿的渗透系数时(图6、图7)，浸润线有下降的趋势；当增加浸润线附近的渗透系数时(图5)，浸润线基本保持不变。

(4) 由于上游式尾矿库堆筑特点，上游式尾矿库具有明显的分层特性。一般情况下，上游式尾矿库宏观上具有上粗下细特征，渗透系数呈现上部大、下部小的规律性。通过以上的分析可以看出，这不利于坝体的渗流稳定。因此，可以通过增大坝体下层渗透性降低浸润线，如在坝体底部增加横向排水措施等。

2 结语

本文以四方金矿尾矿库模型为基础，以二维有限元数值分析方法模拟其运行时的渗流情况，得到其浸润线云图。并通过分别将堆积坝中其中一层尾矿的渗透系数提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍，其余层则不变，分析坝体内各层尾矿的渗透系数的变化对浸润线的影响。得到如下结论：

(1) 坝体浸润线沿顺河方向逐渐降低，当尾矿与初期坝渗透系数相差较大时，初期坝上游坡面附近出现跌水现象。

(2) 随着第一层(坝顶)尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐抬升，浸润线的最小埋深逐渐减小。这是因为第一层尾矿的渗透系数增大，使得第一层的尾矿水向下渗流的趋势降低，又由于总水头保持不变，从而使得尾矿库的浸润线抬高。

(3) 第二层尾矿渗透系数的变化对尾矿库的浸润线影响较小，并且浸润线的最小埋深变化范围也很小。

(4) 随着第三层尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐下降，浸润线的最小埋深也逐渐增大。这是因为第三层尾矿的渗透系数增大，使得第一层和第二层的尾矿水向下渗流的趋势增大，从而使得尾矿库的浸润线降低。

(5) 随着第四层(底层)尾矿渗透系数的增大，尾矿库的浸润线逐渐下降，浸润线的最小埋深也逐渐增大。这是因为第四层尾矿的渗透系数增大，使得上面三层的尾矿水向下渗流的趋势增大，从而使得尾矿库的浸润线降低。

(6) 当增加上层尾矿的渗透系数时，浸润线有上升的趋势；当增加下层尾矿的渗透系数时，浸润线有下降的趋势；当增加浸润线附近的渗透系数时，浸润线基本保持不变。

(7) 上游式尾矿库宏观上具有上粗下细特征，渗透系数呈现上部大、下部小的规律性。通过以上的分析可以看出，这不利于坝体的渗流稳定。因此，可以通过增大坝体下层渗透性降低浸润线，如在坝体底部增加横向排水措施等。

[1]曾群伟，谢殿荣，苏举端，等.尾矿库溃坝的安全监测[J].工业安全与环保.2010.36(1)：44-46.

[2]尹光志，李愿，魏作安，等.洪水工况下尾矿库浸润线变化规律及稳定性分析[J].重庆大学学报.2010.33(3)：72-75.

[3]陈守义.浅忆上游法细粒尾矿堆坝问题[J].岩土力学.1995.16(3)：70-76.

[4]尹光志，余果，张东明.细粒尾矿库地下渗流场的数值模拟分析[J].重庆大学学报(自然科学版).2005(6)：81-83.

[5]倪尤运，林启祥，吴光富，等.浸润线对上游法尾矿坝地震液化区影响[J].现代矿业.2011(6)：109-111.

[6]蒋卫东，李夕兵，邱更生.银山铅锌矿尾矿坝浸润线最大Lyapunov指数分析[J].金属矿山.2003.(4)：43-45.

[7]蒋卫东，李夕兵.尾矿坝浸润线时空模型及反分析[J].中南大学学学报(自然科学版).2003.34(6)：704-707.

[8]李青石，李庶林，陈际经.试论尾矿库安全监测的现状及前景[J].中国地质灾害与防治学报.2011.22(1)：99-106.

[9]马池香，秦华礼.基于渗透稳定性分析的尾矿库坝体稳定性研究[J].工业安全与环保.2008.34(9)：32-34.

[10]《中国有色金属尾矿库概论》编辑委员会.中国有色金属尾矿库概论[R].北京：中国有色金属工业总公司.1992.

[11]冶金工业部长春黄金设计院.尾矿工程[M].北京冶金工业出版社.1986.

[12]李广治，尹光志，魏作安.基于上游式快速高堆坝工艺及关键力学问题研究[D].重庆：重庆大学博士论文.2012.

[13]范恩让，史剑鹏.尾矿堆积坝安全稳定性因素分析及对策[J].金属材料与冶金工程.2007.35(1)：33-36.

TD926.4+2

A

1004-1184(2017)05-0172-03

2017-07-14

任川江(1970-)，男，陕西兴平人，工程师，主要从事农田灌溉管理工作。

郑太林(1978-)，男，陕西紫阳人，工程师，主要从事地下水管理监测工作。