降雨入渗和洪水作用下穆棱尾矿坝的稳定性

韩 雪, 许誉浩

(黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨150022)

0 引 言

尾矿坝是矿山的重要工程之一，同时也是一个具有高势能的人造泥石流危险源，其投资及运行费用巨大。伴随矿业工程的不断发展，尾矿坝失事屡有发生。尾矿坝失事不仅使尾矿流失严重，而且破坏下游地区的生态环境，造成巨大的生命及财产损失[1]。据不完全统计，导致尾矿坝溃坝等事故的直接原因中，洪水(水位快速上涨对周边造成威胁的水流现象)约占50%，渗流破坏约占20%，坝体稳定性不足约占20%，其他约占10%[2-3]。在尾矿库不稳定边坡变形特征及滑动机制、时变分析模型等研究基础上[4-5]，文中以穆棱尾矿坝为研究工程背景，采用数值分析方法，研究不同降雨强度、不同水位高度下的坝体孔隙水压力、干滩长度及安全系数随时间的变化规律，以期防治尾矿坝溃坝事故的发生。

1 工程概况与基本力学性质实验

1.1 工程概况与工程地质条件

尾矿坝位于穆棱市河西乡双兴村北的沟谷内，处于沟谷中段，该沟谷地势北高南低。尾矿坝下游1.18 km处双兴村约有800住户。坝体长185.2 m，坝顶标高为420～450 m。初期坝坝高14 m，堆积坝高度4 m，总坝高18 m，总库容63.95万 m3，尾矿坝筑坝形式为透水型碾压式土石混合坝，设计等级为五级。堆积坝的形式为上游式筑坝法，其主要优点坝体需要的外部填料少，沉积滩上的尾矿砂是最实用的筑坝材料，使筑坝成本最低。

尾矿库地质资料表明，库内岩土层有五层。第一层：表土，黑色，润湿，松散，分布于沟谷漫滩区。第二层：粉质黏土，黄色—黄褐色，软塑，干强度中等，韧性中等，含少量粗砂，主要分布于沟谷漫滩区。第三层：细粒混合土，黄褐色—灰黄色，软可塑，以粉质黏土为主，碎石约占20%～40%，该层主要分布在谷底漫滩区两侧。第四层：粗粒混合土，黄褐色，饱和，黏性土约占10%～30%，由于上游库水渗透和地表水渗入，该层土处于饱和状态且地下水具承压性。第五层：强风化砂岩，褐色、灰黄色，饱和，以细砂岩为主，局部为粉砂岩，主要分布在坝址区西侧山林。

1.2 基本力学性质实验

初期坝主要组成部分为粉质黏土，尾矿砂由尾矿浆脱水后产生的固体工业废料与细粒混合土、粗粒混合土等土体混合而成。黏土与尾矿砂的物理力学参数测定根据土工实验手册[6-8]，每种土样制备6组试件在土力学实验室进行测试，通过直接剪切实验测得土体的黏聚力与内摩擦角等参数，通过变水头实验测得尾矿砂的渗透系数。各组土样测试数据采用强度拟合曲线统计获得内摩擦角和黏聚力参数，初期坝土样强度拟合曲线相关系数为0.96，其他尾矿砂强度拟合曲线相关系数在0.93～0.95。实验器材与土样制备如图1～4，数据采用统计分析方法得物理力学参数见表1。

图1 直剪实验仪器

图2 制备土样

图3 变水头实验装置

图4 渗透系数测定

表1 物理力学参数

2 模型建立

2.1 数值计算模型与边界条件

尾矿坝坝体高度h18 m，坝长l185.2 m，有限元网格划分单元尺寸为2 m×2 m。依据工程地质条件，计算模型有限元网格按6个区域划分，分别为初期坝、尾细砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和地基风化砂岩，如图5所示。分析模型采用Geostudio的seep/w分析模块，对坝体降雨入渗和洪水边界条件进行设置。降雨入渗量计算范围10～25 mm/h，洪水边界高度计算范围16.5～17.3 m。坝体土物理力学计算参数按表1。

图5 数值模型网格

2.2 计算工况

采用三种计算工况。

(1)工况一。分析降雨入渗条件下，不同降雨强度，坝体孔隙水压力、安全系数随时间的变化。

(2)工况二。分析洪水水位升降，坝体干滩长度、安全系数随时间的变化。

(3)工况三。分析洪汛期最高水位时，降雨入渗与洪水最高水位共同作用，坝体安全系数随时间的变化。

2.3 土水特征曲线确定

非饱和土-水特征曲线获得方法主要有，实验测定法和经验拟合法[9-13]。数值计算一般采用函数拟合法。尾矿坝分析模型的6个区域，即初期坝、尾细砂、尾中砂、尾粉砂、尾粉土和坝基。非饱和土层主要以粉质黏土与尾细砂为主。经对不同拟合函数模型和工程地质特征分析，穆陵尾矿坝降雨入渗作用分析中，非饱和土的土水特征曲线宜采用Fredlunt-Xing函数拟合法获得，最终的拟合曲线如图6所示。

图6 非饱和土层基质吸力与体积含水率曲线

3 计算结果与分析

3.1 降雨强度对孔隙水压力与安全系数的影响

3.1.1 孔隙水压力

采用Geostudio中的seep/w模块，分析坝体孔降水强度p随降雨强度r和持时t的变化，图7和8分别是降雨强度为10和25 mm/h的坝体孔隙水压力随降雨持时的变化情况。

由图7、8计算分析表明，降雨强度为10 mm/h时，坡面流径随降雨持时的增加而加强，降雨持时较短时，坝体边坡表面为负孔隙水压力，坡面流径在第2、4、6 d时并不明显，在第8 d时径流明显加快；当降雨强度为25 mm/h时，坡面径流速率与范围明显强于降雨强度较小时，坡面孔隙水压力逐渐从负孔压转变为正压，孔隙水压力的增大会造成土体抗剪强度降低，同时坝体内部的径流作用和强降雨对边坡的冲刷，导致坝体稳定性降低。

图7 降雨强度10 mm/h时孔隙水压力

3.1.2 安全系数

分别对降雨强度γ为10、15、20、25 mm/h的坝体稳定系数进行计算，得出安全系数α随时间变化曲线如图9所示。

图8 降雨强度25 mm/h时孔隙水压力

图9 不同降雨强度下安全系数随时间的变化

由图9曲线可知，总体上不同降雨强度坝体安全系数均随降雨时间的增加而降低，但变化规律存在差异。降雨强度10 mm/h时，坝体的安全系数在第1～4 d缓慢下降，由于坝体内空隙水压力变化影响，第5 d甚至有所回升，随后继续缓慢下降；降雨强度15 mm/h时，坝体的安全系数在第1～4 d时基本保持不变，之后出现较快速率降低；降雨强度20和25 mm/h时，坝体安全系数随降雨持时持续降低，而且变化速率快于较低雨强。综上，不同雨强坝体安全系数随降雨持时的增加而降低，且雨强越大降低速率越快。

3.2 洪水水位对干滩长度与安全系数的影响

3.2.1 干滩长度

采用Geostudio软件中的seep/w模块，对坝体水位变化进行模拟分析，得出不同水位h1干滩长度lg随时间的变化曲线如图10所示。

图10 不同水位干滩长度随时间的变化曲线

图10可以看出，不同洪水水位，干滩长度均随作用时间的增加而缩短；干滩长度变化速率随洪水水位的升高而降低。

3.2.2 安全系数

采用Geostudio中的slope/w模块，对坝体水位变化进行模拟分析，得出不同水位坝体安全系数随时间的变化曲线如图11所示。

图11 不同水位坝体安全系数随时间的变化曲线

由图11可知，在正常蓄水水位16.5 m时，随作用时间坝体安全系数比较缓慢的降低，且在第4～5 d、与7～8 d有较小幅度地回升；当水位升高到16.8、17.3 m时，坝体安全系数随作用时间下降速率明显大于正常蓄水水位；当水位上涨到洪汛期最高水位时，坝体的安全系数降低速率进一步加快。综上，坝体安全系数随水位的升高而降低，且降低速率与洪水水位正相关。

3.3 降雨入渗与洪水共同作用对安全系数的影响

采用Geostudio对坝体在降雨入渗和洪水共同作用进行分析，得到降雨洪水作用坝体安全系数随时间的变化曲线，并与25 mm/h单降雨作用和汛期最高洪水水位单作用进行比较，如图12所示。

图12 降雨洪水作用下坝体安全系数随时间的变化曲线

由图12可知，在单一边界条件下，降雨入渗对坝体安全系数的降低作用大于洪水作用；在二者共同作用下，坝体安全系数随作用时间的增加而降低，同一时点坝体安全系数均低于降雨入渗或洪水单一作用情况。

3.4 坝体稳定性评价

通过上述对坝体在不同边界条件下孔隙水压力、干滩长度及安全系数的研究，取最不利截面结合简化Bishop法，计算坝体抗滑稳定性的最小安全系数见表2。

表2 简化Bishop法计算结果

表2计算结果表明，穆棱尾矿坝的抗滑稳定性系数在降雨入渗、洪水运行以及降雨洪水共同作用情况下均符合五等库安全标准。

4 结 论

(1)坝体孔隙水压力随降雨强度和持时的增加而增大，坝体安全系数随降雨持时快速下降并最终趋于稳定。

(2)坝体干滩长度、安全系数随洪水水位升高和作用时间增加而线性降低。

(3)降雨洪水共同作用是易引起坝体失稳的不利组合，坝体安全系数降低速率大于降雨、洪水单一作用。

(4)按照五等尾矿坝安全运行的稳定系数要求，穆棱尾矿库在降雨、洪水单一作用和共同作用下，评定为稳定级。