某中线式尾矿坝三维渗流特性分析

岑 建， 郑学鑫， 严 俊

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038；2.中国水利水电科学研究院， 北京 100038)

1 前言

尾矿库是矿山重要的安全环保设施。目前，国内尾矿库大多采用湿排方式，并且利用尾砂进行筑坝，而利用尾砂筑坝的尾矿库主要以上游法为主，中线式较少。上游法尾矿库是在初期坝上游方向利用尾砂堆积筑坝，特点是堆积坝坝顶轴线逐级向初期坝上游方向推移；中线式尾矿库是在初期坝轴线处采用旋流器分离后的粗尾砂填筑堆积坝，堆积坝坝顶轴线与初期坝轴线基本保持不变。

尾矿坝是尾矿库外围的拦挡构筑物，直接关系到尾矿库的安全。当其渗流稳定性不足时，将可能发生失稳破坏，根据国家相关规范要求，尾矿坝必须满足渗流控制要求[1]。由于尾矿坝的渗流安全受库型条件影响很大，不同尾矿库渗流特性差异较大，进行三维渗流模型试验研究或者数值模拟，成为了解尾矿库空间渗流规律的重要手段。近年来，广大工程人员和科研人员对尾矿库空间渗流问题开展了一系列研究工作[2-5]。这些研究成果大多针对上游法尾矿库的渗流问题，中线式尾矿库渗流涉及较少，本文以国内某典型中线式尾矿库为例利用三维数值模拟手段进行尾矿库空间渗流场分析研究。

2 工程简介

某尾矿库尾矿坝采用中线式尾矿筑坝法，初期坝位于堆积坝底部，为碾压式黏土斜墙防渗土石坝。堆积坝采用分级后的尾砂堆筑，平均堆积外坝坡为1∶3.5，拦砂坝为透水堆石坝位于堆积坝下游。目前坝顶标高为270.00m，坝顶宽40m，坝高198.00m。在现阶段条件下，该尾矿坝还要加高10m至208m标高，尾矿库等别为一等。为了解最终状态时尾矿坝的渗流稳定性，采用三维数值分析方法，研究该尾矿库的渗流特性。

在进行最终坝高时的渗流分析研究前，采用反演手段结合工程勘察数据，对尾矿坝各岩土材料进行了渗透系数的确定工作，也为后续工作提供了依据。

尾矿库包含主要支沟的区域平面布置如图1所示。

图1 尾矿库平面布置示意图

3 渗流模型与材料参数

3.1 渗流计算模型

根据工程勘察报告，典型剖面2- 2处的尾矿库主要岩土层分布情况如图2所示。主要包括库内尾粉砂②-1、②-2、②-3、②-4，坝体尾粉砂③-1、③-2、③-3、③-4，尾粉土④，尾粉质黏土①，尾黏土⑥，强风化千枚岩⑤-1，中风化千枚岩⑤-2，以及初期坝(黏土斜墙和堆石料)、拦砂坝(堆石料)、排渗垫层(碎石料)。

在建立三维有限元模型时，充分考虑各岩土层分布情况并进行适当概化分区，主要地形条件应在模型中有所反应。

尾矿库三维渗流分析中，模型范围如下：

模型底高程：取至0.00m高程；从现状坝体中心线至左右岸均取至1 500m；从坝轴线向上游方向取至1 800m；向下游方向取至1 200m。

模型生成后主要由六面体8结点等参元和局部区五面体6结点过渡性等参元组成，以前者为主，共有220 566个单元和236 228个结点。网格中对库内尾矿砂及坝体尾矿砂等地质结构进行了较细致的模拟。图3所示为尾矿库最终坝高时的三维有限元网格模型，图4所示为网格中尾矿库中部的典型断面图。

图3 尾矿库终期尾矿坝三维有限元网格模型

图4 坝体中部典型剖面情况

3.2 渗流计算材料参数

结合工程勘察报告及渗流反演结果，尾矿库各岩土材料渗透系数见表1。

表1 尾矿库各岩土材料渗透系数

4 渗流场计算结果及分析

4.1 计算工况

计算工况考虑两种，分别为正常运行工况：上游水位276.0m，下游水位66.0m；洪水运行工况：上游水位278.5m，下游水位66.5m。

4.2 边界条件

计算域四周截取边界条件分别假定为：计算域的底边界视为隔水边界面；上游截取边界、下游截取边界以及左岸截取边界、右岸截取边界则均取为第一类水头边界；对于地表边界，坝轴线上游侧，低于库水位的地方为已知水头边界(上游正常蓄水位为276.0m，设计洪水位为278.5m)，高于河或库水位的地方为渗流可能逸出面；在坝轴线下游侧，同样低于下游水位的地方为已知水头边界条件(下游正常尾水位为66.0m，设计尾水位66.5m)，高于下游水位的地方均为可能渗流逸出面。

4.3 尾矿库空间渗流场计算结果与分析

正常运行工况和洪水运行工况下，库区整体三维、二维渗流场分布如图5至图8所示。

图5 库区整体三维渗流场流线分布图

图6 库区1- 1剖面水头等值线分布图

图7 库区2- 2剖面水头等值线分布图

图8 库区3- 3剖面水头等值线分布图

在正常蓄水位及设计洪水位下：整体上看各工况下库区整个渗流场的水头分布规律合理，水头等值线形态、走向和密集程度都较准确地反映了相应区域防渗或排渗措施的特点、渗流特性和边界条件，渗流控制效果也得到了正确反映。

尾矿库空间渗流场具有以下特点：

(1)左岸山坡较高，该段浸润线较主坝段高，根据计算结果，在正常水位、设计洪水位下，该山体部位浸润线在下游坝坡下的埋深分别为28.5～67.6m、28.7～67.3m，浸润线基本上均沿山体边坡的地形坡度向尾矿坝坝下游汇集入坝基排渗垫层内。

(2)尾矿坝段由于在设置了排渗垫层的作用，浸润线由三段组成：①自沉积滩至初期坝坝前部分，该部分主要为尾粉土、尾粉质黏土以及沉积滩尾粉砂，浸润线的下降较为平缓。各工况下，到达初期坝顶处标高比库水位分别约降低了64.5m、64.1m。②初期坝下游至排渗垫层段，该段浸润线有较为明显的跌落，各工况下主坝段浸润线下降了约123.8m、123.8m，排渗垫层的排渗效果较为明显。③排渗垫层以下，该段从排渗垫层起始端以比较平缓的坡度浸没入排渗垫层内，各工况下浸没点距初期坝坝下游坡脚约358.0m、358.0m。

(3)右岸山坡高于主坝段，该段浸润线也较主坝段高，根据计算结果，各工况下该山体部位浸润线在下游坝坡下的埋深为16.2～38.2m、16.0～38.1m。

(4)根据计算，各尾砂层水力比降均未超过其允许比降，最大比降发生在初期坝后排渗垫层内，位于浸润线下跌部位。

5 结论

通过建立某中线式尾矿库三维有限元模型，进行了正常运行条件和洪水运行条件下的尾矿库渗流计算分析，得到了该尾矿库三维渗流场分布的规律，两侧山坡浸润线明显高于在谷底设置有排渗垫层区域，渗流场排渗垫层区域有明显的跌落，排渗垫层效果明显，整体上看库区整个渗流场的水头分布规律合理，排渗措施、边界条件等都得到了较准确的反映。

根据三维渗流计算结果看，中线式尾矿坝浸润线的埋深较深，相应的安全性较好；中线式尾矿库坝下排渗措施即排渗垫层对尾矿库整体渗流场影响较明显，在尾矿库施工和设计过程中应对其重点关注。