降雨持续时间对某加高扩容尾矿坝渗流稳定性影响分析

霍晨玮，沈振中

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

造成尾矿坝失稳的原因众多，其中强降雨引起的尾矿坝渗流破坏是失稳的主要原因之一[1-3]。尾矿坝溃坝实例调查研究表明，很多溃坝事故均发生在区域性强降雨之后[4-6]，降雨入渗导致尾矿坝表层非饱和尾砂的含水量增加，基质吸力下降，坝体抗剪强度降低[7]，进而威胁尾矿坝的稳定性。在我国，早期建设起来的尾矿坝已达到或接近最初设计坝高，由于种种原因需要继续加高扩容。但是，坝体逐渐加高以后，其稳定性及渗流问题将越来越突出，尾矿坝一旦失稳，相关企业的经济发展、下游居民的生命财产安全以及周围地下水和江河流域的水质将受到巨大危害[8]。因此，开展降雨入渗对加高扩容尾矿坝渗流稳定性研究至关重要。本文以某加高扩容尾矿坝为研究对象，基于非饱和-饱和渗流理论和极限平衡法，利用Geostudio计算软件进行数值模拟，探讨降雨强度一定或总降雨量一定情况下降雨持续时间对渗透稳定性规律的影响。

1 计算模型

1.1 工程背景

我国河南省栾川县某上游式尾矿库建于一条狭长山谷内，沟谷断面形状多呈“V”字形。该尾矿库初期坝坝型为碾压堆石坝，坝顶标高1 025 m，坝顶坝高54 m，坝顶宽4 m，上游边坡1∶1.6，下游边坡1∶1.7。二期加高扩容工程采用上游法加高尾矿坝，堆积标高1 170 m，总坝高199 m，总库容1 823.98万m3，为二等库。

1.2 材料分区和边界条件

选取该加高扩容尾矿坝典型断面，根据工程地质、水文地质资料以及颗粒级配情况，将其划分为尾粉质黏土、尾粉土、尾粉砂、初期坝和基岩五个区域。分别于坝坡的顶部、中部和底部的表层选取特征控制点A、B、C，特征控制点所在断面为特征控制断面a、b、c，建立如图1所示的计算模型，有限元计算模型网格划分见图2，共包含节点数2 953个、单元数2 826个。该加高扩容尾矿坝计算模型的力学边界条件：限定基岩的水平和竖直方向的位移。地下水渗流边界条件：基岩底端为不透水边界，上游水位按正常运行水位确定，无下游水位，初期坝面、堆积坝面、坝顶滩面作为降雨入渗边界。

图1 坝体典型断面图Fig.1 Typical section of the dam

图2 坝体典型断面有限元网格Fig.2 Finite element mesh of typical section of dam body

1.3 计算参数

依据地质勘测数据及工程经验值，组成该尾矿坝的材料物理力学参数见表1。渗流特性分析计算中，已知各分区材料的饱和体积含水率和饱和渗透系数，结合Geostudio内置材料库估算其体积含水率函数和水力传导率函数；边坡稳定性研究计算中，本构模型采用Mohr-Coulomb模型，是一种理想弹塑性模型。

表1 材料物理力学性质

1.4 计算工况

本文分析降雨持续时间对该加高扩容尾矿坝的影响，主要考虑两种情况：相同降雨总量下不同降雨时长和相同降雨强度下不同降雨时长。

表2 计算工况

2 计算结果与分析

2.1 加高扩容尾矿坝渗流特性分析

为了全面分析该加高扩容尾矿坝渗流稳定性受降雨时长的影响规律，选取尾矿坝表层特征控制点A、B、C，分别反应尾矿坝表层不同位置点的孔隙水压力变化规律；选取特征控制点所在断面为特征控制断面a、b、c，反应尾矿坝孔隙水压力随坝内高程的变化规律。

2.1.1 特征控制点处孔隙水压力变化规律

1)降雨总量相同，降雨历时不同

降雨总量为180 mm，降雨历时分别为8、12、16和20 h，坝坡表层特征控制点A、B、C的孔隙水压力变化见图3。由图3可知，各特征点的孔压变化规律一致，即随着降雨时长的增加而不断升高。降雨总量一定条件下，降雨时间短、降雨强度大时，坝坡表层的负孔隙水压力增大速率更快；降雨历时不同的同一特征点雨停时的孔隙水压力变化量相等，这是由于降雨强度始终低于边坡土体的渗透系数，雨水通过坝坡表面完全渗入到坝体内部，使得坝坡浅层土壤的孔压逐渐增大，但孔压依旧为负，未出现暂态饱和区；雨停时，特征点A、B、C的孔压分别增大约128.77、35.00和133.98 kPa，这是由于雨水通过表面渗入后，从坝体内部流向下游，因此坝坡下部孔隙水压力变化量最大。

图3 降雨总量相同条件下特征点孔压变化随时间的变化Fig.3 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall amount

2)降雨强度相同，降雨历时不同

降雨强度为12 mm/h，降雨历时为8、12、16和20 h，坝坡表层特征控制点A、B、C的孔隙水压力变化见图4。由图4可知，各特征点的孔压变化规律一致，即随着降雨时长的增加而不断升高。降雨前，特征点B处的孔压最大，特征点A处的孔压最小；降雨历时20 h后，特征点B处的孔压最小，特征点C处的孔压最大；降雨强度一定条件下，特征点B处的孔压变化率最小，特征点C处的孔压变化率最大。不同降雨历时各特征点孔压变化率见表3。

表3 特征点孔压变化

图4 降雨强度相同条件下特征点孔压变化随时间的变化Fig.4 Variation of pore water pressure at characteristic points with time under the same rainfall intensity

2.1.2 特征断面孔隙水压力纵向变化规律

选取工况降雨强度12 mm/h、降雨时长20 h，探讨不同特征断面的纵向孔压变化规律，见图5。初始状态下，特征断面a和特征断面b上孔压与高程呈线性关系，特征断面c在一定高程以上孔压保持不变；随着降雨时间的推进，各断面下部高程的孔压几乎不变，表层孔压逐渐增大，其中断面c的表层孔压变化率最大，有形成暂态饱和区的趋势，负孔隙水压力趋于零，整体基质吸力近乎消失。

图5 孔隙水压力纵深变化规律Fig.5 Variation law of pore water pressure depth

2.2 加高扩容尾矿坝稳定性研究

采用极限平衡法，研究该加高扩容尾矿坝在降雨量一定或降雨强度一定条件下坝坡稳定性系数随降雨时长的变化规律，见图6。随着降雨时间的推移，尾矿坝安全系数持续减小。降雨总量一定条件下，降雨时间越短、降雨强度越大，尾矿坝安全系数降低速率越快；降雨总量达到180 mm时，降雨时间长、降雨强度小时的安全系数最小，降雨时长8、12、16、20 h后尾矿坝安全系数分别为1.178 6、1.178 2、1.177 9、1.177 7，降幅分别为0.15%、0.19%、0.21%、0.23%。降雨强度一定条件下，随着时间的推移，安全系数逐渐降低，降雨时长8、12、16、20 h时尾矿坝安全系数分别为1.179 3、1.178 5、1.177 8、1.177 2，降幅分别为0.09%、0.16%、0.22%、0.27%。

图6 尾矿坝安全系数随时间的变化Fig.6 Variation of safety factor of tailings dam with time

3 结论

本文基于饱和-非饱和渗流理论和极限平衡法，利用Geostudio计算软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块，考虑降雨总量一定或降雨强度一定条件下降雨持续时间对某加高扩容尾矿坝渗流特性和稳定性的影响。通过分析可得如下结论：

1)随着降雨时间的推移，坝体下部高程的孔压几乎不变，降雨入渗使得坝坡表层非饱和区含水量增大，表层孔隙水压力上升，基质吸力降低，从而导致尾矿坝稳定性降低。

2)降雨总量一定条件下，降雨时间短、降雨强度大时，表层孔隙水压力变化率大，但最终对坝坡稳定性造成的影响小；降雨时间长、降雨强度小时，表层孔隙水压力变化率小，但最终对坝坡稳定性造成的影响大。

3)降雨强度一定条件下，随着降雨时间的推移，尾矿坝安全系数随着降雨量的增大而减小。