降雨条件下的尾矿库坝渗流特性数值模拟研究

朱 蒙，佘彤彤

(江苏省鸿源招标代理股份有限公司，南京 210000)

0 引 言

尾矿库坝的安全稳定评价是尾矿坝建设与管理的重要内容，影响尾矿坝安全稳定的影响因素较多，如地震[1-2]、库水位变动[3-4]、人工开挖[5]及降雨[6-7]，其中降雨导致的尾矿库的渗流破坏是其失稳的主要因素[8-9]。降雨导致尾矿库坝内部的水位上升，土体参数锐减，从而引起尾矿库坝的灾害。因此，对尾矿库坝在降雨条件下的渗流及稳定性研究尤为重要。

国内外学者对降雨条件下的库坝边坡渗流稳定性规律进行了大量有益研究。如秦世伟等[10]、郁舒阳等[11]对降雨条件下的不同非饱和参数对边坡渗流稳定性的影响进行了数值模拟研究；张继勋等[12]考虑到土工膜坝的破损特性，对其渗流稳定性进行了定量化分析；谢旭阳[13]从4个方面的因素分析了尾矿坝的致灾因素，着重建立了降雨条件下的尾矿库区的预警指标体系；张家荣[14]对尾矿坝在降雨条件下的渗流规律及其破坏原因进行了分析。这些研究多针对降雨的某一个特定过程，其假定成分较大，而尾矿坝的渗流稳定特性更多取决于其先期特性，如前期降雨等[15]。因此，目前针对前期降雨对尾矿坝的渗流稳定性规律的研究较少。

本文针对现有研究的不足之处，以洛阳市涩草湖尾矿库为工程背景，探讨不同类型前期降雨(前锋型前期降雨、中锋型前期降雨、后锋型前期降雨及平均型前期降雨)条件对后期主降雨下的尾矿坝渗透稳定特性的影响，以期为不同类型前期降雨对尾矿坝渗透稳定性规律的认识及其数值计算提供相应的参考。

1 计算理论

1.1 非饱和计算原理

非饱和渗流微分方程为：

(1)

式中：kr为透水率；kij为渗透张量；hc为水头；Q为源汇；C(hc)为容水度；θ为水头函数；n为孔隙率；Ss为单位贮水量。

1.2 非饱和边坡抗滑稳定理论

非饱和边坡抗滑稳定理论如下：

(2)

2 工程概况

涩草湖尾矿库拟建于洛阳市栾川县狮子庙镇三联村涩草湖下游的钻天道与大干沟内，位于炉场沟尾矿库西北侧，南侧紧邻炉场沟和磨沟。见图1。

图1 涩草湖尾矿库卫星图Fig.1 Satellite map of Shechao Lake tailings reservoir

该库初期坝为碾压堆石坝，坝顶标高约1 160.00 m，坝高79 m。初期库容401.0×104m3，有效库容293.0×104m3，可为30 000 t/d选厂服务0.5年。后期采用上游法堆坝，设计堆积标高1 280.00 m，平均堆积边坡1∶5.0，尾矿堆高120 m，总坝高199 m，总库容5 742.5×104m3，有效库容4 708.8×104m3，可为30 000 t/d选厂服务7.6年。尾矿库等别为二等，其主要构造物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。后期加高扩容拟在最终堆积1 280.00 m标高基础上，继续采用尾矿上游法加高100 m，设计最终堆积坝坝顶标高1 380.00 m，尾矿库总坝高299 m，总库容约13 203.4×104m3，按规范尾矿库等级为一等库。

3 模型及参数

选取涩草湖尾矿典型断面，根据地质勘测资料，其主要分为基岩、尾黏土、尾粉质黏土、尾粉土、尾粉砂、尾细砂和初期坝，见图2。尾矿坝由图2所示的初期坝为基础进行四级堆载，其中oa为110 m定水位边界，考虑尾矿坝正常运行工况，cde为90 m正常水位下的定水位边界，abc为降雨入渗边界，oe为不透水边界。

图2 计算模型及模型网格Fig.2 Calculation model and model grid

降雨类型往往存在4种典型形式[16]。取平均型降雨、前锋型降雨、中锋型降雨及后锋型降雨4种典型前期降雨，考虑前期降雨后的主降雨影响，其中前期降雨持续时间为5 d，控制4种不同类型降雨的总降雨量一定，为0.48 m，主降雨过程为持续8 h的强降雨，降雨总量为0.18 m，总降雨持续时间一共设置为10 d。不同降雨工况下的降雨过程曲线见图3。

图3 不同降雨工况下的降雨过程曲线Fig.3 Rainfall process curves under different rainfall conditions

尾矿坝的计算力学参数根据室内试验及现场勘测综合确定，见表1。

表1 不同材料物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of different materials

4 计算成果

4.1 尾矿坝表层孔压变化

为监测尾矿坝的表层孔压变化，设置典型监测点(图2)——上部监测点A与下部监测点B进行监测，其孔压变化规律见图4。

图4 不同表层孔压监测点孔压变化Fig.4 Changes of pore pressure at different surface pore pressure monitoring points

由图4可知，对于主降雨过程中，孔压有个突然升高的过程，这是因为主降雨的降雨强度较大，属于“短历时，强降雨”过程，这时孔压达到计算时间内的最大值。对下部监测点B来说，不同前期降雨后经历主降雨过程，最大孔压趋于一致，即不同类型前期降雨对主降雨过程中的峰值孔压无影响；而对于上部监测点A而言，不同类型前期降雨对主降雨下的孔压峰值大小有影响，即后锋型前期降雨>平均型前期降雨>中锋型前期降雨>前锋型前期降雨。

对于停雨后，不同类型前期降雨对停雨后的孔压影响不大，即不同类型前期降雨在停雨后尾矿坝坝坡不同位置的孔压变化一致，但是上部监测点、中部监测点与下部监测点的孔压变化则较为不同。对于上部监测点A来说，停雨后孔压呈现逐渐降低的趋势，且降幅较大；而下部监测点B则在停雨后孔压迅速平稳保持不变，孔压降幅较小。

4.2 尾矿坝纵深孔压变化

为监测尾矿坝的纵深孔压变化，设置典型监测面(图2)——上部监测面A与下部监测面B进行监测，其孔压变化规律见图5。

图5 不同纵深孔压监测面孔压变化Fig.5 Changes of face pressure in different depth hole pressure monitoring

由图5可见，初始状态下，上部监测面A在一定高程孔压保持不变，而下部监测面B则一直保持线性增大的规律。随着时间的推移，表层孔压逐渐增大，而下部高程的孔压增幅则相对较小。降雨结束后，表层的孔压则缓慢回落，而“湿润锋”逐渐向尾矿坝深部发展。值得注意的是，尾矿坝内部距离库水位区越近，尾矿坝整体上的孔压也越大。

4.3 尾矿坝安全稳定变化规律

不同工况下的尾矿坝稳定系数变化见图6。

图6 安全系数变化Fig.6 Change in safety factor

前期降雨条件下，尾矿坝安全系数呈现持续下降的规律。在主降雨过程中，安全系数降幅更大，最终安全系数降幅逐渐减小并最终趋于稳定。总体而言，前锋型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨与中锋型降雨，最后是后锋型降雨。在停雨后，计算时间结束后的不同类型前期降雨安全系数降幅：(平均型前期降雨、前锋型前期降雨、中锋型前期降雨及后锋型前期降雨)分别为12.15%、13.98%、18.87%及25.12%。可见，安全系数降幅在逐渐增大的同时，不同类型前期降雨下的安全系数降幅差异也在逐渐增大，呈现出不同类型前期降雨影响尾矿坝长期安全稳定性的规律。

5 结 论

本文依据饱和-非饱和原理，利用岩土分析专业软件Geostudio，对尾矿坝在前期降雨及主降雨条件下的渗流稳定性进行了数值模拟研究，得出以下结论：

1) 前期降雨过程中，不同前期降雨影响了孔压最先达到最大的时刻，“短历时，强降雨”下主降雨过程中，孔压有个突然升高的过程。停雨后，不同类型前期降雨对停雨后的孔压影响不大，但是边坡不同位置表层孔压变化具有差异。

2) 随着时间的推移，表层孔压逐渐增大，而下部高程的孔压增幅则相对较小。降雨结束后，表层的孔压则缓慢回落，而“湿润锋”逐渐向尾矿坝深部发展。

3) 前期降雨条件下，尾矿坝安全系数呈现持续下降的规律。在主降雨过程中，安全系数降幅更大，然后安全系数降幅逐渐减小并最终趋于稳定。前锋型降雨下降速度最快，其次是平均型降雨与中锋型降雨，最后是后锋型降雨。