程 良，李宏儒，馬 遼，王神尼，張 盼

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

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垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)對某尾礦壩排滲效果的影響研究

程 良，李宏儒，馬 遼，王神尼，張 盼

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

對于尾礦壩因排滲不及時引起壩體中水量聚集、有效應(yīng)力減小、抗剪強(qiáng)度降低、固結(jié)排水困難等問題，利用SEEP-3D軟件建立三維有限元模型，模擬尾礦壩中設(shè)置垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)后其排滲效果。結(jié)果表明：不同布置形式下的垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)都能有效降低尾礦壩浸潤面埋深，其中水平排滲管間距20 m、管長50 m，垂直排滲井管長3 m的排滲方案效果最為明顯；當(dāng)壩體不同部位存在夾泥層時垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)能有效降低壩體浸潤面，起到良好的排滲效果。

尾礦壩；浸潤線；聯(lián)合排滲系統(tǒng)；夾泥層

我國尾礦排放量巨大，除有部分回填礦山外，其余都已采用構(gòu)筑尾礦壩方式存儲[1]。尾礦壩是選礦廠安全生產(chǎn)的一個重要組成部分,是礦山三大控制性工程之一[2]，做好尾礦壩的安全控制事關(guān)重大。鄭欣等[3]對尾礦壩潰壩因素進(jìn)行了分析，并總結(jié)了失穩(wěn)模式。尾礦壩潰壩歸結(jié)起來是由多因素共同作用的結(jié)果，其中壩體浸潤面埋深影響較為明顯，在浸潤線以下壩體自重下降、有效應(yīng)力降低，壩體的抗剪強(qiáng)度也隨之下降，若滲流問題不能得到很好的解決，將會給尾礦壩安全造成重大隱患[4-7]。對于尾礦壩降低浸潤面的措施主要有設(shè)置排水墊、排滲墻、增設(shè)集水井等[8]，隨著選礦設(shè)備的改進(jìn)，細(xì)粒尾礦料越來越多，對于以往控制尾礦顆粒的方法來加速壩體排水固結(jié)來滿足壩體穩(wěn)定性的方式已經(jīng)不適用[9]，細(xì)粒尾礦含量的增加會導(dǎo)致尾礦固結(jié)度降低、浸潤線抬升、庫容變小等不利影響[10,11]。

余新洲[12]等為了解決細(xì)粒尾礦排水固結(jié)困難的問題，總結(jié)以往細(xì)粒尾礦壩的排滲方案，提出了在尾礦壩堆積過程中鋪設(shè)水平—垂直土工合成材料組成壩體的三維排滲系統(tǒng)的施工方案，通過建立尾礦壩二維有限元滲透模型，證實了該方法的可靠性。針對二維有限元滲透模型難以模擬尾礦壩實際滲流場的問題，本文利用SEEP-3D軟件以烏魯干塔什鉛鋅礦區(qū)尾礦壩工程為對像，建立三維有限元模型，研究不同布置形式的垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)對壩體排滲效果的影響。

1 模型概化及計算參數(shù)

1.1 建立計算模型

尾礦壩初期壩采用碾壓堆石壩壩底標(biāo)高2 150 m，壩頂標(biāo)高2 174 m，壩高24 m，上游坡比為1:2.5，下游坡比為1:3，在壩的上游坡設(shè)土工布、土工膜及碎石反濾層，反濾層上游設(shè)塊石護(hù)坡，反濾層下游為土石混合料。后期尾礦堆積壩采用上游式尾礦筑壩方法，坡比1:6，最終堆積壩頂標(biāo)高為2 234 m，總壩高84 m，有效庫容約5 533.2萬 m3，服務(wù)年限24.2 a。

擬建尾礦壩為三等庫，計算分析時干灘長度選為100 m，上游水頭邊界高程為2 230.8 m，由于初期壩為透水堆石壩，下游水頭邊界選在初期壩壩趾處為自由透水面，模型左、右邊坡和底部設(shè)置為不透水邊界。壩身排滲系統(tǒng)自初期壩壩頂設(shè)置6排水平排滲管，垂直間距10 m，水平間距10 m，管長60 m，平行布置。

模型最大寬度200 m，壩長420 m，包括初期壩、堆積壩和擬設(shè)計排滲管，計算模型共2 851個塊體，劃分173 279個單元，173 279個節(jié)點，三維計算模型網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 壩體網(wǎng)格劃分圖

圖2 不同排滲管系數(shù)下壩體浸潤線圖

1.2 滲透系數(shù)的確定

1.2.1 排滲管不同透系數(shù)下浸潤面埋深

排滲管采用的是直徑為200 mm，管面有梅花型孔洞、管外包裹400無紡?fù)凉げ嫉腜VC管組成，在建模時采用改變壩體部分材料滲透系數(shù)的方法代替排水管。參考陜西柞水曬裙嶺尾礦壩浸潤線實測數(shù)據(jù)，設(shè)計與其相似的排滲方案(1.1部分已說明)，通過試算確定符合本文擬建尾礦壩所選用排滲管的滲透系數(shù)。

排滲管滲透系數(shù)分別取0.3 cm/s、0.35 cm/s 、0.4 cm/s、0.5 cm/s時浸潤線的位置如圖2，通過各排滲管系數(shù)下壩體浸潤線走勢可以得出，取排滲管滲透系數(shù)為0.35 cm/s時，壩體浸潤面走勢和降深與理論和實際較吻合。因此，本文將排滲管滲透系數(shù)定為0.35 cm/s。

1.2.2 尾礦料滲透系數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場取得的尾礦試樣由試驗得出，擬建尾礦壩堆積壩材料主要有兩大類：尾細(xì)砂和尾粗砂。按照尾礦壩沉積特性和工程勘測資料，將尾礦堆積壩材料劃分七層，各層尾礦料滲透系數(shù)見表1。

表1 尾礦壩各層材料滲透系數(shù)

2 排滲方案與計算

2.1 各垂直—水平聯(lián)合排滲方案對比

王濤[13]運用AHP法分析表明，排洪系統(tǒng)對于尾礦壩安全運行影響最大，對于做好尾礦壩排洪、排滲工作事關(guān)重大?？紤]到排滲管管壁外土工布直接與尾礦砂接觸，細(xì)小尾礦顆粒容易附著于土工布上，長時間工作導(dǎo)致土工布過濾功能失效、排滲孔堵塞等排滲不良的現(xiàn)象，單一的排滲方案已不能適應(yīng)實際工程的需要。為確保壩體排滲安全，保證浸潤面在安全埋深范圍內(nèi)，在排滲管端部加設(shè)排滲井，組成垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)，利用排滲井收集尾礦中的水，排滲管起到排滲加導(dǎo)流的作用。

本文排滲井高度統(tǒng)一為3 m，底部與排滲管相連，水平排滲管坡度 1.5%，排滲管出口處與縱向排水槽連接，經(jīng)兩壩肩排水溝將水排出壩外。垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)縱斷面示意圖見圖3。為對比分析所選排滲井所組成的垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)的排滲效果，四種方案下排滲管布置情況見表2。

表2 各方案下排滲管布置情況

排滲管與排滲豎井布置縱斷面示意圖如圖3所示。

圖3 垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)縱斷面示意圖

2.2 計算結(jié)果分析

圖4～圖6是壩體最大橫斷面上各方案下，浸潤面最小埋深處有、無豎井浸潤面最小埋深、滲透坡降和滲流流速對比曲線。綜合比較得出，方案1加設(shè)垂直排滲井后，浸潤面最小埋深下降幅度最大達(dá)到1.7 m，排滲井利用率高，作用效果明顯，雖然方案2、方案3、方案4在加設(shè)排滲井后浸潤面最小埋深均滿足規(guī)范要求，但排滲井利用率依次減小，降深幅度逐漸下降，并與所選最優(yōu)排滲管方案相比，浸潤面最小埋深最大相差0.7 m?？紤]到擬建尾礦壩位于9度地震區(qū)，防止僅設(shè)置排滲管方案時，排滲管發(fā)生淤堵，浸潤面抬升，危及壩體穩(wěn)定性，為了提高安全儲備，確保壩體滲流穩(wěn)定性，選擇方案1即間距20 m排滲管長50 m尾部加設(shè)3 m深排滲井組成垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)作為此尾礦壩最終排滲方案。

圖4 各方案下浸潤面最小埋深對比圖

圖5 各方案下滲透坡降對比圖

圖6 各方案下有、無豎井滲流流速對比曲線

(a)夾層下部浸潤面關(guān)系曲線 (b)夾層上部浸潤面關(guān)系曲線

3 含泥夾層對壩體排滲效果的影響

尾礦沉積具有明顯的分層性，各尾礦層間可能存在尾礦泥夾層，其滲透系數(shù)要比尾礦砂小，容易造成尾礦壩排滲不暢，形成有壓滲流，當(dāng)庫水位較高時，滲透壓力增大，此時極易造成尾礦壩滑坡或管涌等形式的破壞。

針對上述確定的最優(yōu)排滲方案下，為了檢驗排滲方案的效果，設(shè)置了距壩頂50 m、40 m、30 m、20 m、10 m存在泥夾層的5種工況，計算分析有、無垂直排滲井下含泥夾層對壩體排滲效果的影響。

從圖7可知，無排滲井工況下下尾礦泥上、下部浸潤面變化趨勢隨尾礦泥夾層距壩頂越遠(yuǎn)，其上部浸潤面抬升越明顯，當(dāng)尾礦泥夾層逐漸上移時，其上部浸潤面埋深越大，而下部浸潤面隨著尾礦泥夾層上移其最小埋深呈現(xiàn)V型變化；當(dāng)尾礦泥夾層位于壩體中部以下時，其浸潤面隨尾礦泥夾層上移而被抬高，距離壩坡面越近，當(dāng)尾礦泥夾層位于壩體中部以上時，其浸潤面隨尾礦泥夾層上移而降低，距離壩坡面越遠(yuǎn)，說明尾礦泥夾層位于壩體中部時對壩體排滲效果影響最大，壩體安全性最低。

可以看出尾礦壩泥夾層對壩體排滲效果影響較大，工程中應(yīng)當(dāng)加以重視，施工中應(yīng)努力提高放礦工藝，控制好各種尾礦料的堆放位置以便組成合理的滲透系數(shù)比，加強(qiáng)施工質(zhì)量管理，盡量避免或減少尾礦泥夾層的存在。

4 結(jié)語

利用三維有限元軟件對某尾礦壩采用的不同方案下垂直—水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)和尾礦壩不同部位存在夾泥層的不利工況進(jìn)行了計算，到了以下結(jié)論。

(1)通過與類似工程對比，成功確定出擬設(shè)排滲系統(tǒng)的滲透系數(shù)，利用改變筑壩材料滲透系數(shù)的方法實現(xiàn)了排滲系統(tǒng)的預(yù)定功能。

(2)設(shè)置垂直-水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)能一定程度降低壩體浸潤面，降低排滲管管壁發(fā)生堵塞導(dǎo)致浸潤面升高的風(fēng)險。

(3)以夾泥層為界，浸潤線的埋深有不同的表現(xiàn)形式，垂直-水平排滲系統(tǒng)能有效降低壩體中存在尾礦泥夾層時浸潤面的埋深。

(4)選擇垂直-水平排滲方案能有效的降低壩體浸潤面，提高壩體滲流穩(wěn)定性，在確保壩體安全穩(wěn)定的前提下，降低排滲設(shè)施的費用，做到經(jīng)濟(jì)、安全、高效。

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2017-03-14

程良(1992-)，男，陜西商洛人，在讀碩士研究生，主攻方向：黃土力學(xué)與工程方面研究。

李宏儒(1972-)，男，陜西寶雞人，博士，主要從事土動力學(xué)和巖土數(shù)值計算研究。

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