郝 喆，侯永莉，陳 娜，滕 達

(1.遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013)

0 引言

尾礦庫是礦山的重大危險源和污染源，一旦潰壩將造成巨大的災(zāi)害損失，并引發(fā)嚴重的環(huán)境問題.尾礦庫的潰壩主要由洪水漫頂、壩體穩(wěn)定性不足和滲流破壞等原因引起[1].尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性是影響其安全穩(wěn)定的兩大因素[2]，也是導(dǎo)致各種潰壩原因的根源所在.其中，抗滑穩(wěn)定性分析可以控制壩體穩(wěn)定性不足的問題；而滲流穩(wěn)定性分析可以保證浸潤線滿足埋深要求，結(jié)合筑壩管理措施控制干灘長度和安全超高限值，可防止洪水漫頂?shù)陌l(fā)生.滲流穩(wěn)定性分析還可以控制滲流破壞的發(fā)生，但目前規(guī)范[3]中還未對滲流破壞提出具體的定量計算要求.

由于尾礦庫潰壩是滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定綜合作用的結(jié)果，因此在尾礦庫穩(wěn)定性評價時，對二者應(yīng)同等對待.只有同時開展兩種穩(wěn)定性分析，并結(jié)合有效的管理措施，才能綜合全面地評判尾礦庫的穩(wěn)定特征，據(jù)此，本文通過確定尾礦庫在不同工況下的浸潤線、滲流場、水力坡降、應(yīng)力場和安全系數(shù)等多項指標，開展基于滲流和抗滑穩(wěn)定性的綜合評價.

1 模型建立及參數(shù)選取

1.1 現(xiàn)場簡介

某尾礦庫呈近東西走向.初期壩壩高13 m，壩體內(nèi)、外坡比均為1∶2，材料為透水堆石壩，內(nèi)坡面設(shè)礫碎石反濾層，外坡面為干砌片石護坡；尾礦堆積壩的現(xiàn)狀壩高58 m，壩體的總外坡比約為1∶4.5，臺階外坡比約為1∶2.6，最大壩長1 005 m.尾礦庫的總壩高約71 m，全庫容約968萬m3.依據(jù)規(guī)范[3]，該尾礦庫等別為三等庫.

1.2 模型建立

依據(jù)現(xiàn)場勘察資料，建立尾礦壩地層結(jié)構(gòu)模型.另外，在勘察期間選礦廠仍向尾礦庫排放尾礦漿，由于受放礦的影響，庫內(nèi)鉆孔實測水位可能有所偏高，因此對壩體實測浸潤線進行適當調(diào)整.地層結(jié)構(gòu)及幾何模型見圖1.

1.3 網(wǎng)格劃分

采用三角形有限元網(wǎng)格，將壩體劃分為1 151個單元及641個節(jié)點，通過網(wǎng)格檢驗達到最優(yōu)化.計算網(wǎng)格見圖2.

1.4 計算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)巖土工程勘察結(jié)果，確定巖土體物理力學參數(shù)見表1所示.

表1 尾礦壩巖土體物理力學參數(shù)

計算邊界分為滲流邊界條件和位移邊界條件，① 滲流邊界：基巖設(shè)為不透水邊界，初期壩與堆積壩面設(shè)為自由透水面，上游(灘面)及下游(初期壩)設(shè)為定水頭邊界.② 位移邊界：左右邊界設(shè)為水平約束，底部邊界設(shè)為固定端約束.

2 滲流穩(wěn)定性分析

2.1 浸潤線計算分析

根據(jù)規(guī)范[3]規(guī)定，尾礦壩屬3級上游式堆積壩，其干灘長度限值為70 m.為此，將與該灘長對應(yīng)的水位設(shè)為洪水位，進行洪水工況下的二維有限元計算，分析結(jié)果見圖3.

由圖3可見，浸潤線的埋深均大于6.5 m，滿足下游壩坡浸潤線埋深6～4 m限值要求[3].另外，計算浸潤線的溢出點在初期壩外坡中部，可保證尾礦壩地下水通過透水壩及時排出[4]，有利于提高壩體穩(wěn)定性.

2.2 滲流場分布

洪水運行條件下，尾礦壩的滲流場分布見圖4，滲流等壓線見圖5

由圖中可見，壩體內(nèi)孔隙水壓力最大值125.7 kPa，出現(xiàn)在尾礦庫底部；滲透流速最大值3.42×10-5m/s，發(fā)生在初期壩浸潤線溢出部位；浸潤線以上呈現(xiàn)負孔隙水壓力，負壓值逐漸增大[5].

2.3 水力坡降

臨界水力坡降Icr計算：Icr=(Gs-1)(1-n)[6](Gs—土粒比重；n—土體孔隙率).

尾礦庫作為水工建筑物的危害較大，根據(jù)規(guī)范[7]要求，將臨界水力坡降除以2.0的安全系數(shù)，得土層的允許水力坡降.

水力坡降的計算結(jié)果見表2.

表2 各土層水力坡降計算結(jié)果表

給出洪水工況下的尾礦壩滲流總水力坡降，見圖6.

從圖中可以看出：

1)在尾礦堆積壩內(nèi)，總水力坡降均小于0.5，低于表2中的允許水力坡降值，且未發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)有陡降地段，說明堆積壩滿足滲流穩(wěn)定性.

2)在初期壩內(nèi)，水力坡降基本小于0.4，且初期壩為透水堆石壩，內(nèi)坡面設(shè)反濾層，出現(xiàn)滲透破壞的可能性很小.

3 抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)規(guī)范[3]要求，針對正常、洪水和特殊等三種工況，開展尾礦壩應(yīng)力分析和抗滑穩(wěn)定性計算.

3.1 正常水位工況

3.1.1 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析結(jié)果見圖7-1～7-3.

可見，壩體內(nèi)最大主應(yīng)力范圍25.79～2 845 kPa，最小主應(yīng)力范圍-34.02～1 741 kPa；主應(yīng)力分布比較均勻，以壓應(yīng)力為主；僅在壩坡表層的局部出現(xiàn)主拉應(yīng)力，不會影響尾礦壩整體穩(wěn)定性.壩體內(nèi)剪應(yīng)力最大值為343.3 kPa，最小值為-71.26 kPa，剪應(yīng)力分布比較均勻，自壩頂?shù)綁蔚字饾u增大，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3.1.2 穩(wěn)定性計算

抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖8-1～8-2.

計算結(jié)果顯示，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)大于規(guī)范限值(Ordinary法限值1.20，Bishop法限值1.30)，兩種方法計算的潛在滑面位置相近.在正常工況下，滿足抗滑穩(wěn)定性要求.

3.2 洪水位工況

3.2.1 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析結(jié)果見圖9-1～9-3.

可見，洪水工況下，主應(yīng)力及剪應(yīng)力均有所增加，但總體變化趨勢與正常工況相似：分布規(guī)律都比較均勻；主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主；自壩頂?shù)綁蔚?，剪?yīng)力逐漸增加，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.主應(yīng)力和剪應(yīng)力均無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3.2.2 穩(wěn)定性計算

抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖10-1～10-2.

計算結(jié)果顯示，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)大于規(guī)范限值(Ordinary法為限值1.10；Bishop法限值1.20)，兩種方法計算的潛在滑面位置相近.在洪水工況下，滿足抗滑穩(wěn)定性要求.

3.3 特殊條件工況

依據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》NB 35047—2015[9]，確定條分法的條塊水平和豎向地震力，計算公式為：Fn=Wiahξαi/g和Fv=1/3Wiahξαi/g，式中：ah—水平地震加速度代表值，ah=0.05 g；ξ—地震效應(yīng)折減系數(shù)，ξ=0.25.則有：Fn=0.012 5αiWi，F(xiàn)v=0.004 2αiWi，式中：αi—i質(zhì)點的動態(tài)分布系數(shù)；Wi—i條塊的重力標準值.

抗滑穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖11-1～11-2.

計算結(jié)果顯示，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)大于規(guī)范限值(Ordinary法限值1.05；Bishop法限值1.15)，兩種方法計算的潛在滑面位置相近.在特殊工況下，滿足抗滑穩(wěn)定性要求.

4 結(jié)論

1)在洪水工況下，浸潤線在初期壩的壩坡出逸，最大(滲)流速發(fā)生在初期壩浸潤線出逸部位，有利于壩體穩(wěn)定；最大孔隙水壓力位于尾礦庫底部.堆積壩浸潤線埋深滿足下游壩坡浸潤線最小埋深6～4 m的規(guī)范要求.

2)水力坡降的計算結(jié)果表明：透水初期壩的水力坡降基本小于0.4，且溢出點水力坡降小于水力坡降限值，不會出現(xiàn)管涌和流土等滲透破壞現(xiàn)象；尾礦堆積壩體內(nèi)的水力坡降均小于0.5，且低于水力坡降限值，滿足滲流穩(wěn)定性的要求.

3)應(yīng)力的計算結(jié)果表明：主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，應(yīng)力分布比較均勻；僅在壩坡表層的局部出現(xiàn)主拉應(yīng)力，不會影響尾礦壩的整體穩(wěn)定性.剪應(yīng)力分布比較均勻，自壩頂?shù)綁蔚字饾u增大，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.

4)三種工況下的尾礦壩抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果表明：該尾礦庫在正常、洪水及特殊工況下，Ordinary法和Bishop法計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范限值，尾礦庫在現(xiàn)狀條件下滿足抗滑穩(wěn)定性的要求.

5)另外，經(jīng)現(xiàn)場庫區(qū)巡查，庫岸邊坡及庫區(qū)內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流及地面塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，兩岸邊坡植被生長良好，有利于尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性.

綜上，通過滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和庫區(qū)巡查的綜合分析，評價尾礦庫處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài).