楊強(qiáng)勝

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

尾礦壩的浸潤(rùn)線是尾礦庫(kù)的生命線，也是影響尾礦壩安全穩(wěn)定的重要因素之一［1］。某尾礦庫(kù)位于高寒地區(qū)，由于冰凍層的存在，隨著尾礦庫(kù)后期加高擴(kuò)容工程子壩的逐漸堆筑，壩體浸潤(rùn)線進(jìn)一步抬升，可能出現(xiàn)浸潤(rùn)線在堆積壩壩坡逸出的情況影響壩體穩(wěn)定運(yùn)行，為了有效控制壩體浸潤(rùn)線必須采取一定工程措施。由于尾礦堆積材料的特殊性，一般情況下，降低浸潤(rùn)線大都采用碎石排滲帶、土工席墊、集滲盲管、排滲管、排水溝等措施［2-5］。結(jié)合某加高擴(kuò)容尾礦庫(kù)建立了該尾礦庫(kù)壩體和排滲管的三維有限元精細(xì)模型，模擬分析了排滲管設(shè)計(jì)方案的排滲效果，為設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某尾礦庫(kù)座落在三面環(huán)山的河谷中，主谷斷面上口呈寬闊的“U”字形。整體北高南低，地形較緩，高程介于418.4～589.2 m，相對(duì)高差170.8 m。大部分為剝蝕低山丘陵，低山海拔一般在500～600 m，丘陵海拔一般在400～500 m，呈圓漫崗狀，地面坡度一般在5°～20°。

尾礦庫(kù)初期壩采用碾壓堆石筑壩，壩底標(biāo)高+437.0 m，壩頂標(biāo)高+456.0 m，內(nèi)坡比為1∶2.0，外坡比為1∶2.5，壩頂寬4 m。后期堆積壩采用上游法筑壩，子壩采用碎石混黏性土料堆筑。目前堆積標(biāo)高為+468.0 m，現(xiàn)狀總壩高約31 m，庫(kù)容約為4 500萬(wàn)m3。為了滿足二期擴(kuò)建需要，尾礦庫(kù)進(jìn)行加高擴(kuò)容，壩體周圈主體擬利用采礦剝離廢石建壩形成大型透水尾礦攔擋壩，南側(cè)主壩段采用廢石中線法+上游法廢石堆壩。尾礦庫(kù)周圈部分利用廢石料主要采取分期外推法加高形成透水?dāng)r擋壩。尾礦壩最終堆積標(biāo)高為+545.0 m，最終庫(kù)容達(dá)48 576.68萬(wàn)m3，總壩高108 m。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）表3.3.1規(guī)定，尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后按最終全庫(kù)容和最終總壩高考慮，均為二等庫(kù)。

尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后，為有效控制壩內(nèi)浸潤(rùn)面埋深，擬在尾礦堆積壩外坡+527 m標(biāo)高設(shè)置1層弧形排滲管，后期根據(jù)壩內(nèi)浸潤(rùn)面實(shí)際埋深情況，必要時(shí)在+537 m標(biāo)高再設(shè)置1層弧形排滲管，2層排滲管梅花形交錯(cuò)布置，其平面布置見(jiàn)圖1，縱剖面見(jiàn)圖2。

弧形排滲管均采用槽孔排滲管，貫穿式布置，槽孔管兼作排滲管和通氣管，以盡可能降低尾礦壩浸潤(rùn)線埋深。每層子壩上層沉積灘面鋪設(shè)厚1.5 m，寬45.0 m的廢石褥墊排滲層。貫穿式排滲管采用直徑75 mm槽孔管，開(kāi)孔率按10%左右控制，外包白鋼網(wǎng)，導(dǎo)水管采用直徑75 mm的PE管。

1#排滲管入土標(biāo)高+527 m，單根排滲管長(zhǎng)145 m，水平間距25 m，共計(jì)49根。排滲管出口段導(dǎo)水管長(zhǎng)度18 m，其余部分采用全幅和半幅濾水管；2#排滲管入土標(biāo)高+537 m，單根排滲管長(zhǎng)135 m，水平間距25 m，共計(jì)49根。出口段導(dǎo)水管規(guī)格與1#排滲管相同。所有排滲管分直線段和曲線段2部分，直線段縱坡1%～2%，曲線段最大曲率不大于8°/m。

2 尾礦壩三維滲流有限元模型

2.1 有限元模型網(wǎng)格

選取尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容至+545 m時(shí)的典型剖面建立精細(xì)三維有限元模型，模型底部取初期壩壩底面即絕對(duì)高程+438 m，模型頂部高程+545 m，模型范圍包括尾礦庫(kù)干灘和匯水區(qū)域的一半、主壩、堆積壩和東西兩側(cè)攔擋壩的一部分。排滲管通過(guò)在模型中添加排水線模擬。有限元模型見(jiàn)圖3，模型節(jié)點(diǎn)202 057個(gè)，單元總數(shù)為549 860個(gè)。模型中排滲管近似取直線，模型中排滲管示意見(jiàn)圖4。整個(gè)模型單元數(shù)總數(shù)為490 044個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)675 116個(gè)。

2.2 邊界條件

考慮穩(wěn)定滲流，計(jì)算模型邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界、不透水邊界和排滲管的壓力邊界4種。

（1）已知水頭邊界包括庫(kù)區(qū)上游水位淹沒(méi)線以下的尾礦壩面以及攔擋壩上游面等。

（2）出滲邊界包括尾礦壩下游坡面、攔擋壩下游面等。

（3）模型底部按不透水邊界考慮。

（4）排滲管按照排水線處理，管線位置施加孔壓邊界，當(dāng)排滲管線位置為空，設(shè)置該處孔壓為零，水可自由排出；若排滲管全部堵塞，排水線消失，本次研究排水管部分堵塞時(shí)，孔壓可按位置水頭值給出。

2.3 計(jì)算參數(shù)

尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)各巖土層的滲透系數(shù)，根據(jù)尾礦庫(kù)的工程勘察基礎(chǔ)資料并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，如表1所示。

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2.4 計(jì)算工況

為了分析排滲管的滲控措施效果，需對(duì)比分析不同工況下尾礦壩的滲流性態(tài)，本研究考慮以下工況：①工況1，壩體高程+545 m，洪水運(yùn)行水位+543.43 m，無(wú)排滲管；②工況2，壩體高程+545 m，洪水運(yùn)行水位+543.43 m，有排滲管，排滲管未堵塞；③工況3，壩體高程+545 m，洪水運(yùn)行水位+543.43 m，有排滲管，排滲管堵塞一半。具體計(jì)算工況見(jiàn)表2。

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3 排滲管排滲效果分析

經(jīng)過(guò)有限元法計(jì)算分析和整理，洪水運(yùn)行工況條件下設(shè)排滲管時(shí)整體模型孔壓分布圖見(jiàn)圖5；不同工況條件下，主壩中軸線縱剖面孔壓分布云圖見(jiàn)圖6。

由圖6可知，尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后，不設(shè)滲控措施時(shí)，洪水工況下，浸潤(rùn)線位置較設(shè)置排滲設(shè)施時(shí)高。各種工況條件下，浸潤(rùn)線的最小埋置深度見(jiàn)表3。由表3可知，未設(shè)排滲設(shè)施時(shí)，浸潤(rùn)線埋深9.8 m，接近于二等庫(kù)最小埋深；設(shè)置排滲管，且排滲管暢通時(shí)，壩面浸潤(rùn)線埋置深度最小為14.3 m；排滲管堵塞一半，浸潤(rùn)線位置略有升高，最小埋置深度為13.7 m。

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設(shè)置排滲設(shè)施后，尾礦庫(kù)沉積灘后匯水池內(nèi)的水通過(guò)尾礦堆積體及排滲管由庫(kù)內(nèi)向庫(kù)外下游排出，浸潤(rùn)線沿排滲管逐漸下降。相同條件下，考慮到尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的不可預(yù)見(jiàn)因素，建議設(shè)置滲控措施，且施工時(shí)應(yīng)采取必要措施，防止排滲管堵塞。設(shè)計(jì)的排滲管為彎曲狀，計(jì)算時(shí)考慮排滲管為水平布置的直管，且排滲管長(zhǎng)按100 m考慮，因此現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)注意排滲管深入壩體直線段的距離不應(yīng)少于100 m。

4 結(jié) 論

（1）從滲流控制效果看，合理布置排滲管，且保證排滲管足夠暢通后，在最不利工況下，浸潤(rùn)線埋置深度為14.3 m，可滿足滲流控制的要求。

（2）排滲管堵塞，對(duì)浸潤(rùn)線位置有一定影響，排滲管堵塞一半，計(jì)算結(jié)果顯示浸潤(rùn)線抬高了0.6 m。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，排滲管深入壩體的直線段距離應(yīng)不少于100 m。