孫景鵬 宋春山,2 韓紅衛(wèi),2 趙林長(zhǎng) 馬錫銘

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150030;3.黑龍江省冶金設(shè)計(jì)規(guī)劃院,黑龍江 哈爾濱 150080)

尾礦壩潰壩的主要原因有滲流破壞、壩坡失穩(wěn)、地震液化、超高堆壩等[1],而尾礦壩內(nèi)浸潤(rùn)面過(guò)高并從壩面出逸就可能產(chǎn)生滲流破壞,嚴(yán)重的將造成壩坡失穩(wěn)破壞甚至潰壩[2]。尾礦壩一旦潰壩,就會(huì)給下游人民生命財(cái)產(chǎn)和周邊環(huán)境帶來(lái)巨大的災(zāi)難,因此對(duì)尾礦壩滲流場(chǎng)進(jìn)行有效控制很有必要[3-4]。

目前,關(guān)于尾礦壩滲流場(chǎng)方面的研究較多,如齊清蘭等[5]采用數(shù)值模擬方法,定性分析了初期壩排滲能力、干灘長(zhǎng)度及堆積壩下游坡比等因素對(duì)尾礦壩浸潤(rùn)線的影響并對(duì)降低浸潤(rùn)線的若干措施進(jìn)行了分析;梅聰?shù)萚6]對(duì)土工席墊進(jìn)行了等效模擬并賦予相應(yīng)的等效滲透系數(shù),提出采用土工席墊的排滲措施可增大浸潤(rùn)面的埋深,有效控制浸潤(rùn)面。柳厚祥等[7]根據(jù)彈性力學(xué)和滲流理論提出了耦合問(wèn)題的力學(xué)模型及其控制微分方程,對(duì)尾礦壩進(jìn)行了考慮應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合的非穩(wěn)定滲流分析。尹光志等[8-9]通過(guò)數(shù)值模擬及室內(nèi)物理模型試驗(yàn)方法對(duì)尾礦壩滲流規(guī)律及影響因素進(jìn)行了研究,首次考慮了大氣降雨對(duì)尾礦壩滲流場(chǎng)的影響。鄧紅衛(wèi)等[10]通過(guò)Midas-GTS軟件建立了尾礦庫(kù)三維滲流模型,研究了干灘長(zhǎng)度對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響,得出了干灘長(zhǎng)度與該尾礦庫(kù)安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。可見(jiàn),當(dāng)前研究通?？紤]了初期壩、干灘長(zhǎng)度及大氣降雨等因素對(duì)尾礦壩滲流場(chǎng)的影響,并取得了豐富的研究成果。但少有考慮到水平排滲管對(duì)滲流場(chǎng)的直接影響及其排滲效果分析。本項(xiàng)目以某山谷型尾礦庫(kù)為研究對(duì)象,重點(diǎn)是分析尾礦壩布設(shè)排滲管前后的滲流場(chǎng)分布及數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于尾礦庫(kù)的滲流受原始地形影響很大,為更真實(shí)地模擬尾礦庫(kù)實(shí)際滲流狀態(tài),建立滲流三維數(shù)值分析模型,對(duì)尾礦壩不同壩高及布設(shè)排滲管前后的滲流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。本次研究考慮了尾礦庫(kù)的復(fù)雜性及排滲管的影響,為尾礦庫(kù)三維滲流安全分析提供了一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 工程背景

某尾礦庫(kù)由Ⅰ#和Ⅱ#尾礦庫(kù)組成,2個(gè)庫(kù)初期壩采用透水堆石壩,上下游坡比為 1∶1.7、1∶2.0,Ⅰ#初期壩壩高39 m,Ⅱ#初期壩壩高37 m,壩頂標(biāo)高均為440 m。堆積壩采用上游沖積法堆筑,下游平均坡比為1∶5.0。當(dāng)堆積壩壩頂標(biāo)高達(dá)到460 m時(shí),2個(gè)庫(kù)合成1個(gè)庫(kù)。設(shè)計(jì)總壩高為198 m,總庫(kù)容為4.29×108m3,為二等尾礦庫(kù),總服務(wù)年限32 a。目前在堆積壩標(biāo)高443.0 m和450.0 m分別設(shè)置了水平排滲管,管長(zhǎng)80 m,管底坡度3%～5%,采用63×4.7UPVC花管,外包400 g/m2土工布,間隔60 m布置。庫(kù)區(qū)地貌分為構(gòu)造剝蝕低山丘陵、山前堆積臺(tái)地及堆積河漫灘。庫(kù)區(qū)地勢(shì)總體上東北高、西南低,地形起伏較大。此次研究時(shí)的壩高為70 m,已達(dá)到設(shè)計(jì)最終壩高的1/3,尾礦庫(kù)平面布置圖如圖1所示。

圖1 尾礦庫(kù)平面布置(單位:m)Fig.1 Layout plan of tailings pond

1.2 理論基礎(chǔ)

尾礦庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)大部分的滲流狀態(tài)屬于層流運(yùn)動(dòng),所以整個(gè)尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)符合達(dá)西定律,尾礦作為一種非均質(zhì)各向異性材料,三維空間穩(wěn)定滲流基本方程[11]為

式中,h是水頭函數(shù);kx、ky、kz分別是以x、y、z軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

實(shí)際發(fā)生穩(wěn)定滲流時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足以下邊界條件,Γ1和Γ2構(gòu)成三維空間滲流場(chǎng)的全部邊界。

第一類(lèi),邊界上水頭是已知的,即

式中,Γ1為尾礦庫(kù)上下游及下游滲出面邊界之和。

第二類(lèi),邊界上流量等于零,即

式中,Γ2為不透水邊界;n為Γ2的外法線。

由于滲流自由面沒(méi)有流量流入或流出,因此在滲流自由面上除需滿(mǎn)足式(3)外,同時(shí)還需滿(mǎn)足:

1.3 模型構(gòu)建

為更真實(shí)地模擬尾礦庫(kù)實(shí)際滲流狀態(tài),采用Midas-GTS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行尾礦庫(kù)滲流三維數(shù)值模擬。依據(jù)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)文件、庫(kù)區(qū)實(shí)際地形地貌建立尾礦庫(kù)的三維實(shí)體。再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料和規(guī)程規(guī)范,對(duì)尾礦庫(kù)材料進(jìn)行概化分層,壩體典型剖面見(jiàn)圖2。

圖2 壩體典型剖面Fig.2 Typical section of tailings dam

自下而上依次為基巖、塊石混合料、尾粉土、尾細(xì)砂和尾中砂,各材料的物理力學(xué)特性如表1所示。尾礦庫(kù)的三維模型選用莫爾—庫(kù)倫模型。定義XOY面為尾礦壩下游基巖最低點(diǎn)水平面,初期壩壩頂最右端在XOY面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),下游向上游方向?yàn)閄軸的正方向,正法線方向?yàn)閅軸正方向,基準(zhǔn)面之上為Z軸正方向。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

為了同時(shí)滿(mǎn)足精度和計(jì)算量的要求,通過(guò)反復(fù)試算,最終確定每個(gè)單元的長(zhǎng)度為10 m,初期壩、排滲管、堆積壩及壩肩等對(duì)滲流影響較大的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密處理。構(gòu)建的三維滲流模型共劃分為574 397個(gè)單元,119

742個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維滲流模型如圖3所示。邊界條件分為:不透水邊界、已知水頭邊界和出滲邊界3種。其中,將尾礦壩灘面確定為已知水頭邊界,堆積壩及初期壩下游坡面確定為出滲邊界,將庫(kù)區(qū)基巖層及周?chē)襟w確定為不透水邊界。

圖3 三維滲流模型Fig.3 Three dimensional seepage model

2 結(jié)果分析

2.1 排滲管的布設(shè)與計(jì)算工況

在不同壩高的模擬中,考慮了水平排滲管的影響。壩高70m時(shí)排滲管的布設(shè)將嚴(yán)格按照尾礦庫(kù)實(shí)際布設(shè)情況進(jìn)行。當(dāng)壩高達(dá)到100 m時(shí)尾礦庫(kù)為二等庫(kù),有必要對(duì)其滲流場(chǎng)進(jìn)行分析,此時(shí)排滲管在原有布設(shè)情況下,豎直方向上每隔7m布設(shè)一層。水平排滲管的模擬參照陳崇希等[12]提出的“等效滲透系數(shù)理論”進(jìn)行,計(jì)算工況如表2所示。

表2 研究工況Table 2 Study condition

2.2 模型準(zhǔn)確性分析

分別模擬無(wú)水平排滲管和增設(shè)水平排滲管時(shí),尾礦壩各斷面處的浸潤(rùn)線位置。為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,把計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線(本文實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線為壩高70 m,正常水位467.9 m時(shí)鉆井點(diǎn)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線高程)作對(duì)比,定義模擬浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線的相對(duì)誤差ε為:

式中,Hm和Hs分別為尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的模擬值和實(shí)測(cè)值,規(guī)定相對(duì)誤差在1.5%之內(nèi),便判定為數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理。

圖4展示了壩高70m不布設(shè)排滲管與布設(shè)排滲管時(shí),不同水位下的浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線位置的對(duì)比。可以看出,未布設(shè)排滲管時(shí),典型剖面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線耦合得并不理想,最大相對(duì)誤差為1.34%。布設(shè)排滲管后,典型剖面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線的誤差明顯變小,最大相對(duì)誤差為0.53%,浸潤(rùn)線耦合良好。說(shuō)明在進(jìn)行尾礦庫(kù)三維數(shù)值模擬時(shí),對(duì)水平排滲管進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬,與實(shí)際情況更為相符,并且數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理。

圖4 增設(shè)排滲設(shè)施前后最大斷面浸潤(rùn)線模擬值及實(shí)測(cè)值Fig.4 Simulated and measured values of maximum section infiltration line before and after adding seepage drainage facilities

2.3 無(wú)排滲管情況下不同壩高滲流場(chǎng)分布

尾礦壩浸潤(rùn)線對(duì)壩體安全影響較為重要,在浸潤(rùn)線埋深(埋深指壩面到浸潤(rùn)線的距離)小到一定程度時(shí),尾礦壩便會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。根據(jù)《GB 50863—2013尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]的要求,尾礦堆積壩下游壩坡浸潤(rùn)線的最小埋深除了要滿(mǎn)足表3外還應(yīng)滿(mǎn)足一至三級(jí)尾礦壩下游坡浸潤(rùn)線的最小埋深不宜低于6 m,四級(jí)、五級(jí)尾礦壩不宜低于4 m的設(shè)計(jì)條件[14]。參照規(guī)范要求,本次研究尾礦壩浸潤(rùn)線最小埋深為6 m。

表3 尾礦堆積壩下游坡浸潤(rùn)線最小埋深Table 3 Minimum buried depth of phreatic line of downstream slope of tailings dam

圖5為工況2條件下三維滲流場(chǎng)中各斷面的孔隙壓力云圖,云圖中黑色線代表浸潤(rùn)線位置(本文云圖統(tǒng)一用黑色線代表浸潤(rùn)線位置)?？梢钥闯?浸潤(rùn)線自尾礦庫(kù)區(qū)灘面沿尾中砂分區(qū)入滲,最終從2個(gè)初期壩下游坡腳附近出滲。浸潤(rùn)線在堆積壩內(nèi)分布比較平緩,在初期壩與堆積壩交界處下降較快。各斷面浸潤(rùn)線埋深較淺,但未發(fā)生出逸現(xiàn)象,最小埋深位于1#堆積壩下游壩坡458m高程處,為3.5m,不滿(mǎn)足浸潤(rùn)線最小埋深需大于6m的安全設(shè)計(jì)要求,存在安全隱患。水力坡降自堆積壩上游向下游方向逐漸增大,最大水力坡降分布在初期壩內(nèi)坡腳附近的尾礦堆積壩內(nèi),小于該部位尾砂的臨界水力坡降,不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

圖5 運(yùn)行水位469.3 m時(shí)無(wú)排滲管浸潤(rùn)線分布Fig.5 Distribution of infiltration line without drainage pipe at 469.3 m operating water level

圖6為工況5條件下三維滲流場(chǎng)中典型剖面的孔隙壓力云圖。由圖可知,當(dāng)壩高升至100 m時(shí),浸潤(rùn)線于高程467 m處逸出堆積壩表面,如不進(jìn)行處理,極易出現(xiàn)潰壩風(fēng)險(xiǎn),這將嚴(yán)重影響尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行,同時(shí)也不滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此有必要設(shè)置排滲設(shè)施降低浸潤(rùn)線的位置。

圖6 運(yùn)行水位498.5 m時(shí)未增加排滲設(shè)施典型剖面浸潤(rùn)線分布Fig.6 Infiltration line distribution of typical profile without additional drainage facilities at 498.5 m operating water level

2.4 布設(shè)水平排滲管情況下各壩高滲流場(chǎng)分布

圖7、圖8分別為壩高70m和100m時(shí)布設(shè)排滲管后尾礦庫(kù)典型剖面浸潤(rùn)線云圖?？梢钥闯?布設(shè)排滲管后浸潤(rùn)線的高度在排滲管輻射范圍內(nèi)明顯降低,浸潤(rùn)線埋深降低范圍為5～10 m,各斷面浸潤(rùn)線的埋深均大于6 m安全設(shè)計(jì)要求。此外,增加排滲管后,浸潤(rùn)線的變化趨勢(shì)有所改善,水力坡降最大值均分布在初期壩內(nèi)坡腳附近的尾礦堆積壩內(nèi),均小于該部位尾砂的臨界水力坡降,不會(huì)發(fā)生滲透破壞。壩高100 m時(shí)在原有排滲設(shè)施基礎(chǔ)上每隔7 m高程差布設(shè)一層排滲管后,浸潤(rùn)線下降明顯,證明該布設(shè)方案可行,降滲效果顯著,能夠加快尾礦砂的固結(jié)速度,提高壩體的排滲能力,保證了尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 運(yùn)行水位469.3m時(shí)布設(shè)排滲管后浸潤(rùn)線分布Fig.7 Distribution of infiltration line after laying drainage pipe at 469.3 m operating water level

圖8顯示的典型剖面浸潤(rùn)線埋深雖然滿(mǎn)足浸潤(rùn)線最小埋深需大于6m的安全設(shè)計(jì)要求,但總體來(lái)說(shuō)較為接近。這就意味著擬建的每隔7 m高程差布設(shè)一層排滲管基本上能滿(mǎn)足尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行,但若實(shí)際施工時(shí)高程差超過(guò)7m或者施工質(zhì)量存在問(wèn)題,就會(huì)使尾礦庫(kù)排滲能力下降,影響尾礦庫(kù)的運(yùn)行安全。因此,在條件允許的情況下應(yīng)該適當(dāng)增加排滲管的層數(shù),在日常運(yùn)行時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控,一旦發(fā)現(xiàn)浸潤(rùn)線不滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求時(shí),應(yīng)及時(shí)采取措施,保證尾礦庫(kù)的安全[13]。

圖8 運(yùn)行水位498.5 m時(shí)增加排滲管后典型剖面浸潤(rùn)線分布Fig.8 Distribution of infiltration line in typical section after adding drainage pipe at 498.5m operating water level

綜上,尾礦壩加高擴(kuò)容的過(guò)程中,隨著尾礦的不斷堆積,尾礦壩內(nèi)的浸潤(rùn)線會(huì)逐漸升高,如果處理不當(dāng)則會(huì)出現(xiàn)浸潤(rùn)線從堆積壩下游坡面出逸的情況。運(yùn)用Midas-GTS軟件建立尾礦庫(kù)滲流三維數(shù)值模型,簡(jiǎn)化模擬了排滲管的布設(shè),計(jì)算浸潤(rùn)線結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi),因此通過(guò)此模型對(duì)增設(shè)排滲管前后尾礦庫(kù)的滲流場(chǎng)計(jì)算具有準(zhǔn)確性。從滲流控制效果上來(lái)看,合理布置排滲管后,可有效控制壩體內(nèi)浸潤(rùn)線埋深和分布,明顯改善滲流場(chǎng)的狀態(tài),從而防止尾礦壩發(fā)生滲透破壞,有利于尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定。需要注意的是,由于排滲管在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象,這將使排滲管的排滲能力下降,進(jìn)而引起尾礦壩浸潤(rùn)線升高的情況。所以,在日常運(yùn)行時(shí),應(yīng)加強(qiáng)管理并定期對(duì)尾礦壩浸潤(rùn)線進(jìn)行監(jiān)控,保證尾礦庫(kù)正常運(yùn)行。

3 結(jié) 論

本研究針對(duì)某山谷型尾礦庫(kù)現(xiàn)狀,運(yùn)用Midas-GTS軟件建立了尾礦庫(kù)滲流三維數(shù)值模型,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上對(duì)尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后的滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬并提出了增設(shè)排滲管的方案,得出以下結(jié)論:

(1)現(xiàn)狀壩高未布設(shè)排滲管,典型剖面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線最大相對(duì)誤差為1.34%;布設(shè)排滲管后,典型剖面浸潤(rùn)線與實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線的誤差明顯變小,最大相對(duì)誤差為0.53%;相對(duì)誤差均小于1.5%,說(shuō)明尾礦庫(kù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果合理。

(2)壩高100 m時(shí),每隔7 m高程差布設(shè)排滲管的方案可有效控制尾礦壩體的浸潤(rùn)線位置,浸潤(rùn)線埋深整體降低5～10m,明顯改善了滲流場(chǎng)的狀態(tài),保證了尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,但運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。