洪水对干式堆存尾矿库坝体渗流的影响探讨

王晓民 邹建伟

(长春黄金设计院)

洪水对干式堆存尾矿库坝体渗流的影响探讨

王晓民 邹建伟

(长春黄金设计院)

浸润线是尾矿库坝体稳定分析的基础,干式堆存尾矿库正常运行时库内尾矿呈干燥或不饱和状态，对洪水状况下运行的坝体渗流状态具有较大影响。根据常见尾矿特性，采用土壤渗流基本原理计算分析，探讨了洪水对干式堆存尾矿库坝体渗流的影响程度。结果表明:干式堆存尾矿库的运行条件与湿排尾矿库有本质的区别,洪水对干式堆存尾矿库坝体的渗流影响可忽略不计。

干式堆存尾矿库 恒定渗流 非恒定渗流 浸润线

根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)，干式堆存尾矿库包括：库尾、库前、库中、周边等排矿方式。对于山谷型尾矿库，除了采用库尾排矿外，其它三种排矿方式的入库洪水均需经调蓄后排泄，由此必然涉及坝体渗流问题。由于尾矿库多具有集雨面积较小、洪水历时短、快涨快落的特点，所以干式堆存尾矿库的洪水运行工况按最高洪水位进行稳定渗流分析与实际运行条件是不相等的，在判断尾矿坝安全上可能会得出相背的结论。因此，有必要对此进行探讨，为干式堆存尾矿库的设计、运行管理提供依据。

1 干式堆存尾矿库的渗流分析

1.1 基本渗流原理分析

正常运行时干式堆存尾矿库内无积水，故尾矿库调洪时不会象湿排库一样形成从库水面边线到坝坡或排水体的稳定渗流。但在降雨时、尤其是尾矿库调洪过程中会有渗流发生，但受降雨时程分布和库区水位波动的影响，库区渗流呈现出不连续状态的非恒定渗流。只有在渗流水饱和带继续下渗到库底不透水地层或与库区正常运行的浸润线连为一体时，才会形成稳定渗流。而受渗流速度、大气蒸发等因素的影响，这一过程往往会延迟至调洪结束后的较长时间，如图1。

图1 干式堆存尾矿库模型渗流示意

经验认为，一次洪水滞洪时间较短，饱和水带的下渗深度有限，对尾矿坝的浸润线不会产生明显的影响。干式堆存尾矿库调洪过程中的库水下渗程度可通过简单估算加以验证。根据土壤水动力学原理，在稳态渗流条件下, 非饱和土导水系数与土样的含水量具有非常明显的线性关系, 当土样饱和时, 其导水系数就是饱和土的渗透系数[1]。仅就渗透饱和含水带尾矿而言，可采用达西定律近似计算饱和水带下边界移动情况。表1给出了不同渗透系数的干尾矿在2 m净水头(调洪常见高度)作用下，一次洪水调蓄历时72 h的渗透深度。

表1 净水头—渗透深度—渗透关系

从表1可以看出：饱和水带下的渗透深度与渗透系数呈正相关，从尾细砂到尾粉质黏土渗透深度估算结果为4.78～0.13 m。中等透水的尾细砂最大渗透深度仅4.78 m。

1.2 基于坝体非恒定渗流计算的分析

在库水位升降过程中，干式堆存尾矿库部分坝体的非饱和尾矿在库水压力作用下，将逐渐成为饱和尾矿。但是由于尾矿的渗透系数较小，在较短的调洪过程中，库区尾矿的渗透饱和过程明显滞后于库区水位的变化过程，呈现非恒定渗流状态。对于尾矿坝的非稳定渗流计算，目前国内尚没有标准，设计一般按最高水位时的恒定渗流计算，其计算结果固然是安全的。但是对于干式堆存的尾矿库则过于保守，甚至在鉴别坝体稳定方面会得出相反的结论。根据土坝渗流研究结果，判定坝体非恒定渗流指标可采用k/μv(k为渗透系数，m/d；v为水位降落速度；μ为给水度或排水系数)。当k/μv≤0.1时，坝体的渗流过程明显滞后于水位变化过程；当k/μv>60时，坝体的渗流过程与库水位变化同步；0.1

根据吉林板庙子矿业有限公司、内蒙古包头鑫达黄金矿业有限公司等干式堆存尾矿库的勘查，库中尾矿的空隙比为0.55～0.75，平均孔隙率可按0.4估算，得到尾矿非恒定渗流指标如表2。由表2可知，k/μv均处于为0.1～60，所以坝体均应考虑非恒定渗流影响。

2 举例计算

为进一步说明干式堆存尾矿库入库洪水对坝体渗流的影响，以某尾矿坝剖面为例，其计算条件：初期坝渗透系数k=5×10-4m/s，库区地基渗透系数k=1×10-8m/s，尾细砂渗透系数、孔隙率、给水度采用表2数据。库区汛前正常水位164.5 m，设计最高洪水位167.5 m，非恒定渗流计算的水位涨跌速率均按0.833 m/h匀速变化，总时长(一次洪水上涨并回落至最低水位时间)按规范[3]要求 72 h确定。计算剖面见图2。

表2 尾矿的非恒定渗流指标k/μv

项目渗透系数k/(cm/s)孔隙率给水度μ非恒定渗流指标k/μv尾细砂0.00130.40.067216.714尾粉砂0.00040.40.037218.707尾粉土0.00010.40.018985.690尾粉质黏土0.00000.40.0003647.121

注：表中水位波动速度v=1 m/d.

图2 计算剖面示意

采用渗流有限元计算软件autobank7.29,对给定条件下的坝体分别进行恒定、非恒定渗流计算，其坝体的浸润线位置见图3。

图3 计算浸润线对照

计算结果表明：对干式堆存尾矿库，考虑调洪过程中的水位波动条件下，计算浸润线仅在库顶面水位波动范围内的区域有所提高，其它区域几乎与正常运行的浸润线重合，比设计洪水位的恒定渗流浸润线明显偏低，也进一步证明了干式堆存尾矿库设计洪水对坝体渗流的影响很小。

3 结 语

(1)洪水运行时，干式堆存尾矿库坝体的非恒定渗流状态的表现是显著的。采用非恒定渗流计算的浸润线，除了渗流入渗头部略高，坝坡范围的浸润线几乎与正常水位的恒定渗流计算结果一致，远低于设计洪水位恒定渗流浸润线，说明洪水对坝体渗流的影响很小，甚至可以忽略。

(2)由于干式堆存尾矿库坝体干尾矿的孔隙水含量很低，所以在计算中未考虑其对坝体渗流计算结果的影响。若堆积尾矿饱和度较高时，建议进行非恒定渗流计算时,根据含水率水平修正尾矿孔隙率，消除空隙水对渗流计算结果的影响。

[1] 邵龙潭.相间相互作用原理与土壤水动力学基本方程[J].水科学进展， 2002，13(5)：608-609.

[2] 李 炜.水力计算手册[M].2版.武汉:水利水电出版社，2006.

[3] 住房城乡建设部.GB 50863—2013 尾矿设施设计规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

Discussion of the Influence of Flood to Dry Stockpiling Tailings Dam Seepage

Wang Xiaomin Zou Jianwei

(Changchun Gold Design Institute)

Saturation line is the foundation of the stability analysis of tailing dam, the rolls tailings in dry and unsaturated state during the stockpiling tailings in normal operation,which affect the seepage state of the dam in running state seriously.According to the common characteristics of tailings,the basic principle of soil seepage is used to analyze the influence degree of flood to dry stockpiling tailings dam seepage.The results show that the difference of operation conditions between dry stockpiling tailings and wet exhaust tailings,the influence of flood to dry stockpiling tailings dam seepage can be neglected.

Dry stockpiling tailings,Steady seepage,Unsteady seepage,Saturation line

2015-05-18)

王晓民(1964—)，男，副所长，高级工程师，130012 吉林省长春市。