高势能尾矿坝三维渗流稳定分析

陈天镭，秦 婧，汪 军，冒海军

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

某尾矿库始建于1985年，1987年7月建成投入运行，其库型为基本对称的V～U峡谷。尾矿库设计最终标高1510m，坝高163m（其中：初期坝高83m，堆积坝高80m），总库容为1901×104m3。按尾矿库设计总库容、坝高及构筑物级别划分，该尾矿库为Ⅱ等库。

初期坝采用定向爆破一次筑坝，初期坝坝顶标高1396.88m，坝轴底标高1353m，坝高43.88m，宽16m，坝型为不透水坝。此后分五次对坝体进行了加高，加高后最终初期坝顶标高为1435 m，上游坡比1∶1.5，上游坡面铺设了土工布，下游坡比为自然堆积坡，增高的坝体均为透水堆石坝。

尾矿库后期堆积坝设计采用上游法尾砂筑坝。从2002年5月至2013年10月，共实施了28次上游尾砂筑坝。目前堆积坝标高约为1485m，总坝高138m，尾砂堆积坝坝高53m，坝长500m，坝顶宽3m，沉积滩坡度l%，正常回水期库内水位标高1481m，沉积滩长度500m，沉积干滩长度150m，安全超高4.0m。

在现状尾矿库坝体渗透稳定性分析的基础上，进行尾矿库继续采用湿排方式至1515m高程、尾矿坝下游增设干尾矿加固体，湿排方式至1553m高程的三维渗流计算分析，计算工况包括正常工况和洪水工况，并考虑尾矿放矿的影响，进行尾矿库坝体渗透稳定性计算分析及评价。

在渗流模拟分析的基础上，计算各运行工况尾矿库浸润线分布、渗透稳定性、渗漏量大小等用于指导加固及排渗设计是十分必要的。

1 三维渗流有限元网格模型建立

1.1 尾矿库沉积地层分区

开展尾矿坝三维渗流分析，首先要根据放矿方式来确定其尾矿沉积规律。尾矿库至目前为止（尾矿坝1500m高程以下）为湿排生产方式，尾矿砂浆液采用管道输送入尾矿库后，沿运动路径逐渐实现固相沉积，同时也完成了矿物颗粒按大小和密度而形成的自然分选。

在这沉积过程中，会形成若干不同尾矿土层带，一般包括以下几个基本带：①冲积滩的干滩段；②冲积滩的过渡段；③冲积滩的水下沉积段；④沉淀区。依据尾矿沉积规律，并结合现场取样分析成果，对尾矿沉积层进行了概化和归并，主要划分为：尾粉砂层、尾粉土层、尾粉质黏土层和尾黏土层。

1.2 三维渗流有限元网格划分

结合尾矿库原设计1500m及湿排至1515m、1553m高程堆积方案，本次主要说明堆积坝坝顶高程1553m运行工况的三维渗流有限元模型：

其主要用于计算分析扩能采用干尾矿加固坝体后湿排到1553m高程时尾矿库三维渗流场分布情况，该模型考虑加压棱体等扩能措施。模型由66个建模剖面控制自动剖分生成，共生成48952个有限元单元和48765个节点，其整体三维有限元网格图如图1所示。

图1 尾矿库三维有限元网格整体模型图（坝顶高程1553m）

由于三维渗流场难以清晰表达坝体内渗流场的分布情况，研究通过对三维计算结果进行插值的方式给出若干典型剖面的渗流场分布图。

2 堆积坝1553m运行工况下尾矿坝渗流场分析结果

尾矿库采用湿排方式运行至1553m高程尾矿坝的渗流场分布、浸润线埋深、渗透梯度等情况分析如下。

2.1 库区渗流场分布

当尾矿坝湿排至1553m高程时，假设干滩长度为100m，沉积滩坡度按1%考虑。按照设计，初期坝下游建有废石拦砂坝设置反坡加压棱体，在反坡加压棱体下游建有截渗坝，模型计算中按照截渗池内有1m深的蓄水考虑下游水位。模型中其它垂直截取边界设为隔水边界。

图2给出了堆积坝坝顶标高1553m运行工况（湿排方式）的库区整体渗流场的地下水位等势线分布情况。

图2 堆积坝1553m坝高运行工况下整体渗流场分布图

从总体上看，在湿排至1553m运行条件下，尾矿库渗流场在堆积坝坝体部位与现状运行高程（1500m）、湿排至1515m运行高程的渗流场分布较为相似，只是浸润线埋深有一定差别。从图中可以看出：

（1）在堆积坝坝轴线（1553m）上游侧，库盆水位1552m，库区和周边山体的地下水位较高，地下水水位基本上在1530m以上。在堆积坝坝轴线下游侧山体内，地下水等势线分布较为均匀，库水通过坝体、坝基和两岸山体向下游渗透，最后通过干尾砂加固体底部导水盲沟排泄至下游截渗池或通过山体排泄至下游山谷。

（2）在尾矿堆积坝部位，地下水位等势线分布比较均匀，堆积坝坝坡部位的地下水位在1530m～1390m之间，埋深较大（一般大于20m）。

（3）在初期坝下游设置反坡加压棱体部位，上游库区渗水通过干尾砂加固体底部导水盲沟排泄，由于防渗膜作用，渗水不进入干尾砂加固体，因此初期坝下游反坡加压棱体部位的浸润线与防渗膜重合。

总体上看，湿排至1553m坝高运行工况下尾矿堆积坝中的浸润线埋深也较大（埋深均超过17m），且下游反坡加压棱体部位没有渗流出逸点，地下水位线分布比较均匀，满足规范对尾矿坝渗流浸润线埋深的要求。

2.2 典型剖面渗流场特点

为进行尾矿库渗流场分析，选取三个典型剖面进行渗流场分布分析，3个典型剖面编号分别为：渗流监测剖面1、2、3（位置见图3）。

图3 渗流场典型剖面位置设置图

为描述堆积坝顶标高1553m运行工况下尾矿坝渗流场分布特点，经对计算结果整理分析，将其绘制渗流场分布图。从这些典型剖面的渗流场分布情况可以看出以下特点：①尾矿坝的地下水浸润线起始于库区滩面淹没线上，在堆积坝内基本上沿着尾粉质粘土与尾粘土分界线下行。浸润线在越过初期坝上游坝面防渗膜顶部进入初期坝内而迅速降低，初期坝内浸润线基本上位于初期坝堆石区底部或山沟的砂砾石覆盖层中，因此渗流浸润线在初期坝中的埋深普遍都很大，在下游废石拦砂坝脚处逸出或经山谷覆盖层渗入下游溪谷中；②尾矿坝浸润线埋深较大，剖面1其浸润线埋设最小为17.5m，剖面2其浸润线埋设最小为26.1m，剖面3其浸润线埋设最小为26.2m。尾矿坝的中间坝段剖面（剖面2）上的渗流浸润线埋深更大些，而在靠近两岸坝头的剖面（剖面1、3）上渗流场浸润线埋深稍小些。

上述尾矿坝渗流场浸润线分布规律与本工程的初期坝和堆积坝设计特点有密切关系。①最早的初期坝为定向爆破堆石坝，上游侧内坡铺设有一层聚乙烯防渗膜，并在上游坝脚处覆盖层进行了粘土截渗处理，在坝高1392m以下坝体上游侧形成一个不透水层。之后采用堆石废料先后进行了六次加高扩建，这部分的堆石加高初期坝的透水性较大，为透水坝。这样的初期坝结构使得浸润线进入初期坝的位置高于1392m以上，但进入初期坝体后迅速降低至坝底位置（初期坝渗透性很大，计算中其渗透系数设为5×10-3cm/s）。②在尾矿堆积坝上，在标高1438m、1450m、1454m处铺设有软式透水管（Sh-50）和集水管（PE80-90）作为堆积坝的水平排渗设施，在1470m往上，每升高5m铺设一层软式透水管和集水管，因此在这样的坝坡渗流控制系统作用下，尾矿堆积坝中间坝段的渗水就由水平透水管排出，有效地降低了坝体浸润线埋深。③按照设计，堆积坝湿排加高至1553.0m，在初期坝下游设置反坡加压棱体，反压至1480.0m。采用干尾砂分层堆筑、碾压而成，在干尾砂加固体底部铺设导水盲沟并用防渗膜将其覆盖，以保证尾矿坝渗水由导水盲沟排出而不进入干尾砂加固体。因此，初期坝下游侧的浸润线就沿着干尾砂底部防渗膜导出。

结合尾矿坝渗流场分布规律、坝体和干尾砂加固体渗流浸润线埋深，尾矿坝在坝顶标高1553m运行工况下，尾矿坝渗流满足现行规范对尾矿坝渗流控制要求的。

2.3 坝体及透水管渗流量计算分析

在三维渗流场计算分析的基础上，进一步计算了尾矿库库水通过初期坝体和周边山体渗向下游的总渗流量。计算结果显示，在堆积坝坝顶标高1553m运行工况下，通过初期坝坝轴线处总的渗流量为Q=876.1方/天。

2.4 库区各沉积地层渗透梯度计算分析

由于该工况下尾矿堆积坝体的浸润线埋深非常大，坝坡上部的尾粉砂层、尾粉土层及初期坝堆石区大都位于浸润线以上，所以，只需对尾粉质粘土层和尾粘土层中的渗透梯度分布情况进行统计分析。在所统计的剖面中，尾粉质粘土层的最大渗透梯度值约为0.963，尾粘土层的最大渗透梯度值约为0.378。这些地层的最大渗透梯度值小于其相应的允许梯度，且位于坝体内部，因此，不会发生渗透破坏，满足坝体渗透稳定要求。

3 结语

分析堆积坝堆积至1553.0m时尾矿坝渗流场结果如下：

（1）湿排至1553m坝高运行工况下尾矿堆积坝中的浸润线埋深也较大（埋深均超过17m），且下游反坡加压棱体部位没有渗流出逸点，地下水位线分布比较均匀，满足规范对尾矿坝渗流浸润线埋深的要求。

（2）在堆积坝坝顶标高1553m运行工况下，通过初期坝坝轴线处总的渗流量为Q=876.1m3/d，根据总渗流量可以进行后续渗水收集设计。

（3）尾粉质粘土层的最大渗透梯度值约为0.963，尾粘土层的最大渗透梯度值约为0.378。这些地层的最大渗透梯度值小于其相应的允许梯度，且位于坝体内部，因此，不会发生渗透破坏，满足坝体渗透稳定要求。

通过模型建立及数值计算，可以确定尾矿坝的渗流场分布、浸润线埋深、渗透梯度等情况，通过计算结果我们可以人工干预，进行尾矿坝防排渗设计，对尾矿库设计及后期运行具有重要指导意义。