1、初期坝为浆砌石坝,坝高。年,堆积坝 中部出现了冒水、管涌甚至塌 陷等险情,后经采用盖土工布、压载块石等措施,出逸流量减小,流砂的现象得到了初步控制。为了分析该尾矿坝渗流险情的原因,进一步论证坝体的稳定性和制定除险加固方案,本文在现场地形测量和室内试验获取尾矿砂物理力学性质的基础上,对该尾矿坝进行渗流与稳定性计算,提出了渗流和抗滑稳定评价意见及可行的排渗方案。尾矿库地形模型的建立鉴于尾矿库 目前没有大 比例尺地形图,且尾矿堆积坝不断加高,地形随时间变化大,因此本次计算使用先进的三维激光扫描技术,以魂三维激光扫描仪 图协同两个差分式接收机 在分钟 内扫 描 三 个 测 站,扫 描 面积 约,收集到
2、地表三维坐标点约万个,建立了尾矿库地区精细数字地形模型,图。对尾矿坝附近地区进行激光扫描之后,过滤掉山体表面植被,利用差分接收机收集关键点大图激光扫描仪收稿 日期一 一修回 日期一 一作者简介 何秉顺住,男,工程师,博士研究生。主要从事边坡稳定分析研究。防 灾 减 灾 工 程 学 报第卷综合考虑计算区天然地下水位、水文地质、地形资料等,选取数字地形模型中坡度最为陡峭的断面进行坝体渗流和稳定计算,如图。图尾矿库地区数字地形模型在数字地形模型中选取计算断面地坐标,并对激光扫描数据进行坐标转换,即可建立研究区数字地形模型。在数字地形模型的基础上,可绘制任意比例尺的地形等高线图。数字地形模型为渗流计算
3、、稳定分析提供了详细的地表高程输入参数,同时还为尾矿坝除险加固设计提供了大比例尺高精度的地形图。尾矿砂物理力学指标是尾矿坝渗流与稳定计算的重要基础数据。按照相关土工试验规范,对尾矿砂物理力学指标进行了室内测试,结果列于表。表尾矿砂物理力学指标浆砌石坝局部陡峭段干滩基基岩岩七匕一一尾矿坝渗流计算的几何模型单位二图坝体渗流与稳定的计算剖面一干密度饱和容凡重 长 一 一孔隙比有效内摩擦角州有效渗透系枯聚力数 一一图表示了尾矿坝计算剖面的整体计算网格,现状坝高共划分为个 四面体单元、个节点 远期规划坝高共划分为个四面体单元、。个节点。上游干滩外侧取定水头边界条件,尾矿坝下游坡设为 自由出逸边界条件。匕
4、 七 卜卜卜卜亡厂七卜匕双豁叨刃粥翎胡幼尾矿坝渗流计算渗流控制方程赢鼎霏鬓一坝高 现状八,乙兮。本次尾矿坝渗流计算采用有限元法,饱和土稳态二维渗流控制微分方程如下,开厂、刁,开、未二杀于景共 母二拼、一 人拼 忍、一乙胭麟麟粼粼黝脚蹦撇燃瞩渊渊翻 翩翩口门用用目目目 巨 绷绷团月 井井 丰扣拉拉 拓拓 日 州封 川州与 习姗洲姗琳姗姗娜洲洲粉姗姗姗卜卜 扭州 碎阳妇 妇 俐十 角角 梢梢 什 手 科 们 共们牛牛 们吧 州什什井井石 石妇 石俪书栩 琳海诵丽加柑丽丽研丽嘛而俪丽神帐叫叫式中和为水平、垂直坐标与分别为和方向的渗透系数为总水头 位置水头和压力水头之和。获得与之后,该微分方程就可求解
5、。间坝高 远期规单位图某尾矿坝计算剖面的有限元网格划分一计算剖面的选取与模型参数渗流计算参数反分析确定尾矿坝稳定渗流场的计算范围,应以不使工程区渗流状态失真并满足工程设计需要为原则。尾矿砂中的细粒含量很多,其渗透系数就低,经过一段时间的压缩固结,尾矿砂的透水性也会很低,第期何秉顺等某尾矿坝稳定性分析与加固措施下的渗流计算结果。表渗流计算结果工况序号出逸点高程出逸点比降单宽出逸流量一寸叼 自 今才自乙只 亡曰亡口匕 勺乙乙乙日凸 口斗 曰任住 产山 刁任甚至变化很大,在 自然沉积过程中,尾矿砂和尾矿泥互层 出现,因而垂直和水平方向上的渗透系数和差别很大,和的比值多取为一左右,各向异性导致浸润线小
6、幅度地升高。另外,在尾矿堆积坝顶部,放矿支管沿堆积坝顶平行移动,水砂混合体沿冲积滩面流动,尾矿堆积坝顶具有一定的人渗流量。为使本次计算更加与实际情况符合,首先根据出逸点高程反分析确定和的比值以及坝顶入渗流量。现场量取 当前坝高情况下干滩面长度为,将现状干滩面长度与水平方向的渗透系数作为输入条件,通过调整和的比值与坝顶的垂直人渗流量,直至有限元计算得到的出逸点高程与实测出逸点高程接近为止,即反分析过程结束。实测出逸点距坝顶垂直距离,反分析获得垂直距离为。通过反分析获得的和的比值与坝顶的垂直入渗流量,作为输人参数进行下一步的正分析计算。现状坝高时,水流距坝顶处出逸,反分析获得出逸点距离坝顶,反分析
7、结果与实测结果相对应。从上述反分析结果中,获得尾矿砂刀,坝顶干滩面水流单宽人渗流量为一丫。计算工况说明为了查清相对不透水的浆砌石坝以及坝体填料各向异性对渗流场的影响,本次计算考虑了个计算工况,这个工况涵盖了尾矿坝现状坝高和远期规划坝体增高情况下的各种渗流场,各计算工况详见表。表尾矿坝渗流场分析的全部工况工况序号坝高干滩长度从表中可以看出,干滩长度对出逸点高程的影 响很 大,尤其在现状 坝高情况下,干滩长度 由减至时,出逸点高度升高近,单宽出逸流量、出逸点比降也相应增加。因此,在 目前水流在坝坡高点出逸的情况下,一定要严控放矿工艺,保持干滩坡比与干滩长度,防止出逸点继续向上发展。表中,所有工况的
8、出逸点 比降均在左右,而 碾压式土石坝设计规范户 规定尾矿中细砂的允许渗透比降为。如果出逸比降大于允许渗透比降,出逸水流携砂流出,容易造成管涌、流砂等险情,因此 目前该尾矿坝所采用的铺盖土工布反滤、块石压重的工程措施是非常必要和及时的。随着坝体高度的增加和尾矿库水位的上升,浸润线与水流出逸点高程、单宽流量也相应增加。坝高由现状的增加至时,出逸点高度增加了左右。因此,随着尾矿坝的加高,坝体渗透失稳和滑动失稳的风险将增加,为了防止渗流出逸段尾矿坝坡的渗透破坏,需要将土工布压块石的防护措施继续加高。图为个工况下的水头等值线图。由图可以看出,随着坝体高度的增加,出逸点高程增加,浸润线抬高,坝体危险程度
9、也逐渐增加。工况说明现状坝高,干滩长度减小现状坝高下渗流稳定校核现状坝高,干滩长度增加远期规划坝高,干滩长度减小远期规划坝高,干滩长度同工况远期规划坝高,干滩长度增加门月士亡一八渗流计算结果分析根据上述边界条件和网格划分,使用有限元方法对尾矿坝进行了渗流计算。表给出了个工况尾矿坝抗滑稳定分析尾矿坝的稳定性分析在尾矿库的设计和 日常生产管理中具有非常重要的作用。稳定分析能从总体上定量评价和预测坝体的工作状态,以确定规划中的或正在运行中的尾矿库是否安全、安全程度如何、未来尾矿坝还能堆积多高、是否需要进行加固处理等,同时也可对原始设计资料进行验证。尾矿库安全技术规程户 指出,应使用瑞典圆弧法对尾矿坝
10、进行稳定分析。防 灾 减 灾 工 程 学 报第卷奎奎奎 国国 司 豫豫 网网 国国 网网 奋奋蔡蔡蔡溺 巨一奎奎奎 国国 国国 国国 国国 国国产 飞 畜畜蔡蔡蔡夏夏夏夏夏期 粥貂粥期邢工况现状坝高,干滩伪 工况现状坝高,千滩到到 到到 司 喇喇 网网 国国 镬镬 慈慈 蔡蔡蔡到到胃司引引引 戴 引豢豢豢仁叨。七 匕直一一一一工况砚 状坝高,干滩工况人 远景规划坝高,干滩引引粼感感引引 引 引引粼粼。习“八“工,月,月呀只一工况人 远景规划坝高,干滩工况 远景规划坝高,千滩单位图个工况的水头等值线抗滑稳定分析方法瑞典圆弧法属条分法的一种,不计及条间作用用瑞典圆弧法计算稳定安全系数的表达式为艺
11、典 一,、,氏 们习、,、规划坝高下个计算工况的整体稳定分析及陡峭段的局部稳定分析。由于将上一节渗流计算的水力条件施加于稳定分析中,因此滑动稳定计算的工况与渗流计算相同,详见表。表尾矿坝整体稳定分析的全部工况工况序号坝高干滩长度工况说明现状坝高,干滩长度减小 三等库、洪水运行甘哎 廿了八曰 土 二日八凸夕 从 一匀以八 上 上,上,几式中 为土体有效粘聚力护 为土体有效内摩擦角、为条块宽度为土的容重为水的容重 为条块的高度瓦,为条块底部至浸润线的垂直高度 为条块重心点到滑弧圆心的力臂,单位为为滑弧的半径,为地震系数矛 为条块的土重量民为条块滑面的倾角。现状坝高下渗流稳定校核 三等库、正常运行现
12、状坝高,干滩长度增加 三等库、正常运行远期规划坝高,干滩长度减小二等库、洪水运行远期规划坝高,干滩长度 同工况二等库、正常运行远期规划坝高,干滩长度增加二等库、正常运行注 二表示除了进行整体稳定分析之外,还进行了陡峭坡的局部稳定分析,工况号为、稳定计算工况说明材料物理力学参数在上节的渗流计算 中,共计考虑了现状和远期尾矿坝由三种材料组成,即浆砌石初期坝、尾矿第期何秉顺等某尾矿坝稳定性分析与加固措施砂与坝基下的基岩。计算采用的材料物理力学参数如表所示。表尾矿坝稳定分析材料物理力学参数有效内有效粘天然容饱和容材料类型摩擦角聚力。重重 人护 一一浆砌石坝尾矿砂基岩稳定分析计算结果表给出了整体稳定与局
13、部稳定计算结果,可以看出稳定安全系数约在一之间,均不满足文献 的要求。表尾矿坝稳定分析计算结果工况序号坝高干滩长度稳定安全系数 瑞典法允许安全系数无任何排渗措施,导致的坝体浸润线抬高,水流高点出逸,从而影响坝体稳定。要提高尾矿坝的安全性,有效而首要的方法是降低浸润线,即在坝体上修建排渗设施,降低坝体内的浸润线和出逸点的高度,从而提高坝体的稳定安全系数。根据该工程的实际条件,可以选用的降低浸润线的措施主要有 管井抽排降水、管井和水平管 自流降水、大口辐射井降水和水平管降水。大口辐射井技术由一 口大直径的竖井和自竖井下部向周边含水层施工的多根水平排渗管组成 图。竖井本身没有透水段,降水由水平排渗管
14、完成。水平排渗管的长度可达几十米,从而大大提高了排水效果。井内渗水可以采用抽排、虹吸管或水平 自流管的方式排出。利用辐射井进行降水,可减少降水点的管井、水泵数量,从而减少降水成本。一个深竖井的辐射井,水平辐射管长一,可调控地下水面积。在该尾矿库除险加固过程中,由于水量较大,经过多方案 比选,采用了降水效率较高、施工简单的大口辐射井技术。经计算,降水后抗滑稳定安全系数提高至,且滑裂面深度增加,由浅层滑动变为深层滑动模式,安全性大大提高。施工队伍 自年月进场,月完工,目前水流高位出逸、坝面沼泽化、流砂、管涌现象已完全消除。表中,随着坝体填筑高度的增加,边坡稳定安全系数相应减小。坝高时,应用瑞典法计
15、算得到的坝体安全系数已经小于,坝体处于失稳临界状态。最危险滑裂面出现在尾矿子坝与初期坝交界处,同时也是坝体坡度最为陡峭的地段。因此,为了提高坝体稳定安全系数,除了应采用降低尾矿坝浸润线的措施之外,对初期坝顶部坝体,应采用消坡等手段减小其坝外坡度。总体来看,导致尾矿坝安全系数偏低、坝体稳定安全处于临界状态的原因就是浆砌石坝相对不透水,导致浸润线偏高,水流高点出逸。而干滩长度对稳定安全系数有影响,干滩越长,坝体出逸点越低,尾矿坝也就越安全。筋混凝土管竖井叉费奎燮水平辐射管卜歼 圣 红型里图大 口辐射井示意尾矿坝除险加固工程措施根据渗流和稳定计算结果,该尾矿坝最主要的问题就是尾矿坝浆砌石筑坝相对不透
16、水,且堆积坝结论渗流计算表明 由于初期坝为不透水的浆砌石坝,加之没有排渗措施,是导致某尾矿坝出逸点很防 灾 减 灾 工 程 学 报第卷好除高的最主要的工程结构方面的原因。随着坝体断面和尾矿库水位的不断升高,坝体内的浸润线和出逸点也将升高。为了防止出逸段的渗透破坏 流砂、管涌,前期采用的反滤保护措施是非常必要的。干滩长度对渗流出逸点有较大影响,控制干滩长度是降低出逸点高度、保证坝体安全的一项重要措施,运行管理中应予高度重视。根据抗滑稳定计算结果,目前状况下 坝高,坝体的抗滑稳定安全系数最大为,当坝高达到时,抗滑稳定安全系数将小于,不能满足 尾矿库安全技术规程文献的要求,随着坝体加高,坝坡渗流出逸
17、点会继续升高,坝坡抗滑稳定安全系数将进一步降低,更不能满足规范的要求。浸润线和出逸点位置高是影响尾矿坝抗滑稳定的最主要因素。根据该工程的具体条件和已有工程经验,采取降水排渗措施是最为经济有效的手段。同时,对坝坡局部陡峭段应采取削凸补凹的方法进行处理。辐射井降水不易发生淤堵,长期降水效果好,是首选方案。实践证明,大口辐射井降水效果良尾矿坝水流高位出逸、流砂管涌现象已基本消稳定安全系数提高到以上。参考文献路美丽,崔莉 影响尾矿坝渗流场的因素分析 中国安全科学学报,一,口,一祝学玉 关于尾矿库工程中的几个问题的讨论 金属矿,一,卜 训政 上游式尾矿坝安全隐患分析 化工矿物与加工,一一,一一,碾压式土石坝设计规范厂,一,尾矿库安全技术规程 一,一,衣,一,
