尾矿库三维渗流模拟及排渗设施对渗流场影响

孙景鹏 宋春山,2 韩红卫,2 赵林长 马锡铭

(1.东北农业大学水利与土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150030;2.黑龙江省寒区水资源与水利工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150030;3.黑龙江省冶金设计规划院,黑龙江 哈尔滨 150080)

尾矿坝溃坝的主要原因有渗流破坏、坝坡失稳、地震液化、超高堆坝等[1],而尾矿坝内浸润面过高并从坝面出逸就可能产生渗流破坏,严重的将造成坝坡失稳破坏甚至溃坝[2]。尾矿坝一旦溃坝,就会给下游人民生命财产和周边环境带来巨大的灾难,因此对尾矿坝渗流场进行有效控制很有必要[3-4]。

目前,关于尾矿坝渗流场方面的研究较多,如齐清兰等[5]采用数值模拟方法,定性分析了初期坝排渗能力、干滩长度及堆积坝下游坡比等因素对尾矿坝浸润线的影响并对降低浸润线的若干措施进行了分析;梅聪等[6]对土工席垫进行了等效模拟并赋予相应的等效渗透系数,提出采用土工席垫的排渗措施可增大浸润面的埋深,有效控制浸润面。柳厚祥等[7]根据弹性力学和渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程,对尾矿坝进行了考虑应力场与渗流场耦合的非稳定渗流分析。尹光志等[8-9]通过数值模拟及室内物理模型试验方法对尾矿坝渗流规律及影响因素进行了研究,首次考虑了大气降雨对尾矿坝渗流场的影响。邓红卫等[10]通过Midas-GTS软件建立了尾矿库三维渗流模型,研究了干滩长度对尾矿坝稳定性的影响,得出了干滩长度与该尾矿库安全系数之间的函数关系。可见,当前研究通常考虑了初期坝、干滩长度及大气降雨等因素对尾矿坝渗流场的影响,并取得了丰富的研究成果。但少有考虑到水平排渗管对渗流场的直接影响及其排渗效果分析。本项目以某山谷型尾矿库为研究对象,重点是分析尾矿坝布设排渗管前后的渗流场分布及数值计算结果的准确性。由于尾矿库的渗流受原始地形影响很大,为更真实地模拟尾矿库实际渗流状态,建立渗流三维数值分析模型,对尾矿坝不同坝高及布设排渗管前后的渗流场进行对比分析。本次研究考虑了尾矿库的复杂性及排渗管的影响,为尾矿库三维渗流安全分析提供了一定的参考依据。

1 数值计算模型

1.1 工程背景

某尾矿库由Ⅰ#和Ⅱ#尾矿库组成,2个库初期坝采用透水堆石坝,上下游坡比为 1∶1.7、1∶2.0,Ⅰ#初期坝坝高39 m,Ⅱ#初期坝坝高37 m,坝顶标高均为440 m。堆积坝采用上游冲积法堆筑,下游平均坡比为1∶5.0。当堆积坝坝顶标高达到460 m时,2个库合成1个库。设计总坝高为198 m,总库容为4.29×108m3,为二等尾矿库,总服务年限32 a。目前在堆积坝标高443.0 m和450.0 m分别设置了水平排渗管,管长80 m,管底坡度3%～5%,采用63×4.7UPVC花管,外包400 g/m2土工布,间隔60 m布置。库区地貌分为构造剥蚀低山丘陵、山前堆积台地及堆积河漫滩。库区地势总体上东北高、西南低,地形起伏较大。此次研究时的坝高为70 m,已达到设计最终坝高的1/3,尾矿库平面布置图如图1所示。

图1 尾矿库平面布置(单位:m)Fig.1 Layout plan of tailings pond

1.2 理论基础

尾矿库正常运行时大部分的渗流状态属于层流运动,所以整个尾矿库渗流场符合达西定律,尾矿作为一种非均质各向异性材料,三维空间稳定渗流基本方程[11]为

式中,h是水头函数;kx、ky、kz分别是以x、y、z轴为主轴方向的渗透系数。

实际发生稳定渗流时还应满足以下边界条件,Γ1和Γ2构成三维空间渗流场的全部边界。

第一类,边界上水头是已知的,即

式中,Γ1为尾矿库上下游及下游渗出面边界之和。

第二类,边界上流量等于零,即

式中,Γ2为不透水边界;n为Γ2的外法线。

由于渗流自由面没有流量流入或流出,因此在渗流自由面上除需满足式(3)外,同时还需满足:

1.3 模型构建

为更真实地模拟尾矿库实际渗流状态,采用Midas-GTS有限元计算软件进行尾矿库渗流三维数值模拟。依据尾矿库设计文件、库区实际地形地貌建立尾矿库的三维实体。再根据现场地质勘察资料和规程规范,对尾矿库材料进行概化分层,坝体典型剖面见图2。

图2 坝体典型剖面Fig.2 Typical section of tailings dam

自下而上依次为基岩、块石混合料、尾粉土、尾细砂和尾中砂,各材料的物理力学特性如表1所示。尾矿库的三维模型选用莫尔—库伦模型。定义XOY面为尾矿坝下游基岩最低点水平面,初期坝坝顶最右端在XOY面的投影点为坐标原点,下游向上游方向为X轴的正方向,正法线方向为Y轴正方向,基准面之上为Z轴正方向。

表1 物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters

为了同时满足精度和计算量的要求,通过反复试算,最终确定每个单元的长度为10 m,初期坝、排渗管、堆积坝及坝肩等对渗流影响较大的关键区域进行加密处理。构建的三维渗流模型共划分为574 397个单元,119

742个节点。三维渗流模型如图3所示。边界条件分为:不透水边界、已知水头边界和出渗边界3种。其中,将尾矿坝滩面确定为已知水头边界,堆积坝及初期坝下游坡面确定为出渗边界,将库区基岩层及周围山体确定为不透水边界。

图3 三维渗流模型Fig.3 Three dimensional seepage model

2 结果分析

2.1 排渗管的布设与计算工况

在不同坝高的模拟中,考虑了水平排渗管的影响。坝高70m时排渗管的布设将严格按照尾矿库实际布设情况进行。当坝高达到100 m时尾矿库为二等库,有必要对其渗流场进行分析,此时排渗管在原有布设情况下,竖直方向上每隔7m布设一层。水平排渗管的模拟参照陈崇希等[12]提出的“等效渗透系数理论”进行,计算工况如表2所示。

表2 研究工况Table 2 Study condition

2.2 模型准确性分析

分别模拟无水平排渗管和增设水平排渗管时,尾矿坝各断面处的浸润线位置。为进一步验证数值模型及计算结果的准确性,把计算结果与实测浸润线(本文实测浸润线为坝高70 m,正常水位467.9 m时钻井点实测浸润线高程)作对比,定义模拟浸润线与实测浸润线的相对误差ε为:

式中,Hm和Hs分别为尾矿库浸润线的模拟值和实测值,规定相对误差在1.5%之内,便判定为数值计算结果合理。

图4展示了坝高70m不布设排渗管与布设排渗管时,不同水位下的浸润线与实测浸润线位置的对比。可以看出,未布设排渗管时,典型剖面浸润线与实测浸润线耦合得并不理想,最大相对误差为1.34%。布设排渗管后,典型剖面浸润线与实测浸润线的误差明显变小,最大相对误差为0.53%,浸润线耦合良好。说明在进行尾矿库三维数值模拟时,对水平排渗管进行简化模拟,与实际情况更为相符,并且数值计算结果合理。

图4 增设排渗设施前后最大断面浸润线模拟值及实测值Fig.4 Simulated and measured values of maximum section infiltration line before and after adding seepage drainage facilities

2.3 无排渗管情况下不同坝高渗流场分布

尾矿坝浸润线对坝体安全影响较为重要,在浸润线埋深(埋深指坝面到浸润线的距离)小到一定程度时,尾矿坝便会发生失稳破坏。根据《GB 50863—2013尾矿设施设计规范》[13]的要求,尾矿堆积坝下游坝坡浸润线的最小埋深除了要满足表3外还应满足一至三级尾矿坝下游坡浸润线的最小埋深不宜低于6 m,四级、五级尾矿坝不宜低于4 m的设计条件[14]。参照规范要求,本次研究尾矿坝浸润线最小埋深为6 m。

表3 尾矿堆积坝下游坡浸润线最小埋深Table 3 Minimum buried depth of phreatic line of downstream slope of tailings dam

图5为工况2条件下三维渗流场中各断面的孔隙压力云图,云图中黑色线代表浸润线位置(本文云图统一用黑色线代表浸润线位置)。可以看出,浸润线自尾矿库区滩面沿尾中砂分区入渗,最终从2个初期坝下游坡脚附近出渗。浸润线在堆积坝内分布比较平缓,在初期坝与堆积坝交界处下降较快。各断面浸润线埋深较浅,但未发生出逸现象,最小埋深位于1#堆积坝下游坝坡458m高程处,为3.5m,不满足浸润线最小埋深需大于6m的安全设计要求,存在安全隐患。水力坡降自堆积坝上游向下游方向逐渐增大,最大水力坡降分布在初期坝内坡脚附近的尾矿堆积坝内,小于该部位尾砂的临界水力坡降,不会发生渗透破坏。

图5 运行水位469.3 m时无排渗管浸润线分布Fig.5 Distribution of infiltration line without drainage pipe at 469.3 m operating water level

图6为工况5条件下三维渗流场中典型剖面的孔隙压力云图。由图可知,当坝高升至100 m时,浸润线于高程467 m处逸出堆积坝表面,如不进行处理,极易出现溃坝风险,这将严重影响尾矿库的安全运行,同时也不满足规范要求。因此有必要设置排渗设施降低浸润线的位置。

图6 运行水位498.5 m时未增加排渗设施典型剖面浸润线分布Fig.6 Infiltration line distribution of typical profile without additional drainage facilities at 498.5 m operating water level

2.4 布设水平排渗管情况下各坝高渗流场分布

图7、图8分别为坝高70m和100m时布设排渗管后尾矿库典型剖面浸润线云图。可以看出,布设排渗管后浸润线的高度在排渗管辐射范围内明显降低,浸润线埋深降低范围为5～10 m,各断面浸润线的埋深均大于6 m安全设计要求。此外,增加排渗管后,浸润线的变化趋势有所改善,水力坡降最大值均分布在初期坝内坡脚附近的尾矿堆积坝内,均小于该部位尾砂的临界水力坡降,不会发生渗透破坏。坝高100 m时在原有排渗设施基础上每隔7 m高程差布设一层排渗管后,浸润线下降明显,证明该布设方案可行,降渗效果显著,能够加快尾矿砂的固结速度,提高坝体的排渗能力,保证了尾矿库的安全稳定运行。

图7 运行水位469.3m时布设排渗管后浸润线分布Fig.7 Distribution of infiltration line after laying drainage pipe at 469.3 m operating water level

图8显示的典型剖面浸润线埋深虽然满足浸润线最小埋深需大于6m的安全设计要求,但总体来说较为接近。这就意味着拟建的每隔7 m高程差布设一层排渗管基本上能满足尾矿库的安全运行,但若实际施工时高程差超过7m或者施工质量存在问题,就会使尾矿库排渗能力下降,影响尾矿库的运行安全。因此,在条件允许的情况下应该适当增加排渗管的层数,在日常运行时还应加强监控,一旦发现浸润线不满足安全设计要求时,应及时采取措施,保证尾矿库的安全[13]。

图8 运行水位498.5 m时增加排渗管后典型剖面浸润线分布Fig.8 Distribution of infiltration line in typical section after adding drainage pipe at 498.5m operating water level

综上,尾矿坝加高扩容的过程中,随着尾矿的不断堆积,尾矿坝内的浸润线会逐渐升高,如果处理不当则会出现浸润线从堆积坝下游坡面出逸的情况。运用Midas-GTS软件建立尾矿库渗流三维数值模型,简化模拟了排渗管的布设,计算浸润线结果与实测结果相对误差在合理范围内,因此通过此模型对增设排渗管前后尾矿库的渗流场计算具有准确性。从渗流控制效果上来看,合理布置排渗管后,可有效控制坝体内浸润线埋深和分布,明显改善渗流场的状态,从而防止尾矿坝发生渗透破坏,有利于尾矿库坝体稳定。需要注意的是,由于排渗管在使用过程中会出现淤堵现象,这将使排渗管的排渗能力下降,进而引起尾矿坝浸润线升高的情况。所以,在日常运行时,应加强管理并定期对尾矿坝浸润线进行监控,保证尾矿库正常运行。

3 结 论

本研究针对某山谷型尾矿库现状,运用Midas-GTS软件建立了尾矿库渗流三维数值模型,并与实测数据进行了比较。在此基础上对尾矿库加高扩容后的渗流场进行了模拟并提出了增设排渗管的方案,得出以下结论:

(1)现状坝高未布设排渗管,典型剖面浸润线与实测浸润线最大相对误差为1.34%;布设排渗管后,典型剖面浸润线与实测浸润线的误差明显变小,最大相对误差为0.53%;相对误差均小于1.5%,说明尾矿库三维数值模拟计算结果合理。

(2)坝高100 m时,每隔7 m高程差布设排渗管的方案可有效控制尾矿坝体的浸润线位置,浸润线埋深整体降低5～10m,明显改善了渗流场的状态,保证了尾矿库的安全稳定运行,但运行过程中应加强监控。