付茂盛,亓兆伟

(华北地质勘查局五一四地质大队,河北承德 067000)

某复杂边界形态尾矿库坝体三维渗流稳定性分析研究

付茂盛∗,亓兆伟

(华北地质勘查局五一四地质大队,河北承德 067000)

基于FLAC3D数值计算软件构建某“V”字型沟谷内存在多条支沟的复杂边界形态尾矿库数值计算分析模型,对尾矿库在库区正常水位及洪水位工况尾矿库坝体三维渗流分析模式下的尾矿库坝体及库区周边山体的位移场、速度场、剪切应变增量、位移破坏场进行分析,圈定存在失稳破坏区域,揭示尾矿库坝体在干滩长度变化的三维渗流分析模式下坝体稳定性安全系数变化规律,评价尾矿坝基和坝体的稳定性,为尾矿库坝体继续加高、闭库设计、安全生产提供技术参考。

尾矿库;数值计算;干滩长度;渗流分析;FLAC3D;复杂边界

1　引 言

尾矿库作为矿山选矿企业的重要生产设施,其运行的安全与否,直接关系到企业的经济效益和尾矿库周边居民的生命财产安全[1]。我国尾矿多采用水力排放形式,因渗流破坏而导致尾矿库溃坝的占有很大比重,从某种意义上讲,坝体的渗流稳定性对坝体的整体稳定性起着至关重要的作用[2,3]。目前的研究主要基于二维平面应变假定,关注坝体内浸润线高度、干滩长度、初期坝透水与否等因素对渗流稳定性的影响较多,对尾矿坝三维渗流稳定分析较少。

由于尾矿库的建造多处于沟谷之内,整个库区呈不规则形状,库区的安全生产的监管措施不完善、库区周边山体岩土体力学参数在尾矿库库区排尾的过程中以及在干滩长度变化下工程力学参数大大折减,库区浸润线的变化对尾矿坝坝体的稳定性影响加大,容易造成尾矿坝体的失稳,通过尾矿库坝体稳定性分析,可以对危险的尾矿库进行提前预测、早期预警。因此,为确保尾矿库坝体稳定性分析的准确性与真实性,建立合理的三维渗流数值计算模型,并应用于实际生产实践,得到真实合理的尾矿坝坝体稳定性情况,对指导矿山尾矿库的安全生产具有重大的指导意义。

2　黄榆沟尾矿库工程概况

2．1库区概况

该尾矿库为山谷型尾矿库,沟谷横断面呈“V”型,库区走向东南-西北,区内山峦起伏,沟谷较发育,山顶基岩大部分裸露,植被较发育。其天然坡角约为30°～50°,库区汇水面积约为0．861 km2。该区区域地貌为燕山山脉中段构造剥蚀低山区,地形较简单,地貌较复杂,植被较发育,沟谷及冲沟两侧大部分基岩裸露,局部覆盖第四系角砾层。库区基岩主要为石英岩,尾矿堆积材料以中-细小颗粒尾矿砂为主。

2．2坝体岩土工程地质特性

(1)地层岩性

该尾矿库库区范围内地层岩性根据性质及成因可分为三个部分,即天然地层、初期坝、尾矿堆积层。天然地层表面为强风化石英岩,局部覆盖含黏性土碎石及粉质黏土;初期坝为透水堆石坝;尾矿由于尾矿沉积分选性不强,故砂性尾矿中普遍存在黏性尾矿夹层(3 cm～10 cm),且在同平面上不连续,呈透镜体状。根据野外钻探、原位测试和室内土工试验结果,经综合分析,并经概化后将库区各岩土层划分为6个主层,即尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉质黏土、角砾、石英岩。

(2)水文地质条件

该尾矿库处于一主沟长约1．4 km的沟谷内,库区底为强风化石英岩,沟口筑坝。整个库区可视为一个独立水文地质单元,其地表水和地下水的补给来源,一是季节性大气降水,二是经常性的尾矿水,地下水类型为HCO3-Ca型水。

3　数值计算模型的建立

(1)平面方向:三维模型平面边界范围按图1中蓝色虚线所划范围选取,将整个库区包含在内并向外作适当扩展,三维模型的y轴沿初期坝纵轴方向,长度约420 m;三维模型的x轴方向垂直于初期坝纵轴,长约648 m。天然地层石英岩取为不透水边界。

图1　三维建模范围示意图

(2)深度方向:三维模型的竖直方向(Z轴)自库区自然地面向下取约40 m深,向上取至尾矿堆积坝现状标高645．65 m。

(3)几何建模及网格划分:通过FISH语言编写程序实现复杂三维工程模型的快速构建。采用四面体单元进行网格划分,最终生成75 508个四面体单元,15 321个节点,如图2所示。

图2　三维计算模型网格划分及材料分组图

4　渗流计算参数的选取

进行三维渗流数值模拟时,假定尾矿堆积砂体内部只有水发生运移,尾矿砂颗粒不发生运移;液相仅考虑水的作用,不考虑空气的作用;假定流体渗透特性为各向同性;假设流体流动符合达西渗透定律。如表1所示:

岩体参数选取　表1

5　渗流计算边界条件

库区三维渗流计算的边界条件假定如下:取天然地层实体为不透水边界,各级尾矿堆积子坝的坝外坡面及初期坝外坡面为自由出渗边界。在现状库内正常水位标高638．83 m工况下,尾矿沉积滩在Z=78．60 m(即库内水位标638．83 m)以下为常水头,Z=78．60 m以上至现状沉积滩滩顶标高范围内的实体为干滩;在最高洪水位标高639．78 m工况下,尾矿沉积滩在Z=79．55 m(即最高洪水位标高639．78 m)以下为常水头,Z=79．55 m以上至现状沉积滩滩顶标高范围内的实体为干滩。

6　三维渗流数值计算结果分析

6．1位移场分析

从图3和图5可以看出,在正常水位和洪水水位工况下,出现剪切应变的区域为初期坝及堆积坝的部位,在洪水工况下剪切应变区域及剪切应变值增加值很小,沿尾矿坝模型X方向的位移增量较小,从而在整体说明洪水工况下尾矿坝坝体的稳定性较小。

图3　正常水位工况下初期坝及堆积坝剪切应变图

图4　正常水位工况下初期坝及堆积坝X方向位移图

图5　洪水水位工况下初期坝及堆积坝剪切应变图

图6　洪水水位工况下初期坝及堆积坝X方向位移图

6．2三维孔场分析

图7～图9为尾矿库在库内正常水位标高638．83 m正常运行工况下的三维渗流数值模拟结果。在尾矿堆积体与基岩交界面附近孔压达到最大值,经透水初期坝逐渐降低(如图7、图8所示)。在现状库内水位标高638．83 m正常运行工况下,库内地表水在尾矿体空隙的渗透过程中,由于受到尾矿固体颗粒对其的沿程阻力,从而产生不同程度的水头损失,因此,总水头自库内向下游尾矿堆积坝体逐渐降低,从而形成水头差,库内水在此水头差的压力作用下,由库内向下游尾矿堆积坝体渗透(如图9所示)。水平向水头梯度在沉积滩内随着逐渐远离库内水体也呈逐渐增大的趋势,但增加幅度不大(如图10所示);竖向水头梯度在堆积坝与基岩交界面附近最大,量值上比水平向水头梯度要大(如图11所示)。

经三维渗流数值计算发现,尾矿库在库内洪水水位标高639．78 m洪水运行工况下,所得孔压场、水头、水头梯度等结果与库内正常水位标高638．83 m正常运行工况下的结果差别很小。可能的原因之一是本次计算的洪水水位标高比正常水位高出不到1 m,相对于整个三维模型几百米的尺度而言这个变化显得很小;另外,三维网格的基本单元尺寸为10 m左右,水位变化1 m在有着较长渗流路径的情况下通过这样的三维网格难以体现。

图7　正常运行工况下尾矿库三维孔压场(Pa)

图8　正常运行工况下黄榆沟尾矿库“y=200剖面”孔压场(Pa)

图9　正常运行工况下尾矿库“y=200剖面”总水头(m)

6．3坝体稳定性三维数值计算稳定性系数

采用FLAC3D内置的强度折减法对正常运行与洪水运行两种工况下的坝体稳定性进行分析。计算得到的潜在滑移面及安全系数值如图10与图11所示,通过剪应变增量显示的潜在滑移面可知存在两种潜在滑移模式,即堆积坝坡面浅层滑移和堆积坝深部折线形滑移。

计算得到,正常运行工况下安全系数约为1．419 921 875,洪水运行工况下安全系数约为1．416 015 625,即洪水运行工况下的安全系数值比正常运行工况有微量减少,这与毕肖普法计算得出的安全系数值较为接近。于是,强度折减法数值计算结果也表明尾矿坝在现状正常运行工况下和洪水运行工况下的安全系数满足规范要求。

图10　尾矿库剖面正常运行工况下潜在滑移面及安全系数

图11　尾矿库剖面洪水运行工况下潜在滑移面及安全系数

6．4干滩长度变化对尾矿坝坝体安全系数影响

结合现场干滩长度变化,进行三维渗流分析求解尾矿坝坝体安全系数,从分析结果可以看出随着干滩长度的增大,安全系数增大,干滩每减小50 m,安全系数减值为0．1,干滩长度变化200 m,安全系数减小0．3,通过上述变化可知在尾矿库排尾生产过程中,要严格控制干滩长度的变化,当干滩长度变化超过200 m,应该加强尾矿坝坝体的监测及预警,控制一次排尾量,并保证排水措施正常运行。

图12　干滩长度变化与尾矿坝坝体安全系数关系

7　结 论

(1)渗流数值模拟结果可以看出,在正常运行工况下的渗流数值模拟结果与勘察时的实测数据基本吻合,模拟结果是可信的。

(2)通过剪应变增量显示的潜在滑移面可知存在两种潜在滑移模式,即堆积坝坡面浅层滑移和堆积坝深部折线形滑移。

(3)随着干滩长度的增大,安全系数增大,干滩每减小50 m,安全系数减值约为0．1,干滩长度变化超过200 m,应该加强尾矿坝坝体的监测及预警,控制一次排尾量,并保证排水措施正常运行。

[1] 尹光志,余果,张东明．细粒尾矿库地下渗流场的数值模拟分析[J]．重庆大学学报·自然科学版,2005(6)．

[2] 何友芳,尹光志,张东明．土工格栅与铜矿尾矿界面作用特性的实验研究[J]．重庆建筑大学学报,2006(2)．

[3] 曹洪,房营光．深圳水库高边坡的稳定性分析[J]．岩石力学与工程学报,2004,23(6):906～910．

[4] 金永健．尾矿坝二维固结渗流模型研究及坝体稳定性分析[D]．长沙:中南大学,2009．

[5] 祝玉学．关于尾矿库工程中几个问题的讨论[J]．金属矿山,1998(10)．

[6] 宁民霞,王振伟,殷新宇．水对尾矿坝的稳定性影响研究[J]．矿业快报,2006,443．

[7] 曹林卫,彭向和,李德等．变形场和渗流场耦合作用下的尾矿坝静力稳定性分析[J]．重庆建筑大学学报,2007(5)．

[8] 黄维新．尾矿坝稳定性分析及尾矿库管理的对策措施研究[D]．长沙:中南大学,2008．

[9] 魏发正．金马铅锌矿细粒尾矿库的加固实践[J]．矿业安全与环保,2008(4)．

[10] 葛雁,陈付申,王现国等．地下水对栾川炉场沟尾矿坝稳定性影响分析[J]．地下水,2007(4)．

The Three-dimensional Seepage Stability Analysis of a Complex Boundary Shape Tailings Dam

Fu Maosheng,Qi Zhaowei

(514 Brigade of North China Geological Exploration Bureau,Chengde 067000,China)

Based on FLAC3D numerical calculation software,build a three-dimensional seepage analysis model with complicated boundary,this model is a V valley with some branches．When the Reservoir is in the normal water level and flood level,analysis the displacement field,velocity field,shear strain increment and displacement field of the reservoir and the mountains surrounding it,select the unstable and damaged area．Through the three-dimensional seepage analysis model of dry beach length changing,reveal the variation law of the dam stability safety coefficient．Evaluation the stability of the tailing dam foundation and dam body．Provide the technical reference for the tailings dam to continue higher,close the library design,safety production．

tailing dam;numerical calculation;dry beach length;seepage analysis;FLAC3D;complex boundary

1672-8262(2016)01-164-04

P642

A

∗2015—10—13

付茂盛(1981—),男,工程师,主要从事岩土工程技术工作。