杨强胜

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

尾矿坝的浸润线是尾矿库的生命线，也是影响尾矿坝安全稳定的重要因素之一［1］。某尾矿库位于高寒地区，由于冰冻层的存在，随着尾矿库后期加高扩容工程子坝的逐渐堆筑，坝体浸润线进一步抬升，可能出现浸润线在堆积坝坝坡逸出的情况影响坝体稳定运行，为了有效控制坝体浸润线必须采取一定工程措施。由于尾矿堆积材料的特殊性，一般情况下，降低浸润线大都采用碎石排渗带、土工席垫、集渗盲管、排渗管、排水沟等措施［2-5］。结合某加高扩容尾矿库建立了该尾矿库坝体和排渗管的三维有限元精细模型，模拟分析了排渗管设计方案的排渗效果，为设计方案的进一优化提供参考依据。

1 工程概况

某尾矿库座落在三面环山的河谷中，主谷断面上口呈宽阔的“U”字形。整体北高南低，地形较缓，高程介于418.4～589.2 m，相对高差170.8 m。大部分为剥蚀低山丘陵，低山海拔一般在500～600 m，丘陵海拔一般在400～500 m，呈圆漫岗状，地面坡度一般在5°～20°。

尾矿库初期坝采用碾压堆石筑坝，坝底标高+437.0 m，坝顶标高+456.0 m，内坡比为1∶2.0，外坡比为1∶2.5，坝顶宽4 m。后期堆积坝采用上游法筑坝，子坝采用碎石混黏性土料堆筑。目前堆积标高为+468.0 m，现状总坝高约31 m，库容约为4 500万m3。为了满足二期扩建需要，尾矿库进行加高扩容，坝体周圈主体拟利用采矿剥离废石建坝形成大型透水尾矿拦挡坝，南侧主坝段采用废石中线法+上游法废石堆坝。尾矿库周圈部分利用废石料主要采取分期外推法加高形成透水拦挡坝。尾矿坝最终堆积标高为+545.0 m，最终库容达48 576.68万m3，总坝高108 m。根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）表3.3.1规定，尾矿库加高扩容后按最终全库容和最终总坝高考虑，均为二等库。

尾矿库加高扩容后，为有效控制坝内浸润面埋深，拟在尾矿堆积坝外坡+527 m标高设置1层弧形排渗管，后期根据坝内浸润面实际埋深情况，必要时在+537 m标高再设置1层弧形排渗管，2层排渗管梅花形交错布置，其平面布置见图1，纵剖面见图2。

弧形排渗管均采用槽孔排渗管，贯穿式布置，槽孔管兼作排渗管和通气管，以尽可能降低尾矿坝浸润线埋深。每层子坝上层沉积滩面铺设厚1.5 m，宽45.0 m的废石褥垫排渗层。贯穿式排渗管采用直径75 mm槽孔管，开孔率按10%左右控制，外包白钢网，导水管采用直径75 mm的PE管。

1#排渗管入土标高+527 m，单根排渗管长145 m，水平间距25 m，共计49根。排渗管出口段导水管长度18 m，其余部分采用全幅和半幅滤水管；2#排渗管入土标高+537 m，单根排渗管长135 m，水平间距25 m，共计49根。出口段导水管规格与1#排渗管相同。所有排渗管分直线段和曲线段2部分，直线段纵坡1%～2%，曲线段最大曲率不大于8°/m。

2 尾矿坝三维渗流有限元模型

2.1 有限元模型网格

选取尾矿库加高扩容至+545 m时的典型剖面建立精细三维有限元模型，模型底部取初期坝坝底面即绝对高程+438 m，模型顶部高程+545 m，模型范围包括尾矿库干滩和汇水区域的一半、主坝、堆积坝和东西两侧拦挡坝的一部分。排渗管通过在模型中添加排水线模拟。有限元模型见图3，模型节点202 057个，单元总数为549 860个。模型中排渗管近似取直线，模型中排渗管示意见图4。整个模型单元数总数为490 044个，节点总数675 116个。

2.2 边界条件

考虑稳定渗流，计算模型边界类型主要有已知水头边界、出渗边界、不透水边界和排渗管的压力边界4种。

（1）已知水头边界包括库区上游水位淹没线以下的尾矿坝面以及拦挡坝上游面等。

（2）出渗边界包括尾矿坝下游坡面、拦挡坝下游面等。

（3）模型底部按不透水边界考虑。

（4）排渗管按照排水线处理，管线位置施加孔压边界，当排渗管线位置为空，设置该处孔压为零，水可自由排出；若排渗管全部堵塞，排水线消失，本次研究排水管部分堵塞时，孔压可按位置水头值给出。

2.3 计算参数

尾矿库库区各岩土层的渗透系数，根据尾矿库的工程勘察基础资料并结合相关工程经验进行选取，如表1所示。

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2.4 计算工况

为了分析排渗管的渗控措施效果，需对比分析不同工况下尾矿坝的渗流性态，本研究考虑以下工况：①工况1，坝体高程+545 m，洪水运行水位+543.43 m，无排渗管；②工况2，坝体高程+545 m，洪水运行水位+543.43 m，有排渗管，排渗管未堵塞；③工况3，坝体高程+545 m，洪水运行水位+543.43 m，有排渗管，排渗管堵塞一半。具体计算工况见表2。

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3 排渗管排渗效果分析

经过有限元法计算分析和整理，洪水运行工况条件下设排渗管时整体模型孔压分布图见图5；不同工况条件下，主坝中轴线纵剖面孔压分布云图见图6。

由图6可知，尾矿库加高扩容后，不设渗控措施时，洪水工况下，浸润线位置较设置排渗设施时高。各种工况条件下，浸润线的最小埋置深度见表3。由表3可知，未设排渗设施时，浸润线埋深9.8 m，接近于二等库最小埋深；设置排渗管，且排渗管畅通时，坝面浸润线埋置深度最小为14.3 m；排渗管堵塞一半，浸润线位置略有升高，最小埋置深度为13.7 m。

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设置排渗设施后，尾矿库沉积滩后汇水池内的水通过尾矿堆积体及排渗管由库内向库外下游排出，浸润线沿排渗管逐渐下降。相同条件下，考虑到尾矿库运行过程中的不可预见因素，建议设置渗控措施，且施工时应采取必要措施，防止排渗管堵塞。设计的排渗管为弯曲状，计算时考虑排渗管为水平布置的直管，且排渗管长按100 m考虑，因此现场施工时，应注意排渗管深入坝体直线段的距离不应少于100 m。

4 结 论

（1）从渗流控制效果看，合理布置排渗管，且保证排渗管足够畅通后，在最不利工况下，浸润线埋置深度为14.3 m，可满足渗流控制的要求。

（2）排渗管堵塞，对浸润线位置有一定影响，排渗管堵塞一半，计算结果显示浸润线抬高了0.6 m。

（3）根据计算结果表明，排渗管深入坝体的直线段距离应不少于100 m。