□张 娟 杨文润

用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所。对于入库尾矿具有自然流动性，采用水力输送排放尾矿的湿式尾矿库，其对地形和环境的要求较为特殊，受选址及征地困难等诸多因素的影响，在保障安全的前提下，对现有的尾矿库进行加高扩容，确保矿山持续生产是一个经济合理的思路。对尾矿库进行加高扩容会导致其安全风险相应增大，因此必须对其坝体稳定性和排洪系统是否满足加高扩容需要进行充分论证。

在尾矿库坝体稳定计算中，尾矿库坝体浸润线的埋深是尾矿坝安全运行的一项重要指标，是直接影响坝体稳定安全的一个非常重要的因素。通常认为控制浸润线就是尾矿坝的“生命线”，如尾矿坝运行期间的浸润线如果高于控制浸润线，坝体极易产生渗透破坏。本文基于尾矿库三维渗流分析，对某尾矿库加高扩容后的安全稳定性进行了分析论证，并根据分析结果提出尾矿库加高扩容后的运行建议。

1.概况

图6 正常运行工况下B剖面浸润线云图

图7 正常运行工况下C剖面浸润线云图

某尾矿库位于河北省承德市，坐落于燕山山地，尾矿库所在沟谷，沟长约1.5km，沟谷横断面呈“U”字型，沟底宽15m～105m，最低点约650m，最高点约845m，纵坡加权平均坡比约10.2%。

现状初期坝为透水堆石坝，坝高22m，坝底标高663m，坝顶标高685m，坝顶宽4m，外坡比为1∶1.8，内坡比约为1∶1.6，原设计尾矿堆积坝顶标高760m，坝坡比为1∶3.5，尾矿库总库容约1450×104m3，其安全等别为三等库。

尾矿堆积坝采用人工配合机械的上游法分级堆筑，放矿方式采用水力充填向库内分散放矿，加高前尾矿库堆积坝坝顶标高约731m，堆积坝高度46m，总坝高68m，堆积坝平均外坡比约1∶3.5。库区内最小干滩长度为220m，水区长度约400m。为降低尾矿库运行期浸润线，原设计尾矿堆积坝采取预埋排渗的措施，即自初期坝顶开始每隔10m标高置一道水平排渗设施，排渗体采用DN200排渗盲管，外包塑料排水网，排渗体通过集水管连接，将渗水导入坝面排水沟内。

为增加尾矿库库容，拟将尾矿库堆积坝坝顶标高由原设计760m增高至775m，增高扩容后尾矿库总库容为2005×104m3，总坝高112m。加高后尾矿坝760m～775m标高堆积坝外边坡平均坡比为1∶3.5。

2 .加高后尾矿库等级及运行控制参数

尾矿库原设计等别为三等，扩容后尾矿库总库容为2005×104m3，总坝高112m，按照《尾矿库安全规程》（GB39496-2020），尾矿库为等别为二等库，主要构筑物的等级为2级；加高扩容的尾矿库防洪标准提高一等，经综合考虑，尾矿库防洪标准按洪水重现期1000年考虑，要求最小安全超高不小于1.5，最小干滩长度不小于150m。

根据该尾矿库地形条件及调洪演算，加高到775m标高时，尾矿库正常运行条件下水位为769m，滩长为300m；洪水运行工况下，最高洪水位为769.8m，安全超高为5.2m，最小干滩长度为260m。

根据《尾矿库安全规程》（GB39496-2000），尾矿库应满足渗流控制要求。湿式尾矿库1、2级尾矿坝的渗流应按三维数值模拟计算或物理模型试验确定。

加高扩容的尾矿堆积坝的控制浸润线埋深不小于通过计算确定的控制浸润线的1.2倍，经初步计算，确定坝体的控制浸润线埋深不小于6.6m。

图12 洪水工况下B剖面浸润线云图

图13 洪水工况下C剖面浸润线云图

3 .尾矿库各土层物理力学参数

根据库区工程地质勘察报告及相关工程经验，库区内地层自上而下划分为5层，各土层的物理力学参数数取值见表1。

表1 尾矿库库区岩土层物理力学参数表

4 .坝体渗流三维数值模拟计算

4.1 基本方程

在渗流数值模拟分析计算中，有限元方法能有效处理复杂的边界条件、材料的非均质性及各向异性，并能方便的求解三维问题，因此在工程中得以广泛应用。

根据不可压缩流体的假设和水流连续条件，假定整个尾矿库渗流场符合达西定律，其三维稳定渗流的基本微分方程为:

式中：

h—水头函数;

kx、ky、kz—x、y、z方向的渗透系数。

4.2 计算边界条件

对尾矿库堆至775m，正常运行条件及洪水条件下的渗流进行三维数值模拟计算，从而确定尾矿库加高后在最大坝高时的渗流面，分析尾矿库的渗透稳定性，并将渗流计算得到的浸润面作为坝体稳定分析的计算依据。

渗流计算模型将整个尾矿库作为分析区域，基于固定网格求解尾矿库内孔隙水压力分布，孔隙水压力为零处即为求解的浸润面。

根据勘察报告，该尾矿库库区底部基岩及周围山体为微透水或不透水层，渗流算主要针对尾矿堆积坝体、库内沉积的尾矿及初期坝透水堆石料，结合库区及周围岩土材料的渗透特性，计算模型的边界条件简化如下：

一是库区尾矿沉积滩面、堆积坝及初期坝下游坡面、排渗体内表面为透水边界；库区底部基岩及周围山体为不透水边界。

二是渗流计算时，假设只发生水的运移，不考虑尾矿坝体的位移和变形。

三是尾矿排放在沿坝顶分段交替进行，放矿水不形成稳定渗流。

尾矿库平面示意图见图1，根据库区1∶2000地形图及加高扩容方案建立尾矿库三维实体模型见图2，为分析尾矿库的坝体稳定情况，对尾矿库最大坝高及两侧剖面进行剖分，获取相应剖面（剖面编号：A、B、C、D）的浸润线用于坝体稳定分析。

图1 尾矿库平面示意图

图2 尾矿库三维实体模型图

4.3 三维渗流数值模拟结果分析

根据尾矿库正常运行和洪水运行工况下的水位标高及干滩长度，基于有限元分析理论，采用MidasGTSNX软件进行尾矿库三维渗流数值模拟分析，计算结果以云图形式给出，其中孔隙水压力为零处为计算浸润面，孔隙水压力为负的区域为非饱和区，孔隙水压力为正的区域为饱和区。

正常工况下模拟结果。坝顶堆至775m标高时，正常运行工况下，计算出的坝体浸润面左视云图见图3，右视云图见图4，各剖面相应浸润线位置（剖面彩色云图顶部为该剖面浸润线位置）见图5～图8。

图3 正常运行工况下尾矿库浸润面左视图

图4 正常运行工况下尾矿库浸润面右视图

图5 正常运行工况下A剖面浸润线云图

图8 正常运行工况下D剖面浸润线云图

由于初期坝体为透水坝，且堆积坝埋设了排渗体，在正常运行工况下，滩面入渗点距坝顶约300m，尾矿堆积坝顶位置处浸润线埋藏较深，坝体浸润线埋深较小的位置位于堆积坝体700m～720m之间，浸润线受初期坝及排渗体影响，在相应位置处有所降低。根据计算结果，坝体浸润线（面）最小埋深约8.4m，满足控制浸润线埋深6.6m的要求。

洪水工况下模拟结果。洪水工况下计算出的坝体浸润面左视云图见图9，右视云图见图10，各剖面相应浸润线位置（剖面彩色云图顶部为该剖面浸润线位置）见图11～图14。

图9 洪水工况下尾矿库浸润面左视图

图10 洪水工况下尾矿库浸润面右视图

图11 洪水工况下A剖面浸润线云图

图14 洪水工况下D剖面浸润线云图

洪水工况下，尾矿库入渗点距坝顶约260m，较正常运行工况靠近坝顶方向，渗水补给面积加大，浸润面（线）位置较正常运行工况时有所升高。受入渗位置影响，堆积坝顶位置处浸润线上升较为明显。坝体浸润线埋深最小的位置仍位于堆积坝体700m～720m之间。根据计算结果，坝体浸润线（面）最小埋深约8.3m，满足控制浸润线埋深6.6m的要求。

5 .加高扩容后坝体安全稳定分析

坝体安全稳定计算采用简化毕肖普法，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），尾矿库所在区域为Ⅵ度地震区，地震动峰值加速度为0.05g，此工程按Ⅵ度地震进行抗震验算。尾矿物理力学指标见表1，坝体浸润线采用不同工况下渗流分析计算得到的浸润线位置，采用简化毕肖普法，按下式进行计算：

式中：

W—土条重量，kN；

V—垂直地震惯性力，kN；

u—作用于土条底面的孔隙压力，kN/m；

α—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，（°）；

b—土条宽度，m；

c＇—土条底面的凝聚力，kPa；

φ＇—土条底面的内摩擦角，（°）；

Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；

R—圆弧半径，m。

尾矿库加高扩容后，正常运行、洪水运行和特殊运行工况下坝体抗滑稳定计算结果见表2，坝体抗滑稳定最小安全系数及滑弧位置图见图15、图16。

表2 堆积坝加高扩容至775m后坝体稳定计算结果

图15 775m标高正常运行工况下尾矿库坝坡滑弧位置图

图16 775m标高洪水及特殊工况下尾矿库坝坡滑弧位置图

根据计算结果，尾矿库正常运行、洪水运行及特殊运行工况下坝坡抗滑稳定最小安全系数均满足规范规定的要求。

6 .结语

三维渗流数值分析结果表明，一是尾矿库加高扩容后，在正常生产及洪水工况下，尾矿堆积坝下游坝坡浸润面最小埋深满足规范控制要求。二是根据三维渗流获取的浸润线进行坝体稳定分析，计算结果表明，不同工况下，尾矿坝体安全稳定系数均满足规范要求的最小安全稳定系数。三是在尾矿坝体设置的排渗设施可有效降低坝体浸润线，为确保尾矿库加高扩容后的安全稳定，堆积坝体内应按要求埋设排渗体并确保其安全有效。四是尾矿库运行期间应加强浸润线监测，严格按设计要求控制浸润线埋深。当发现坝体浸润线埋深小于控制浸润线埋深时，应及时增设或更新排渗设施。□