某復雜邊界形態(tài)尾礦庫壩體三維滲流穩(wěn)定性分析研究

付茂盛,亓兆偉

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊,河北承德 067000)

某復雜邊界形態(tài)尾礦庫壩體三維滲流穩(wěn)定性分析研究

付茂盛?,亓兆偉

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊,河北承德 067000)

基于FLAC3D數(shù)值計算軟件構建某“V”字型溝谷內(nèi)存在多條支溝的復雜邊界形態(tài)尾礦庫數(shù)值計算分析模型,對尾礦庫在庫區(qū)正常水位及洪水位工況尾礦庫壩體三維滲流分析模式下的尾礦庫壩體及庫區(qū)周邊山體的位移場、速度場、剪切應變增量、位移破壞場進行分析,圈定存在失穩(wěn)破壞區(qū)域,揭示尾礦庫壩體在干灘長度變化的三維滲流分析模式下壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)變化規(guī)律,評價尾礦壩基和壩體的穩(wěn)定性,為尾礦庫壩體繼續(xù)加高、閉庫設計、安全生產(chǎn)提供技術參考。

尾礦庫;數(shù)值計算;干灘長度;滲流分析;FLAC3D;復雜邊界

1　引 言

尾礦庫作為礦山選礦企業(yè)的重要生產(chǎn)設施,其運行的安全與否,直接關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益和尾礦庫周邊居民的生命財產(chǎn)安全[1]。我國尾礦多采用水力排放形式,因滲流破壞而導致尾礦庫潰壩的占有很大比重,從某種意義上講,壩體的滲流穩(wěn)定性對壩體的整體穩(wěn)定性起著至關重要的作用[2,3]。目前的研究主要基于二維平面應變假定,關注壩體內(nèi)浸潤線高度、干灘長度、初期壩透水與否等因素對滲流穩(wěn)定性的影響較多,對尾礦壩三維滲流穩(wěn)定分析較少。

由于尾礦庫的建造多處于溝谷之內(nèi),整個庫區(qū)呈不規(guī)則形狀,庫區(qū)的安全生產(chǎn)的監(jiān)管措施不完善、庫區(qū)周邊山體巖土體力學參數(shù)在尾礦庫庫區(qū)排尾的過程中以及在干灘長度變化下工程力學參數(shù)大大折減,庫區(qū)浸潤線的變化對尾礦壩壩體的穩(wěn)定性影響加大,容易造成尾礦壩體的失穩(wěn),通過尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析,可以對危險的尾礦庫進行提前預測、早期預警。因此,為確保尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析的準確性與真實性,建立合理的三維滲流數(shù)值計算模型,并應用于實際生產(chǎn)實踐,得到真實合理的尾礦壩壩體穩(wěn)定性情況,對指導礦山尾礦庫的安全生產(chǎn)具有重大的指導意義。

2　黃榆溝尾礦庫工程概況

2．1庫區(qū)概況

該尾礦庫為山谷型尾礦庫,溝谷橫斷面呈“V”型,庫區(qū)走向東南-西北,區(qū)內(nèi)山巒起伏,溝谷較發(fā)育,山頂基巖大部分裸露,植被較發(fā)育。其天然坡角約為30°～50°,庫區(qū)匯水面積約為0．861 km2。該區(qū)區(qū)域地貌為燕山山脈中段構造剝蝕低山區(qū),地形較簡單,地貌較復雜,植被較發(fā)育,溝谷及沖溝兩側大部分基巖裸露,局部覆蓋第四系角礫層。庫區(qū)基巖主要為石英巖,尾礦堆積材料以中-細小顆粒尾礦砂為主。

2．2壩體巖土工程地質(zhì)特性

(1)地層巖性

該尾礦庫庫區(qū)范圍內(nèi)地層巖性根據(jù)性質(zhì)及成因可分為三個部分,即天然地層、初期壩、尾礦堆積層。天然地層表面為強風化石英巖,局部覆蓋含黏性土碎石及粉質(zhì)黏土;初期壩為透水堆石壩;尾礦由于尾礦沉積分選性不強,故砂性尾礦中普遍存在黏性尾礦夾層(3 cm～10 cm),且在同平面上不連續(xù),呈透鏡體狀。根據(jù)野外鉆探、原位測試和室內(nèi)土工試驗結果,經(jīng)綜合分析,并經(jīng)概化后將庫區(qū)各巖土層劃分為6個主層,即尾中砂、尾細砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)黏土、角礫、石英巖。

(2)水文地質(zhì)條件

該尾礦庫處于一主溝長約1．4 km的溝谷內(nèi),庫區(qū)底為強風化石英巖,溝口筑壩。整個庫區(qū)可視為一個獨立水文地質(zhì)單元,其地表水和地下水的補給來源,一是季節(jié)性大氣降水,二是經(jīng)常性的尾礦水,地下水類型為HCO3-Ca型水。

3　數(shù)值計算模型的建立

(1)平面方向:三維模型平面邊界范圍按圖1中藍色虛線所劃范圍選取,將整個庫區(qū)包含在內(nèi)并向外作適當擴展,三維模型的y軸沿初期壩縱軸方向,長度約420 m;三維模型的x軸方向垂直于初期壩縱軸,長約648 m。天然地層石英巖取為不透水邊界。

圖1　三維建模范圍示意圖

(2)深度方向:三維模型的豎直方向(Z軸)自庫區(qū)自然地面向下取約40 m深,向上取至尾礦堆積壩現(xiàn)狀標高645．65 m。

(3)幾何建模及網(wǎng)格劃分:通過FISH語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)復雜三維工程模型的快速構建。采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分,最終生成75 508個四面體單元,15 321個節(jié)點,如圖2所示。

圖2　三維計算模型網(wǎng)格劃分及材料分組圖

4　滲流計算參數(shù)的選取

進行三維滲流數(shù)值模擬時,假定尾礦堆積砂體內(nèi)部只有水發(fā)生運移,尾礦砂顆粒不發(fā)生運移;液相僅考慮水的作用,不考慮空氣的作用;假定流體滲透特性為各向同性;假設流體流動符合達西滲透定律。如表1所示:

巖體參數(shù)選取　表1

5　滲流計算邊界條件

庫區(qū)三維滲流計算的邊界條件假定如下:取天然地層實體為不透水邊界,各級尾礦堆積子壩的壩外坡面及初期壩外坡面為自由出滲邊界。在現(xiàn)狀庫內(nèi)正常水位標高638．83 m工況下,尾礦沉積灘在Z=78．60 m(即庫內(nèi)水位標638．83 m)以下為常水頭,Z=78．60 m以上至現(xiàn)狀沉積灘灘頂標高范圍內(nèi)的實體為干灘;在最高洪水位標高639．78 m工況下,尾礦沉積灘在Z=79．55 m(即最高洪水位標高639．78 m)以下為常水頭,Z=79．55 m以上至現(xiàn)狀沉積灘灘頂標高范圍內(nèi)的實體為干灘。

6　三維滲流數(shù)值計算結果分析

6．1位移場分析

從圖3和圖5可以看出,在正常水位和洪水水位工況下,出現(xiàn)剪切應變的區(qū)域為初期壩及堆積壩的部位,在洪水工況下剪切應變區(qū)域及剪切應變值增加值很小,沿尾礦壩模型X方向的位移增量較小,從而在整體說明洪水工況下尾礦壩壩體的穩(wěn)定性較小。

圖3　正常水位工況下初期壩及堆積壩剪切應變圖

圖4　正常水位工況下初期壩及堆積壩X方向位移圖

圖5　洪水水位工況下初期壩及堆積壩剪切應變圖

圖6　洪水水位工況下初期壩及堆積壩X方向位移圖

6．2三維孔場分析

圖7～圖9為尾礦庫在庫內(nèi)正常水位標高638．83 m正常運行工況下的三維滲流數(shù)值模擬結果。在尾礦堆積體與基巖交界面附近孔壓達到最大值,經(jīng)透水初期壩逐漸降低(如圖7、圖8所示)。在現(xiàn)狀庫內(nèi)水位標高638．83 m正常運行工況下,庫內(nèi)地表水在尾礦體空隙的滲透過程中,由于受到尾礦固體顆粒對其的沿程阻力,從而產(chǎn)生不同程度的水頭損失,因此,總水頭自庫內(nèi)向下游尾礦堆積壩體逐漸降低,從而形成水頭差,庫內(nèi)水在此水頭差的壓力作用下,由庫內(nèi)向下游尾礦堆積壩體滲透(如圖9所示)。水平向水頭梯度在沉積灘內(nèi)隨著逐漸遠離庫內(nèi)水體也呈逐漸增大的趨勢,但增加幅度不大(如圖10所示);豎向水頭梯度在堆積壩與基巖交界面附近最大,量值上比水平向水頭梯度要大(如圖11所示)。

經(jīng)三維滲流數(shù)值計算發(fā)現(xiàn),尾礦庫在庫內(nèi)洪水水位標高639．78 m洪水運行工況下,所得孔壓場、水頭、水頭梯度等結果與庫內(nèi)正常水位標高638．83 m正常運行工況下的結果差別很小?？赡艿脑蛑皇潜敬斡嬎愕暮樗粯烁弑日Ｋ桓叱霾坏? m,相對于整個三維模型幾百米的尺度而言這個變化顯得很小;另外,三維網(wǎng)格的基本單元尺寸為10 m左右,水位變化1 m在有著較長滲流路徑的情況下通過這樣的三維網(wǎng)格難以體現(xiàn)。

圖7　正常運行工況下尾礦庫三維孔壓場(Pa)

圖8　正常運行工況下黃榆溝尾礦庫“y=200剖面”孔壓場(Pa)

圖9　正常運行工況下尾礦庫“y=200剖面”總水頭(m)

6．3壩體穩(wěn)定性三維數(shù)值計算穩(wěn)定性系數(shù)

采用FLAC3D內(nèi)置的強度折減法對正常運行與洪水運行兩種工況下的壩體穩(wěn)定性進行分析。計算得到的潛在滑移面及安全系數(shù)值如圖10與圖11所示,通過剪應變增量顯示的潛在滑移面可知存在兩種潛在滑移模式,即堆積壩坡面淺層滑移和堆積壩深部折線形滑移。

計算得到,正常運行工況下安全系數(shù)約為1．419 921 875,洪水運行工況下安全系數(shù)約為1．416 015 625,即洪水運行工況下的安全系數(shù)值比正常運行工況有微量減少,這與畢肖普法計算得出的安全系數(shù)值較為接近。于是,強度折減法數(shù)值計算結果也表明尾礦壩在現(xiàn)狀正常運行工況下和洪水運行工況下的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

圖10　尾礦庫剖面正常運行工況下潛在滑移面及安全系數(shù)

圖11　尾礦庫剖面洪水運行工況下潛在滑移面及安全系數(shù)

6．4干灘長度變化對尾礦壩壩體安全系數(shù)影響

結合現(xiàn)場干灘長度變化,進行三維滲流分析求解尾礦壩壩體安全系數(shù),從分析結果可以看出隨著干灘長度的增大,安全系數(shù)增大,干灘每減小50 m,安全系數(shù)減值為0．1,干灘長度變化200 m,安全系數(shù)減小0．3,通過上述變化可知在尾礦庫排尾生產(chǎn)過程中,要嚴格控制干灘長度的變化,當干灘長度變化超過200 m,應該加強尾礦壩壩體的監(jiān)測及預警,控制一次排尾量,并保證排水措施正常運行。

圖12　干灘長度變化與尾礦壩壩體安全系數(shù)關系

7　結 論

(1)滲流數(shù)值模擬結果可以看出,在正常運行工況下的滲流數(shù)值模擬結果與勘察時的實測數(shù)據(jù)基本吻合,模擬結果是可信的。

(2)通過剪應變增量顯示的潛在滑移面可知存在兩種潛在滑移模式,即堆積壩坡面淺層滑移和堆積壩深部折線形滑移。

(3)隨著干灘長度的增大,安全系數(shù)增大,干灘每減小50 m,安全系數(shù)減值約為0．1,干灘長度變化超過200 m,應該加強尾礦壩壩體的監(jiān)測及預警,控制一次排尾量,并保證排水措施正常運行。

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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,工程師,主要從事巖土工程技術工作。