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(1.陜西省寶雞峽管理局,陜西 咸陽 712000;2.陜西省地下水管理監(jiān)測局,陜西 西安 710003)
尾礦砂滲透系數(shù)對尾礦壩壩體滲流場的影響研究
任川江1,鄭太林2
(1.陜西省寶雞峽管理局,陜西 咸陽 712000;2.陜西省地下水管理監(jiān)測局,陜西 西安 710003)
通過對上游式堆筑分層特性的研究,對于在特殊情況下,上游式尾礦堆積壩在堆筑過程中出現(xiàn)滲透系數(shù)下部大、上部小,或者中間大、上下小的問題,以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ),二維有限元數(shù)值分析方法模擬其運(yùn)行時的滲流情況,探討當(dāng)壩體材料變化時浸潤線的變化規(guī)律。結(jié)果表明:壩體各層層面上的浸潤線,上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征,滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性,當(dāng)增大壩體下層滲透性降低浸潤線,可以有效的維持壩體的穩(wěn)定。
分層特性;尾礦壩;滲透系數(shù);浸潤線
尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的,用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或者其他工業(yè)廢渣的場所[1]。尾礦庫的浸潤線是尾礦庫的生命線,浸潤線的位置高低是影響尾礦庫穩(wěn)定性的重要因素之一。浸潤線過高往往會影響壩體穩(wěn)定,造成壩體破壞[2]。據(jù)統(tǒng)計,浸潤線每下降1 m,可使尾礦庫的靜力穩(wěn)定安全系數(shù)增加0.05甚至更多;浸潤線如果在壩面8m及以下,在發(fā)生7級地震時基本上不會產(chǎn)生振動液化的現(xiàn)象[3-5]。因此,準(zhǔn)確地計算出尾礦庫的浸潤線,對工程的設(shè)計方案、是否需要增設(shè)排水設(shè)施和尾礦庫的安全穩(wěn)定都具有重要的指導(dǎo)意義。
根據(jù)工程經(jīng)驗可以看出,尾礦庫本身的因素可能對浸潤線產(chǎn)生較大的影響。例如:在尾礦庫設(shè)計階段,選擇透水能力強(qiáng)的初期壩,就可有效地降低浸潤線;對于既有的尾礦庫,如果其浸潤線埋深過淺,不能滿足規(guī)范要求時,為降低尾礦壩浸潤線高度,常在尾礦堆積壩設(shè)置防滲設(shè)施,主要型式有水平排滲層、盲溝排滲、水平管排滲及輻射井等[6-7]。
我國尾礦庫數(shù)量多,規(guī)模小,且大都采用工藝簡單、便于管理、運(yùn)行成本低、且投資較少的上游式筑壩[8-9]。上游式尾礦庫堆積壩是在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式[10-11]。它的堆筑特點(diǎn)是:先在沉積干灘面上堆筑子壩,然后在子壩上進(jìn)行分散放礦,待庫內(nèi)充填尾礦砂與子壩齊平時,再在新形成的干灘面上堆子壩繼續(xù)放礦,如此循環(huán),分層堆筑[12]。因此,上游式尾礦庫具有明顯的分層特性。一般情況下,上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征,滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性[13]。但在特殊情況下,可能出現(xiàn)滲透系數(shù)下部大、上部小,或者中間大、上下小的現(xiàn)象。本章主要以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ),探討當(dāng)壩體材料變化時,浸潤線的變化規(guī)律。
四方金礦祝家院尾礦庫剖面圖及材料分區(qū)如圖1所示。該尾礦庫堆筑方式為上游式堆壩法,其初期壩建在原尾礦庫(已閉庫)尾砂面上,采用堆石碾壓壩型。初期壩壩高16 m,壩底標(biāo)高974.0 m,壩頂標(biāo)高990.0 m,下游壩坡1:2,上游壩坡1:1.75,壩頂寬4.0 m,筑壩方量為12萬 m3。采用上游法最終沖填至1 030.0 m,沖填高度40.0 m,總壩高為90.0 m,堆積壩外邊坡為1:4.25。本模型涉及到的材料包括初期壩、堆積壩和攔洪壩三大類。上游水頭邊界高程為1 028.5 m,由于初期壩為透水性堆石碾壓壩,下游水頭邊界選在初期壩壩址處為自由透水面,模型左右兩面和底部設(shè)置為不透水邊界。其中堆積壩材料包括干密度分別為1.45 g/cm3、1.55 g/cm3、1.65 g/cm3的尾粉土和干密度分別為1.55 g/cm3的尾粉砂共4種材料。各材料的滲透系數(shù)見表1。
圖1 尾礦庫剖面圖及材料分區(qū)
根據(jù)四方金礦祝家院尾礦庫剖面圖和材料分區(qū)(圖1)及尾礦庫壩體材料的滲流參數(shù)選取列表(表1),用大型有限元商業(yè)分析軟件ABAQUS建立二維數(shù)值計算模型。對二維數(shù)值計算模型采用線性四邊形單元進(jìn)行有限元離散,其網(wǎng)格劃分如圖2所示,模型的單元數(shù)為1843,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1947。
圖2 二維數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分圖
四方金礦尾礦庫在洪水工況下運(yùn)行時,其最小干灘長度為100 m。故在模擬其滲流時,擬建干灘長度為100 m來模擬其實際滲流情況。計算結(jié)果見圖3。
表1 尾礦庫壩體材料的滲流參數(shù)選取列表
圖3 二維數(shù)值模擬浸潤線云圖
圖3為用二維數(shù)值分析方法模擬四方金礦尾礦庫的浸潤線云圖。由圖可以看出:浸潤線沿順河方向逐漸降低,至初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。這是由于初期壩的滲透系數(shù)急劇增大,使?jié)B透流速也迅速增大,從而勢能減小所導(dǎo)致的。計算得到浸潤線的最小埋深為9.77 m。
為分析壩體內(nèi)各層尾礦的滲透系數(shù)的變化對浸潤線的影響,現(xiàn)分別將堆積壩中其中一層尾礦的滲透系數(shù)提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍,其余層則不變。計算其浸潤線。
1.2.1 第一層(頂層)尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究
表2 第一層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
圖4 第一層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
由圖4和表2可以得到如下結(jié)論:
(1) 隨著第一層(壩頂)尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸抬升,浸潤線的最小埋深逐漸減小。這是因為第一層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得第一層的尾礦水向下滲流的趨勢降低,又由于總水頭保持不變,從而使得尾礦庫的浸潤線抬高。
(2) 當(dāng)滲透系數(shù)增加到3倍時,浸潤線的最小埋深為0 m,即浸潤線溢出,溢出位置在第一層和第二層的分界線附近。隨著滲透系數(shù)的增大,浸潤線的溢出區(qū)域也逐漸增大。
(3) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出,第一層尾礦滲透系數(shù)的變化對第一層的滲流影響最大,隨著深度的增加,影響逐漸減小。
(4) 隨著第一層尾礦滲透系數(shù)的增大,初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越明顯。
1.2.2 第二層尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究
表3 第二層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
圖5 第二層尾礦壩滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
由圖5和表3可以得到如下結(jié)論:
(1) 隨著滲透系數(shù)的增大,浸潤線逐漸降低,但降低的幅度很小。
(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出,第二層尾礦滲透系數(shù)的變化對尾礦庫的浸潤線影響較小,并且浸潤線的最小埋深變化范圍也很小。
(3) 第二層尾礦滲透系數(shù)對整個壩體的流線影響較小,隨著第二層尾礦滲透系數(shù)的增大,初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越不明顯。
1.2.3 第三層尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究
表4 第三層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
圖6 第三層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
由圖6和表4可以得到如下結(jié)論:
(1) 通過對比可以看出,隨著第三層尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸下降,浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第三層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得第一層和第二層的尾礦水向下滲流的趨勢增大,從而使得尾礦庫的浸潤線降低。
(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出,第三層尾礦滲透系數(shù)的變化對第一層和第二層的滲流影響最大,隨著深度的增加,影響逐漸減小。
(3) 隨著第一層尾礦滲透系數(shù)的增大,初期壩上游坡面附近的跌水現(xiàn)象越不明顯。這是因為跌水現(xiàn)象是由于滲透系數(shù)的急劇變化而引起的,由于第三層尾礦的滲透系數(shù)逐漸增大,使得初期壩與尾礦的滲透系數(shù)差距逐漸減小,導(dǎo)致水流從尾礦到初期壩的勢能差減小,因此跌水現(xiàn)象越不明顯。
1.2.4 第四層(底層)尾礦材料滲透系數(shù)的變化對滲流的影響研究
表5 第四層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
圖7 第四層尾礦滲透系數(shù)變化時浸潤線的最小埋深
由圖7和表5可以得到如下結(jié)論:
(1) 通過對比可以看出,隨著第四層(底層)尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸下降,浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第四層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得上面三層的尾礦水向下滲流的趨勢增大,從而使得尾礦庫的浸潤線降低。
(2) 對比五種情況下不同滲透系數(shù)的倍數(shù)可以看出,第四層尾礦滲透系數(shù)的變化對整個壩體的滲流影響都很大。
通過對比圖4~圖7和表2~表5可以看出:
(1) 壩體浸潤線沿順河方向逐漸降低,當(dāng)尾礦與初期壩滲透系數(shù)相差較大時,初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。
(2) 當(dāng)壩體中其中一層尾礦的滲透系數(shù)改變時,其對該層和該層以上的滲流影響較大,對而該層以下滲流的影響很小。
(3) 由以上的分析可以看出:當(dāng)增加上層尾礦的滲透系數(shù)時(圖4),浸潤線有上升的趨勢;當(dāng)增加下層尾礦的滲透系數(shù)時(圖6、圖7),浸潤線有下降的趨勢;當(dāng)增加浸潤線附近的滲透系數(shù)時(圖5),浸潤線基本保持不變。
(4) 由于上游式尾礦庫堆筑特點(diǎn),上游式尾礦庫具有明顯的分層特性。一般情況下,上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征,滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性。通過以上的分析可以看出,這不利于壩體的滲流穩(wěn)定。因此,可以通過增大壩體下層滲透性降低浸潤線,如在壩體底部增加橫向排水措施等。
本文以四方金礦尾礦庫模型為基礎(chǔ),以二維有限元數(shù)值分析方法模擬其運(yùn)行時的滲流情況,得到其浸潤線云圖。并通過分別將堆積壩中其中一層尾礦的滲透系數(shù)提高2倍、3倍、4倍、5倍和10倍,其余層則不變,分析壩體內(nèi)各層尾礦的滲透系數(shù)的變化對浸潤線的影響。得到如下結(jié)論:
(1) 壩體浸潤線沿順河方向逐漸降低,當(dāng)尾礦與初期壩滲透系數(shù)相差較大時,初期壩上游坡面附近出現(xiàn)跌水現(xiàn)象。
(2) 隨著第一層(壩頂)尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸抬升,浸潤線的最小埋深逐漸減小。這是因為第一層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得第一層的尾礦水向下滲流的趨勢降低,又由于總水頭保持不變,從而使得尾礦庫的浸潤線抬高。
(3) 第二層尾礦滲透系數(shù)的變化對尾礦庫的浸潤線影響較小,并且浸潤線的最小埋深變化范圍也很小。
(4) 隨著第三層尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸下降,浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第三層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得第一層和第二層的尾礦水向下滲流的趨勢增大,從而使得尾礦庫的浸潤線降低。
(5) 隨著第四層(底層)尾礦滲透系數(shù)的增大,尾礦庫的浸潤線逐漸下降,浸潤線的最小埋深也逐漸增大。這是因為第四層尾礦的滲透系數(shù)增大,使得上面三層的尾礦水向下滲流的趨勢增大,從而使得尾礦庫的浸潤線降低。
(6) 當(dāng)增加上層尾礦的滲透系數(shù)時,浸潤線有上升的趨勢;當(dāng)增加下層尾礦的滲透系數(shù)時,浸潤線有下降的趨勢;當(dāng)增加浸潤線附近的滲透系數(shù)時,浸潤線基本保持不變。
(7) 上游式尾礦庫宏觀上具有上粗下細(xì)特征,滲透系數(shù)呈現(xiàn)上部大、下部小的規(guī)律性。通過以上的分析可以看出,這不利于壩體的滲流穩(wěn)定。因此,可以通過增大壩體下層滲透性降低浸潤線,如在壩體底部增加橫向排水措施等。
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TD926.4+2
A
1004-1184(2017)05-0172-03
2017-07-14
任川江(1970-),男,陜西興平人,工程師,主要從事農(nóng)田灌溉管理工作。
鄭太林(1978-),男,陜西紫陽人,工程師,主要從事地下水管理監(jiān)測工作。