李慶林

(中鐵十九局集團第五工程有限公司,遼寧 大連 116000)

0 引 言

本棄土場體量較大，與礦山工程中的尾礦庫結(jié)構(gòu)形式相同，其浸潤面埋深對棄土場壩體安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，因此科學地確定浸潤面位置非常重要[1]。滲流分析的重要方法之一是數(shù)值模擬研究，Zienkiewicz[2]首次在穩(wěn)定滲流分析中引入有限單元法。甘海闊[3]分析復雜地形下多溝谷滲流場的相互影響規(guī)律，揭示了高壩浸潤線易升高的關(guān)鍵區(qū)域及抬升原因，并提出滲流控制措施。鄧衛(wèi)紅[4]根據(jù)某尾礦庫工程，利用midas/gts軟件建立了三維數(shù)值模型，基于滲流-應(yīng)力耦合機理，研究了干灘長度對尾礦庫壩體穩(wěn)定性的影響機理。王洪德[5]為分析初期壩的排滲能力對浸潤線的影響程度，采用數(shù)值模擬方法對初期壩在不同排滲能力下浸潤線的位置進行研究。楊永恒[6]利用Geo-slope對金堆城栗西尾礦壩進行了滲流場與應(yīng)力場相互耦合的數(shù)值模擬，計算了不同干灘長度、降水、介質(zhì)各向異性對滲流場浸潤線位置的影響。齊清蘭[7,8]采用有限元對復雜地形的尾礦庫滲流場進行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果與該尾礦庫的實測資料吻合良好。目前對新建尾礦庫的滲流研究較多[9-12]，對加高擴容的尾礦庫(棄土場)滲流場進行研究的較少，如何利用現(xiàn)狀尾礦庫資料對加高擴容后壩體滲流場進行預測是尚需研究的問題。

研究的某高速公路棄土場現(xiàn)狀堆積標高為210.0m，已接近設(shè)計標高。由于施工繼續(xù)施工的要求，需對該棄土場進行加高擴容。為了準確的預測壩體加高后的浸潤線和滲流場，采用數(shù)值模擬方法對該棄土場進行研究，得到加高后棄土場內(nèi)的浸潤面和滲流場規(guī)律，為棄土場安全提供科學參考。

1 棄土場概況

(1)棄土場設(shè)計情況

所研究的棄土場位于山西省某市自然山間溝谷內(nèi)，為一座山谷型棄土場，主溝谷走向總體上大致呈東南～西北走向。該棄土場采用上游式筑壩法，設(shè)計總壩高85m，總庫容1360.1萬m3。初期壩采用透水堆石壩，設(shè)計初期壩內(nèi)壩坡坡比1:1.75，外壩坡坡比1:2.0，壩基軸線處壩底標高565.0m，壩頂標高605.0m，初期壩高度40m。堆積壩采用濕式堆存，三面筑壩，堆積壩頂標高650.0m，平均外坡比為1:5。

(2)棄土場現(xiàn)狀

目前，該棄土場已堆筑了5級棄土場子壩，現(xiàn)狀尾礦堆積壩壩頂堆筑標高為610.0m，自初期壩壩基軸線處壩底標高565.0m起算的現(xiàn)狀尾礦壩最大壩高為45.0m，棄土場全庫容約1020萬m3。

2 數(shù)學模型

2.1 數(shù)值模擬理論

三維滲流的基本微分方程為式(1)：

(1)

當各向滲透性為常數(shù)時，式(1)變?yōu)?2)：

(2)

若為各向同性，Kx=Ky=Kz，則變?yōu)槔绽狗匠淌?3)：

(3)

式(3)只包括一個未知數(shù)，結(jié)合邊界條件有定解。

對于棄土場穩(wěn)定流的定解條件，需滿足下列二類邊界條件。

第一類邊界上水頭是已知的，即(4)：

H|Γ1=f(x,y,z)

(4)

在第二類邊界上流量等于零，即(5)：

(5)

由于滲流自由面是流面，沒有流量從該面流入或流出，故在滲流自由面上還需滿足條件

H=z

(6)

Γ1和Γ2構(gòu)成了三向空間流場的全部邊界。

2.2 模型驗證

為了驗證數(shù)學模型的準確性和參數(shù)的合理性，依據(jù)棄土場現(xiàn)狀堆積標高下的勘察巖土分層、實測浸潤線資料對數(shù)學模型參數(shù)進行校正，棄土場勘察巖土分層外層為松散狀中粗砂，內(nèi)層為中密中粗砂和粉細砂。建立現(xiàn)狀堆積標高(壩頂標高661.0m)的棄土場三維滲流模型，模型包括初期壩和堆積壩。由于棄土場坐落在滲透性較差的基巖上，所以選取棄土場基巖為下部不透水邊界。初期壩上下游破面、堆積壩坡面為透水邊界，沉積灘依據(jù)實測資料給定上游水頭。采用四面體網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行劃分，網(wǎng)格大小為5m，網(wǎng)格總數(shù)為125272個。各層尾礦砂滲透系數(shù)如表1所示。

表1 棄土場各巖土層滲透系數(shù)

2.3 模擬結(jié)果

對該棄土場在最終堆積標高750.0m時正常與洪水兩種工況進行滲流計算，模擬浸潤面和流速分布。

2.3.1 正常工況

在正常工況下，當不考慮棄土場壩體排滲時，棄土場浸潤面如圖1(壩體浸潤面分布圖)所示，主溝剖面浸潤線如圖1(主溝剖面浸潤線圖)黑色線條所示，主溝剖面流速分布如圖1(主溝剖面流速分布圖)所示。由于壩體沒有排滲設(shè)施，壩體內(nèi)浸面線較高，部分壩體發(fā)生水流溢出。堆積壩壩肩標高為617.7m～734.3m(其中：右側(cè)壩肩標高617.7m～734.3m；左側(cè)壩肩標高638.8m～734.0m)范圍內(nèi)有滲透水流逸出，對棄土場壩體穩(wěn)定不利。從流速分布圖可知，流速較大的位置發(fā)生在堆積壩下游區(qū)域和初期壩下部。因為尾礦壩體內(nèi)的水流向下游運行，滲流斷面面積呈收縮趨勢，所以水流的流速呈增大趨勢，并且在堆積壩面有滲透水流溢出，堆積壩體內(nèi)流速最大為1.07×10-5m/s。初期壩為透水堆石壩，滲透性較大，因此流速也較大，最大流速為1.76×10-4m/s。由于堆積壩和初期壩滲透系數(shù)相差較大，所以在堆積壩與初期壩交界區(qū)域出現(xiàn)了水流下跌現(xiàn)象。

壩體浸潤面分布圖(不考慮排滲)

在正常工況下，當考慮棄土場壩體排滲時，棄土場浸潤面如圖2(a)所示，主溝剖面浸潤線如圖2(b)黑色線條所示，主溝剖面流速分布如圖2(c)所示?？紤]設(shè)置排滲體后，浸潤面位置明顯降低，壩面無水流溢出，浸潤面最小埋深約12.4m，滿足有關(guān)規(guī)范對浸潤面最小埋深要求。從流速分布圖可知，由于堆積壩設(shè)置了排滲，所以堆積壩上部沒有滲透水流流速，流速較大的位置發(fā)生在堆積壩下游區(qū)域和初期壩下部。因為棄土場壩體內(nèi)的水流向下游運行，滲流斷面面積呈收縮趨勢，所以水流的流速呈增大趨勢，堆積壩體內(nèi)流速最大為5.32×10-6m/s。初期壩為透水堆石壩，滲透性較大，因此流速也較大，最大流速為8.70×10-5m/s。由于堆積壩和初期壩滲透系數(shù)相差較大，所以在堆積壩與初期壩交界區(qū)域出現(xiàn)了水流下跌現(xiàn)象。

圖2(a)壩體浸潤面分布圖(考慮排滲)

圖2(b)主溝剖面浸潤線圖(考慮排滲)

圖2(c)主溝剖面流速分布圖(考慮排滲)

2.3.2 洪水工況

在洪水工況下，當不考慮棄土場壩體排滲時，棄土場浸潤面如圖3(a)所示，主溝剖面浸潤線如圖3(b)黑色線條所示，主溝剖面流速分布如圖3(c)所示。由于壩體沒有排滲設(shè)施，壩體內(nèi)浸面線較高，部分壩體發(fā)生水流溢出。堆積壩壩肩標高為617.0m～747.2m(其中：右側(cè)壩肩標高617.0m～747.2m；左側(cè)壩肩標高637.11m～743.9m)范圍內(nèi)有滲透水流逸出，對棄土場壩體穩(wěn)定不利。洪水工況下流速分布與正常工況基本相同，堆積壩體內(nèi)流速最大為1.08×10-5m/s。初期壩內(nèi)最大流速為1.97×10-4m/s。由于堆積壩和初期壩滲透系數(shù)相差較大，所以在堆積壩與初期壩交界區(qū)域出現(xiàn)了水流下跌現(xiàn)象。

在洪水工況下，當考慮棄土場壩體排滲時，棄土場浸潤面如圖4(a)所示，主溝剖面浸潤線如圖4(b)黑色線條所示，主溝剖面流速分布如圖4(c)所示?？紤]設(shè)置排滲體后，浸潤面位置明顯降低，壩面無水流溢出，浸潤面最小埋深約10.8m，滿足有關(guān)規(guī)范對浸潤面最小埋深要求。從流速分布圖可知，洪水工況下流速分布與正常工況基本相同。堆積壩體內(nèi)流速最大為5.00×10-6m/s。初期壩最大流速為8.86×10-5m/s。由于堆積壩和初期壩滲透系數(shù)相差較大，所以在堆積壩與初期壩交界區(qū)域出現(xiàn)了水流下跌現(xiàn)象。

圖3(a)壩體浸潤面分布圖(不考慮排滲)

圖3(b)主溝剖面浸潤線圖(不考慮排滲)

圖3(c)主溝剖面流速分布圖(不考慮排滲)

圖4(a)壩體浸潤面分布圖(考慮排滲)

圖4(b)主溝剖面浸潤線圖(考慮排滲)

圖4(c)主溝剖面流速分布圖(考慮排滲)

3 結(jié) 論

針對高等別加高棄土場工程，建立了三維滲流數(shù)值模型，對正常工況和洪水工況下的滲流場進行了模擬，研究得到了浸潤面和流速分布的規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)依據(jù)勘察資料，建立了棄土場三維滲流數(shù)值模型，利用實測浸潤線資料對模型參數(shù)進行了驗證。驗證后的模擬值與實測值誤差較小，可較好的模擬把體內(nèi)的滲流場。

(2)對堆積標高650.0m，正常工況下不考慮排滲和考慮排滲的浸潤面和滲流場進行了模擬。研究發(fā)現(xiàn)當棄土場壩體不考慮排滲時，滲透水流從堆積壩面溢出，對棄土場壩體穩(wěn)定不利；滲流流速較大的部位位于堆積壩下游和初期壩下部區(qū)域，堆積壩體內(nèi)滲流流速最大為1.07×10-5m/s，初期壩內(nèi)最大流速為1.76×10-4m/s?？紤]排滲時，堆積壩無滲透水流溢出，浸潤面最小埋深為12.4m；滲流流速分布與不考慮排滲時基本相同，堆積壩體內(nèi)滲流流速最大為5.32×10-6m/s，初期壩內(nèi)最大流速為8.70×10-5m/s。

(3)對堆積標高750.0m，洪水工況下不考慮排滲和考慮排滲的浸潤面和滲流場進行了模擬。研究發(fā)現(xiàn)當棄土場壩體不考慮排滲時，浸潤面分布和流速場分布與正常工況規(guī)律相同，滲透水流溢出范圍較正常工況范圍更大；堆積壩體內(nèi)滲流流速最大為1.08×10-5m/s，初期壩內(nèi)最大流速為1.97×10-4m/s?？紤]排滲時，堆積壩無滲透水流溢出，浸潤面最小埋深為10.8m；滲流流速分布與不考慮排滲時基本相同，堆積壩體內(nèi)滲流流速最大為5.00×10-6m/s，初期壩內(nèi)最大流速為8.86×10-5m/s。