某尾矿坝体浸润线有限元模拟分析.pdf

尾矿坝的安全不仅关系到矿山的持续发展, 而且 影响着周边地区人民的生命、财产安全.浸润线是尾 矿坝的生命线[ 1 ], 是直接影响尾矿库安全的重要因素 之一.影响浸润线高低的因素主要有库内水位的高 低, 即干滩面的长度; 初期坝的透水性以及大气降雨 等[ 2 ,3 ] .我国西北某选矿厂尾矿库建于戈壁滩上, 是一 座平地四周筑坝型尾矿库.该库于1 9 9 1年投入使用. 库内地形高程1 5 1 0 1 5 2 0 m之间, 南高北低, 坡度约 为0 . 0 1, 库区占地面积约2 0 0万m 2 , 长20 0 0m, 宽 1 0 0 0 m, 中间设坝分为两格, 库区每格设直径为2 . 0 m, 高3 0 m窗口式排水井 一眼 , 两格轮流使用.设计坝 体为砂砾石堆筑,内外坡比分别为1 ∶ 1 . 7 5,1 ∶ 2 . 0 .尾矿 最终设计堆高2 9 . 7 0 m, 每年填筑高度约4 . 6 m .尾矿库 的坝体填筑材料为戈壁滩的砂砾石料, 经填筑碾压密 实而成.尾矿库剖面见图1 . 为满足坝体稳定性评价的要求, 对坝体浸润线的 出露进行渗流有限元计算和模拟. 1渗流概念模型及数学模型 尾矿坝填筑高度每年约4 . 6 m, 两尾矿坝间隔进行 排放,平均排放填筑速度按设计填筑速度4 . 6 / 1 8 0 m / d 计算, 平均每天约2 . 6 c m的排放速度, 近似为稳 定渗流场, 可以用二维平面稳定渗流模型进行计算分 析[ 4 ,5 ] .假定尾矿粉渗透系数各向同性、 离排放管近的 区域渗透系数大于远的区域, 稳定渗流场的计算归结 为求解满足具体问题边界条件的拟调和方程, 排水管 按抽水井, 流量为常流量, 下边界确定为包气带透水 边界.其数学模型为 x k h x y k h y 0 . 其中h为总水头水位高程与压力水头,单位m ;k 为渗透系数,m / d . 2尾矿坝料及地基土的渗透系数 根据现场注水、 渗水试验资料, 并根据有关资料 和规范[ 7 - 9 ], 综合分析计算后计算单元岩土类渗透系数 取值见表1 . 某尾矿坝体浸润线有限元模拟分析 陈津端1,李仕武2,宁立波1,易诚1 1 .中国地质大学 环境学院, 湖北 武汉4 3 0 0 7 4;2 .湖南环境生物职业技术学院 环境与资源系, 湖南 衡阳4 2 1 0 0 5 收稿日期2 0 0 7 - 0 7 - 2 0 基金项目 国家自然科学基金资助项目 4 0 2 7 2 1 1 2 作者简介 陈津端 1 9 6 1 - , 男, 湖北武汉人, 博士生, 工程师, 主要从事环境工程研究. 摘要 浸润线是尾矿坝的生命线.论文应用有限元分析某尾矿坝的浸润线, 认为 1 尾矿坝浸润线与放矿滩长有关系, 随着放 矿滩长加大, 浸润线远离砂砾石坝体, 从有限元模拟情况可知放矿滩长大于7 0 m时各工况下浸润线不在坝趾出露, 这时坝体是稳 定的.2 对于建在透水性强的坝址上的尾矿坝, 坝体的填筑高度对浸润线在坝趾出露影响不明显.图9, 表1,参1 0 . 关键词 浸润线; 有限元; 稳定性 中图分类号T V 6 4 9文献标识码A文章编号1 6 7 2 - 9 1 0 22 0 0 70 4 - 0 0 2 3 - 0 3 湖南科技大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f H u n a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c e随着放矿滩长度增大, 浸 润线在基底出露点至坝趾的距离也增大. 3 . 3填筑高度对浸润线影响 如图9所示, 随着坝体填筑增高, 浸润线出露点 距坝趾距离增大, 且其变化率kH Δ h Δ L也增大 H为 坝高,L为浸润线在基底出露点至坝趾距离.可以看 出随着填筑高度的增加, 浸润线在坝体基底的出露点 距离坝体呈现出越来越远的趋势, 这说明坝体的填筑 高度对浸润线出露没有不利的影响. 3 . 4浸润线模拟结果 随着坝体的升高,靠近坝体处水头有升高趋势, 这和理论相符合.浸润线按水头为零时取值,基本垂 直入渗, 主要原因是尾矿粉的渗透性小于基底砂砾石 的渗透性. 当坝高为3 0 m设计高度时, 放矿滩长在大于7 0 m 情况下浸润线不在坝趾出现. 表1单元岩土类渗透系数K T a b . 1R o c k a n d s o i l u n i t s p e n e t r a t i o n c o e f f i c i e n t K 部位岩土类平均渗透系数K /m / d说明 坝体砂砾石5 1 8 . 2 按照平均值计算尾矿粉粉细砂0 . 2 1 6 坝基砂砾石1 7 2 . 8 - 1 6 0- 1 4 0- 1 2 0- 1 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 002 04 06 0 b a 2 4 1 9 0 1 7 0 1 5 0 1 3 0 1 1 0 9 0 7 0 1 02 03 0 填筑高度/ m 浸润线在基底出露点 至坝趾距离/ m 图9浸润线随填筑高度变化曲线 F i g . 9T h e c u r s e o f s a t u r a t i o n l i n e c h a n g e s w i t h t h e t a i l i n g d a mh e i g h t 4结论 1 尾矿坝浸润线与放矿滩长有关系, 随着放矿 滩长加大, 浸润线远离砂砾石坝体, 从有限元 数值模 拟 模拟情况可知放矿滩长大于7 0 m时各工况下浸润 线不在坝趾出露, 这时坝体是稳定的. 2 对于建在透水性强的坝址上的尾矿坝随着坝 体填筑增高, 浸润线出露点距坝趾距离增大, 且其变 化率kHΔ h Δ L也增大, 坝体的填筑高度对浸润线出 露没有不利的影响. 参考文献 [ 1 ]胡明鉴.某上游法尾矿坝抗滑稳定性浅析[ J ] .岩土力学,2 0 0 4,2 5 5 7 6 9 - 7 7 3 . 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D e p t . o f E n v i r o m e n t a l a n d R e s o u r c e s,H u n a n E n v i r o m e n t a l - B i o l o g i c a l P o l y t e c h n i c,H e n g y a n 4 2 1 0 0 5,C h i n a A b s t r a c tS a t u r a t i o n l i n e i s t h e l i f e l i n e o f t a i l i n g d a m . O n e t a i l i n g d a ms a t u r a t i o n l i n e w a s a n a l y z e d b y f i n i t e e l e m e n t m e t h o d,t h e c o n c l u s i o n s a r e g o t t e n t h a t1T h e t a i l i n g d a ms a t u r a t i o n l i n e i s r e l a t e d w i t h t h e d r a w i n g b e a c hl e n g t h,w i t h t h e b e a c hl e n g t hi n c r e a s i n g , t h e s a t u r a t i o nl i n e b e c o m e f a r f r o mt h e g r i t d a mb o d y . Wh e nb e a c h - l e n g t hi s m o r e t h a n7 0 m e t e r s t h es a t u r a t i o nl i n ea w a yf r o mt h ed a m s f o o t a c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o no f f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n,t h ed a mi s s t a b l e .2T h e t a i l i n g d a mi s b u i l t o nt h e s t r o n g w a t e r p e n e t r a t i o ns i t e,t h e d a m s h e i g h t i n f l u e n c e s s a t u r a t i o nl i n e i s n t d i s t i n c t i n t h e d a m s f o o t . 9 f i g s .,1 t a b .,1 0 r e f s . K e y w o r d ss a t u r a t i o n l i n e;f i n i t e e l e m e n t;s t a b i l i t y B i o g r a p h yC H E NJ i n - d u a n,m a l e,b o r n i n 1 9 6 1,P h . D .,e n g i n e e r,e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g . 2 5