龙都尾矿库地下渗流场的数值模拟分析.pdf

第 24 卷增刊 岩 土 力 学 Vol.24 Supp. 2003 年 10 月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003 收稿日期2003-03-28 基金项目高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。 作者简介尹光志，男，1963年生，博士，1982 年毕业于重庆大学采矿工程系，现任教授、博士生导师、院长、西南资源开发及环境灾害控制工程 教育部重点实验室主任，主要从事矿业工程和岩土力学方面的教学与科研工作。 文章编号1000－7598－2003增 2002504 龙都尾矿库地下渗流场的数值模拟分析 尹光志 1, 2 ， 魏作安1, 3 ， 万 玲1, 2 1. 重庆大学 资源及环境科学学院, 重庆 400044 ; 2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室, 重庆 400044 ; 3. 南昌有色冶金设计研究院， 江西 南昌 330002 摘 要 利用 2D-FLOW 计算软件，对龙都尾矿库在不同条件下的渗流进行了模拟计算。其中，初期坝按透水和堵塞两种 情况，干滩面长度分 100，200，300 m三种情况考虑；同时，首次考虑了大气降雨对尾矿坝渗流场的影响，分别计算了 50， 100，200 mm/d 三种雨型。通过计算，获得了龙都尾矿库在不同条件下地下渗流的变化规律。从计算结果中发现，如果初期 坝被堵塞，则坝体浸润线会抬高，与尾矿堆积坝坝面相交，并从坝面溢出，对坝体的稳定性产生不利影响；干滩面距离的长 短对坝体浸润线有影响，但均不会与堆积坝坝面相交，不会从坝面溢出；大气降雨对坝体的渗流影响较大，从模拟计算中可 以看出，大气降雨越大，浸润线抬升越高，对坝体的稳定越不利。 关 键 词 尾矿坝； 渗流； 2D-FLOW； 浸润线； 数值模拟 中图分类号 TD 74 文献标识码 A Numerical simulation analysis about seepage field of Longdu tail bay YIN Guang-zhi1, 2 , WEI Zuo-an1, 3 , WAN Ling1, 2 1. College of Resource and Environmental Sciences， Chongqing University， Chongqing 400044, China; 2. The Key Laboratory of the Exploitation of Southwest Resources 3. Nanchang Engineering seepage field; 2D-FLOW; saturation line; numerical simulation 1 前 言 坝坡浸润线是尾矿坝的生命线，它是直接影响 坝体安全的一个非常重要的因素[1]。如震惊全国的 广西南丹尾矿坝大坍塌灾害事故，分析事故原因， 主要是业主将溢流口的排水口设置在较高的位置， 使库内水位抬升， 坝体浸润线抬高， 加上连续下雨， 坝体尾矿难以固结，坝体无法承受库内巨大的水体 压力而造成垮坝[2]。另据有关资料[3]分析显示，浸 润线位置的高低对坝坡稳定性影响很大，水位高度 相差 1.0 m，稳定系数就相差 0.03～0.05，亦即稳定 系数相差 1.2～2.5。一般浸润线在正常位置时， 滑弧深度越大，稳定系数越小；但浸润线抬得相当 高时接近坝面或在坝面溢出，滑弧深度越小，稳 定系数越小，越不利于坝体稳定。 岩 土 力 学 2003 年 26 一般水坝的浸润线与尾矿坝的差异较大[4,5]。 影 响尾矿坝体浸润线高低的主要因素有库内水位的 高低，即干滩面长短；初期坝的透水性以及大气降 雨等。同时，控制浸润线高低的一些措施，在正常 情况下有效， 但在暴雨期， 大的泾流流入的情况下， 则很难预料。不过利用地下渗流场的计算，可以获 得尾矿坝地下水位的变化规律，这样，有助于尾矿 库的安全生产与管理。 2 龙都尾矿库概况 龙都尾矿库是易门矿务大红山铜矿唯一的尾 矿库，该尾矿库属于山谷型。设计最终坝高为 210 m，可获得 1.2108 m3的库容。初期坝为堆石 透水坝，坝高为 30 m，坝顶宽为 2 m，坝顶标高为 550 m；尾矿堆积坝坝高为 180 m，坡度为 1∶5， 总坝顶标高为730 m。该库采用混合堆坝方案，即 先为上游法堆坝550～600 m，后采用中线法与 上游法相结合进行堆坝。经分析，最重要的也是最 危险的地段是550～600 m。 该尾矿库于 1997 年建成，并投入使用。目前， 尾矿坝坝顶标高达558 m，坝高为38 m。为了分析 了解550～600 m这段坝体的稳定性， 很有必要对 其渗流情况进行模拟计算。 经工程地质勘察揭示，目前，尾矿坝主要由4 层土层组成，自上而下分别是尾轻亚粘土①2、尾 亚砂土①3、尾亚砂土①4和初期坝。其中基底为强 风化砂岩③。 3 尾矿库地下渗流场的模拟计算 3.1 计算模型与计算工况 正确确定计算模型，是保证计算结果真实可靠 的根本。根据龙都尾矿库的现状558 m及未来的 设计规划来构造计算模型，如图 1 所示，计算最终 标高为600 m，即坝高80 m。同时，按照下列工况 进行模拟计算 1 考虑尾矿库内水位的不断变化的影响，对 干滩面的距离分别按 100 m， 200 m和 300 m 3种情 况计算； 2 对于初期坝，则按照导水和堵塞 2 种情况 考虑。 3 由于大气降雨对尾矿坝的地下渗流也有影 响。因此，分别按照降雨量为 50，100，200 mm/d 3 种雨型考虑。 图1 坝体计算模型单位m Fig.1 The geometry model of dam structure in calculation unit m 3.2 计算参数 根据龙都尾矿库的工程勘察资料， 558 m标高 以下即现状情况按地质资料中的土层划分，具体 分为 4 层包括初期坝，对于558～600 m标高， 因为，还未堆置尾矿，从有利于尾矿坝的稳定性考 虑，将这段定为尾轻亚粘土①2，即与目前堆放的最 上层尾矿基本相同。库底为基岩，按照不透水层考 虑，尾矿坝各土层的计算参数见表 1。 表1 各土层物理力学指标 Table 1 The physical and mechanics parameters of soil layers 土 层 指 标 尾轻亚粘土 ①2 尾亚砂土 ①3 尾亚砂土 ①4 砂岩 ③ 孔隙比 e 0.81 0.74 0.66 / 土的重度 /kNm-3 20.0 20.4 21.0 21.5 天然含水量 W / 24.0 17.0 16.0 / 饱和快剪 20.2 21.7 22.0 / 总应力法 24.8 25.8 27.1 / 内摩擦角 / 有效应力 26.3 28.2 29.0 / 饱和快剪 13.4 17.6 22.1 / 总应力法 0 0 0 / 粘聚力 c /kPa 有效应力 0 0 0 / 压缩模量Es /MPa 12.0 12.5 14.0 17.0 渗透系数K20 /cms-1 2.210-5 3.410-4 3.210-4 / 初期坝为堆石透水坝，没有测试其物理力学 指标。为此，按照经验选取，分别为重度 21.0 kN/m3，内摩擦角 38，粘结力 c0，渗透 系数 K20102 cm/s。 3.3 计算程序2D-FLOW简介 2D-Flow 程序是一个岩土体二维渗流有限元分 析软件，该软件系统所有的操作都是针对图形进行 的，其前后处理功能非常强大，能按输入的宏观条 件自动生成各种有限元数据并进行分析，同时，以 图形方式显示各种分析结果，一目了然。它可以分 析下列情况 称 土层分界线 ③ 基底岩石 ①2 ①3 ①4 ①2 100/200/300 初 期 坝 ▽550 ▽558 ▽600 增刊 尹光志等龙都尾矿坝渗流场的数值模拟分析 27 1 稳定与非稳定分析、 饱和与非饱和分析、 地 表降水分析、变动水头问题分析等； 2 可以快速进行大容量分析，适于江河堤坝、 水利工程、 工民建筑等基础设施建设过程中的排水、 降水分析； 3 在城市地下水位预测、 防洪减灾等方面也具 有实际应用价值。 3.4 计算结果与分析 将上述计算模型和材料参数输入计算机，进行 数值计算。模拟计算结果分别见图 2～8。 图2 堆石坝不透水时的压力水头等势线及流速矢量分布图 Fig.2 The distribution of isobaric line and flow velocity vector in impermeable pile dam 图3 干滩面为100 m时的压力水头流场及流速矢量图 Fig.3 The sketch map of water pressure distribution and the flow velocity vector 图4 干滩面为200 m时的渗流场 Fig.4 The permeating flow field along the 200 m dry slope 图5 干滩面为300 m时的流场及流速矢量图 Fig.5 The sketch map of flow field and the flow velocity vector along the dry slope of 300 m 图6 降水量为50 mm/d时的流场及流速矢量图 Fig.6 The sketch map of flow field and the flow velocity vector with a rainfall of 50 mm/d 图7 降水量为100 mm/d时的流场及流速矢量图 Fig.7 The sketch map of flow field and the flow velocity vector with a precipitation of 100 mm/d 71.632 76.600 66.664 61.696 56.728 51.760 46.793 41.825 36.857 31.889 26.921 21.953 16.985 12.017 73.209 69.817 66.426 63.035 59.644 56.252 52.861 49.470 46.078 42.687 39.296 35.905 32.513 岩 土 力 学 2003 年 28 图8 降水量为200mm/d时的流场及流速矢量图 Fig.8 The sketch map of flow field and the flow velocity vector with a rainfall of 200 mm/d 从这些计算结果中可以得出 1 通过对尾矿坝的模拟计算，得出了尾矿坝 地下渗流场的基本规律。计算得出了不同情况下， 如大气降雨、干滩面长度等，尾矿库地下水渗流场 的变化规律。 2 如图 2 所示，如果初期坝堆石坝堵塞，导 致透水性下降，则此时坝体潜水溢出面与尾矿堆积 坝坡面相交，这样必定会导致坝体的稳定性下降。 3 如图 3～5 所示，在初期坝导水的情况下， 干滩面长度分别为 100 m，200 m和 300 m时，坝 体浸润线均未超过堆石坝，与尾矿堆积坝坡面没有 相交，地下水不会从坝面溢出。这说明只要初期坝 堆石坝透水性好，则对整个尾矿坝的稳定性是有 利的，这也是现在尾矿库设计中优先采用堆石坝的 原因之一。 4 通过计算分析得出，大气降水对尾矿库地 下渗流场有明显影响。 如图 6～8 所示，大气降雨会 导致浸润线的抬升，而且降雨量越大，浸润线抬升 越高，严重时会与坡面相交，威胁尾矿库的稳定。 所以， 在雨季应尽量降低库内水位， 一是增大库容， 提高防洪能力；二是降低浸润线，有利于尾矿坝的 稳定。 4 结 语 尾矿坝浸润线的高低，对尾矿坝的稳定非常重 要。为了更好地管理尾矿库，了解尾矿库地下水渗 流场的变化规律和影响因素很有必要。将掌握的规 律与日常的监测工作相结合，积极采取预防措施 ， 控制地下水的变化以及浸润线的抬升，尤其是防止 尾矿坝产生渗流变形和坝面溢出。地下渗流的计算 方法与手段很多[610]，但利用 2D-FLOW 软件比较 方便简洁。 参 考 文 献 [1] 晏兴荣，王全明，李志荣. 尾矿坝植被种草的实践和意 义[J]. 冶金矿山设计与建设，1998，30662- 63. 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