米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析.pdf

第 26 卷第 6 期 岩 土 力 学 Vol.26 No.6 2005 年 6 月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2005 收稿日期2004-05-28 基金项目国家自然科学科学基金资助项目10202015 ，三峡大学湖北省“楚天学者计划”特聘教授资助项目（8096） ，教育部留学回国人员科研启 动基金资助项目（106-220331） ，陕西省教育厅自然科学专项研究计划项目（03JK098） ，三峡大学科技创新团队资助项目（603402） ，西安理工大学 科技创新研究计划项目106-210303, 220275，湖北省青年杰出人才基金项目2004ABB012。 作者简介柴军瑞，男，1968 年生，工学博士，三峡大学湖北省“楚天学者计划”特聘教授，西安理工大学教授，博士生导师，主要从事渗流力学、 岩体水力学、水工结构方面的研究工作。E-mail jrchai 文章编号文章编号1000－7598－2005 06097305 米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析 柴军瑞柴军瑞 1～～3，李守义 ，李守义 2，李康宏 ，李康宏 2，何 ，何 萌萌 2，邓祥辉 ，邓祥辉 2 （1.三峡大学 土木水电学院，湖北 宜昌 443002；2.西安理工大学 水电学院，陕西 西安 710048；3.四川大学 水电学院，四川 成都 610065） 摘摘 要要米箭沟尾矿坝为了进行加高设计而进行了尾矿库区的地质钻孔勘探。基于实际钻孔勘探成果的最佳反演分析各分区 尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参数和加高设计方案，采用三维有限元数值计算方法，应用自主开发的 3D-Seepage-Stress 程序进行了该尾矿坝加高后渗流场数值分析，得出渗流场各要素分布图。可以看出，在此加高方案下，尾 矿坝库区浸润线和溢出点都很高，不利于尾矿坝的稳定安全和运行管理。为此提出了在加高方案设计中加强排渗设施设计的 初步方案与建议。 关关 键键 词词尾矿坝；加高设计；渗流场；有限元 中图分类号中图分类号P 643.2 文献标识码文献标识码A Numerical analysis of seepage field in Mijiangou tailings dam to be designed to increase the dam height CHAI Jun-rui1 ～3, LI Shou-yi2, LI Kang-hong2, HE Meng2, DENG Xiang-hui2 1.College of Civil and Hydropower Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.College of Hydroelectric Engnineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 3.College of Hydroelectric Engnineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China Abstract The engineering geological drilling exploration is carried out in the Mijiangou tailings dam area to serve the heightening design of enlarging its volume. According to the permeability parameters of the three zones, the tailing sand, the weathered rock mass and the rockfill of initial dam, determined by the inverse analysis based on the drilling exploration results and the heightening design plan, the seepage field in the heightened dam area is analyzed to get its distribution. The applied numerical is the finite element one and the software is 3D-Seepage-Stress developed by the authors. It can be concluded that both the seepage free surface and the overflow point are very high under the heightening design plan, which is not profitable for dam stability and management. Also, the measures of drain pipes in the design of enlarging the volume are proposed. Key words tailings dam; heightening design; seepage field; FEM 1 概 述 陕西省汉中钢铁有限公司选矿厂米箭沟尾矿库 初期坝[1, 2]建于 1986 年 12 月，初期坝内坡 11.5， 外坡 12， 尾矿库容 620 万 m3， 有效库容 525 万 m3。 尾矿沙堆重度 14 kN/ m3，可堆沙总量 735 万吨。现 已堆存 580 万吨尾矿沙，堆积高程达 802 m（参见 图 1） 。 上年度排出尾矿量为 57.2 万吨。 按目前的运 行情况，尾矿库还能使用 3 年左右。 尾矿库主要建筑物有初期坝 （透水堆石坝） 、 10 座框架式溢水塔、排水管、泄洪隧洞、溢流陡槽、 消力池等。 初期坝外坡两侧设有截水沟， 左岸 696 m 标高、右岸 701 m 标高设有宽 5m 的马道。 初期坝坝顶 730 m 标高以上， 至 802 m 标高为 上游法尾矿坝堆积坝，在生产中逐步形成外坡 15， 内坡（冲积坡）为 3 左右的尾矿堆积坝。尾矿堆 积坝内部有三道排渗设施现已埋设，降低了尾矿堆 积坝浸润线。尾矿堆积坝两岸坝肩设有截洪沟与下 部初期坝的截洪沟相通。 库内的排水设施有 10 座框架式溢水塔， 现今用 岩 土 力 学 2005 年 7塔排出澄清水。澄清水通过排水涵管进入隧洞， 下接陡槽和消力池，流入涵洞。选矿生产 60的水 是回收水。 该尾矿库设计洪水频率按2P设计，按P 5 . 0校核。正常生产时干滩长度为100～150 m。 当5 . 0P的非常洪水来时，尾矿库内最大水位升 高1.5 m，这时溢水塔溢流水深也为1.5 m，可泄36.5 m3/s，这种情况下干滩长度为150 m。 为延长该尾矿库使用年限，计划对该尾矿坝进 行中线法筑坝加高扩容改造设计，其具体方案是， 在选定的坝轴线上，采用垂直升高的筑坝方法，将 水力旋流器所得的沉砂和溢流向坝外和坝内分别堆 存， 以此构成粗细两种尾矿堆积成的棱体组合坝型， 最终堆积高程达860 m。 尾矿坝（库）的渗流和稳定分析[3 -8]一直是尾矿 坝设计和研究中的最主要问题之一， 而尾矿坝 （库） 加高后的渗流和稳定分析就显得更为重要。 本文基于实际钻孔勘探成果的最佳反演分析各分区 尾矿砂、风化岩体和初期坝堆石体的模型渗透参 数[9 -15]和加高设计方案，采用三维有限元数值计算 方法，应用自主开发的3D-Seepage-Stress程序进行 了该尾矿坝加高后渗流场数值分析，得出渗流场各 要素分布图，并对加高方案设计提出了某些建议。 图图 1 尾矿坝区平面示意图尾矿坝区平面示意图 Fig. 1 Plane sketch of the tailings dam area 2 加高方案渗流场数值分析模型建立 图2为该尾矿坝（库）加高方案示意图，即初 期坝坝轴线不变，初期坝坝顶加高到739 m 高程， 加高后坝顶宽度为7 m；然后，以1 3的坡度升高 至860 m 高程。 图1图中也反映了钻孔（Zk1～Zk9）和辅助孔 （No1～No14）的布置。为了充分利用尾矿坝渗透 参数反演分析模型[2, 9]并突出主要问题， 加高方案渗 流场数值分析模型取为加高后Zk1～Zk8之间的区 域，各钻孔处垂直于主钻孔连线的横剖面可由地质 勘察图纸得出。模型建立以上述加高后Zk1～Zk8 横剖面图为基本依据，计算模型区域为加高后 Zk1～Zk8尾矿堆积线之下的坝体 （含尾矿坝体和初 期坝堆石坝体）和强风化岩体，加高方案渗流场数 值分析计算模型及有限元网格三维示意见图3。 图图 2 加高方案示意图加高方案示意图 Fig. 2 Sketch of the heightening design plan 图图 3 加高方案渗流场分析模型及有限元网格三维示意图加高方案渗流场分析模型及有限元网格三维示意图 Fig. 3 Finite element meshing for seepage analysis 在图3所示计算模型中，整体坐标系的坐标原 点取在钻孔Zk1处，各钻孔连线为y 轴，x 轴与y 轴正交，z 坐标仍为高程，形成右手坐标系。反演 分析计算模型共剖分为1 540个结点，1 134个八结 点六面体等参数单元，其中尾矿砂单元640个，风 化岩体单元462个，初期坝单元32个。 974 第 6 期 柴军瑞等米箭沟尾矿坝加高方案渗流场数值分析 3 加高方案渗流场数值分析 该尾矿坝加高方案渗流场分析理论为常规的三 维稳定渗流理论[13]，采用的具体数值计算方法为三 维有限元法[13]， 应用课题组自主开发的3D-Seepage- Stress程序进行计算。 该尾矿坝现状（勘查时）渗流参数反演分析报 告[2, 9]所得的最佳拟合渗透系数见表1。该最佳拟合 渗透系数等效地综合反映了现有排水设施的作用； 它是采用 “反问题正算法” ， 通过正向三维渗流有限 元法以最小二乘法拟合出的和实测钻孔水位误差最 小的最佳渗透系数[2, 9]。 表表 1 最佳拟合模型渗透参数 最佳拟合模型渗透参数 Table 1 Optimally fitted model permeability parameters 分区 尾矿砂 风化岩体 初期坝堆石 最佳拟合模型渗透系数/ ms-1 810-6 210-5 510-4 图3所示渗流分析计算模型的边界条件为 （1） y 0 m断面（钻孔Zk1横断面）和y 386 m断面（钻孔Zk8横断面）为第一类（已知水 头）边界，其上已知水头分别为860 m（加高后最 高水位）和707.30 m（钻孔Zk8原实测地下水位） 。 （2） 岩体强风化面为第二类 （已知流量） 边界， 通过此面的渗流量为0。 （3） 在y 0 m断面 （钻孔Zk1横断面） 和y 386 m断面（钻孔Zk8横断面）之间存在一个具体 位置待定的渗流自由面 （包括溢出线） ， 通过此面的 渗流量为0，且其上各点的水头等于其高程z 坐 标。 渗流自由面的确定采用固定网格法中的虚单元 法[13]， 即通过迭代运算， 逐次逼近最终渗流自由面， 而每次都舍弃当前渗流自由面以上单元（虚单元） 的贡献，使最终渗流自由面满足以上两个条件和计 算精度要求（0.01 m） 。 最终确定的米箭沟尾矿坝加高扩容改造后堆积 高程达860 m时的各钻孔连线上渗流自由面位置参 见图4～图10所示，可以看出溢出线发生在y 56.12 m（847.78 m高程）处，其后（下）坝面全为 渗流溢出面。渗流场分布（各钻孔连线纵剖面）及 三个坐标方向的渗流速度分量和渗流体积力分量分 布见图4～图10。 综合分析以上渗流分析结果，可以看出 （1）加高方案下渗流自由面位置很高， 溢出点 也很高，这与下游坡度加陡为13有关；钻孔Zk1 （y 0 m）到溢出点（y 56.12 m）渗流自由面平 均水力坡度为0.22，与原实测钻孔Zk1到钻孔Zk8 渗流自由面平均水力坡度0.23较接近。 （2） 可以看出， 如果加高方案仍采用原排渗方 案（每隔30 m标高布设一道排渗设施） ，最高水位 下几乎整个坝体可能都处于饱和状态。因此，加高 方案必须加强排渗设施。 （3） 由渗流速度分量和渗流体积力分量的分布 图可以看出，y向的渗流速度分量要比x和z向大 一个数量级，这说明加高方案下y向仍是渗流的主 方向，y向的渗流体积力分量也明显较大（z向渗流 体积力分量中包含着浮力的作用） 。 图图 4 加高方案渗流场分布加高方案渗流场分布 Fig. 4 Contours of hydraulic head in the seepage field 图图 5 加高方案渗流场加高方案渗流场 x 向渗流速度分量向渗流速度分量 vx m/s等值线图等值线图 Fig. 5 Contours of seepage velocity vx in the seepage field 图图 6 加高方案渗流场加高方案渗流场 y 向渗流速度分量向渗流速度分量 vy m/s等值线图等值线图 Fig. 6 Contours of seepage velocity vy in the seepage field 975 岩 土 力 学 2005 年 图图 7 加高方案渗流场加高方案渗流场 z 向渗流速度分量向渗流速度分量 vz m/s等值线图等值线图 Fig. 7 Contours of seepage velocity vz in the seepage field 图图 8 加高方案渗流场加高方案渗流场 x 向渗流体积力分量向渗流体积力分量 fx kN/m3等值线等值线 Fig. 8 Contours of seepage body force fx in the seepage field 图图 9 加高方案渗流场加高方案渗流场 y 向渗流体积力分量向渗流体积力分量 fy kN/m3等值线等值线 Fig. 9 Contours of seepage body force fy in the seepage field 图图 10 加高方案渗流场加高方案渗流场 z 向渗流体积力分量向渗流体积力分量 fz kN/m3等值线等值线 Fig. 10 Contours of seepage body force fz in the seepage field 4 结论与建议 （1） 进行米箭沟尾矿坝加高扩容改造后堆积 高程达860 m时的稳定分析时，渗流自由面位置应 采用图4～图10所示的数值（即在y 56.12 m （847.78 m高程） 处溢出） ， 垂直于y轴按水平考虑。 （2）由于加高方案尾矿堆积坡度由原来的15 变陡为13，而在原排渗方案下实测渗流自由面坡 度接近原坡度15；因此，若不加强排渗措施，渗 流自由面位置必然很高。要降低渗流自由面位置， 必须在加高方案设计中加强排渗措施。 （3）建议在加高方案设计中，从740 m标高 到860 m标高，每隔10 ～15 m标高布设一道排渗 设施，图11给出了每隔10 m标高建议排渗管布设 位置示意图。排渗管周围要设置过渡层和反滤层， 并严格要求施工质量以保证排渗设施良好的工作状 态。 图图 11 加高方案建议排渗管布设位置示意图加高方案建议排渗管布设位置示意图 Fig. 11 Sketch of the proposed design plan of draining pipes （4）若堆积坡度13不变，即使是采用图11 所示的排渗方案，建议进行米箭沟尾矿坝加高扩容 改造后堆积高程达860 m时的稳定分析时，渗流自 由面位置仍采用图4～图10所示的数值（即在y 56.12 m（847.78 m高程）处溢出） ；而把加强后的 排渗措施看成是保证加高后下游堆积坡面干燥无渗 水的一种保障措施。 参参 考考 文文 献献 [1] 宴兴荣, 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, 306 62－63. 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