本溪某尾矿库加高增容工程坝体渗流分析

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摘要：渗流试验与计算分析的主要目的是确定各工况下尾矿坝的浸润线位置，为坝体加高设计的液化及稳定分析提供依据。同时通过渗流分析，研究渗流破坏和渗透变形的危险性，从而为坝体防渗和排渗设计提供依据。

关键词：增容、坝体渗流。

中图分类号：O357文献标识码： A

一、概述

尾矿库位于本溪南芬选矿厂以南2.5km，大峪村西南约0.5km的沟谷里。尾矿初期坝为透水风化混合料坝，坝底绝对标高约为180m，坝顶标高约为191.9m，顶宽4.0m，顶长410m。正在连续堆积的尾矿子坝目前标高约为260.0m，今后，尾矿堆积将逐年加高至标高280.0m。尾矿坝加高设计采用的A－A′、B－B′、C－C′三个典型坝体断面及排渗体布置见图1-1、1-2、1-3。

渗透系数根据沈阳勘察研究总院提供的《岩土工程勘察技术报告书》确定。其中，初期坝材料按透水材料处理，渗透系数取5×10-3cm/s，粉质粘土按不透水材料处理，在渗流试验和数值计算中取不透水边界条件，各层土的渗透系数见表1-1。

表1-1 各层土的渗透系数

土层名称 垂直渗透系数

Kv(cm/s) 水平渗透系数

Kh(cm/s) 平均渗透系数

K(cm/s)

(2) 尾细砂 2.88×10-4 3.58×10-4 3.23×10-4

(3) 尾粉土 1.05×10-4 1.17×10-4 1.11×10-4

(4) 尾粉砂 3.35×10-4 5.3×10-4 4.36×10-4

(5) 尾粉砂 2.55×10-4 3.35×10-4 2.95×10-4

(6) 尾细砂 2.19×10-4 1.27×10-4 1.73×10-4

(7) 尾粉土 9.92×10-4 3.21×10-4 6.57×10-4

二、试验与计算工况

渗流试验和数值计算的工况见表1-2，1-3。

表1-2 校核现场实测浸润线（尾矿坝现高260m）

工况

编号 断面位置 排渗

1 A－A′ 正常

2 B－B′ 正常

3 C－C′ 正常

表1-3 尾矿坝加高至280m

工况

编号 断面位置 干滩长度 排 渗

4 A－A′ 最高洪水位（150m） 正常

5 A－A′ 正常水位（200m） 正常

6 A－A′ 最高洪水位（150m） 失效

7 A－A′ 正常水位（200m） 失效

8 B－B′ 最高洪水位（150m） 正常

9 B－B′ 正常水位（200m） 正常

10 B－B′ 最高洪水位（150m） 失效

11 B－B′ 正常水位（200m） 失效

12 C－C′ 最高洪水位（150m） 正常

13 C－C′ 正常水位（200m） 正常

14 C－C′ 最高洪水位（150m） 失效

15 C－C′ 正常水位（200m） 失效

三、渗流模型试验原理

3.1水电比拟法

用水电比拟法研究渗流问题的基本原理是用电流场模拟渗流场。因为符合达西（Darcy）定律的重力不可压缩流体的稳定流动与符合欧姆定律的稳定电场中电流的流动是相似的。这种相似表现在这二种物理现象之间的数学表达式相同，即都可用拉普拉斯（Laplace）方程表示，见表1-4。

由表1-4可见，渗流场和电流场在物理量的性质和相应物理量之间存在对应关系，如果渗流场与电流场的几何尺寸相似，边界处理得当，导电介质的导电性与渗透性质相似，其渗流场中的水头或压力分布也将与电流场中的电位或电压分布相同，这样通过量测电场中某些物理量就可以推算出要量测的渗流要素。

表1-4 电流场与渗流场的相似关系

电场 渗流场

电位分布规律 水头分布规律

电流密度i 渗流速度v

电流强度I 渗流量Q

欧姆定律 达西定律

等电位线（U＝常数） 等水头或等势线（H＝常数）

绝缘边界上

（n为绝缘边界的法线） 不透水边界上

（n为不透水边界的法线）

3.2 模拟方法

1、 渗透系数模拟

试验中除保证原型与模型几何尺寸相似外，对渗流场中各土层的不同渗透系数与导电系数值应保持对应关系。试验中电解液与渗透系数之间应满足下列要求：

(3.2-1)

式中：K为渗流场中各土层的渗透系数；

ρ为渗流场中各层分区的电阻系数。

2、 浸润线的模拟

试验中浸润线是未知的。采用逐渐接近法加以修正，当实测各点符合式（3.2-2）时就可以把各点电势连接起来得出第一条流线，即浸润线。

（3.2-2）

式中渗流场中相应点的渗流水头值；

电流场中相应点的电压值。

3.3 模型范围和模型比尺

1.为保证试验精度，上游面的截取以水边线为基础向上游截取（2.0－2.5）T的长度为试验范围（T为试验水位高程处土层厚度）。

2.根据试验精度要求和室内试验条件模型比尺均取为1：400。

3.4 模型边界处理

1． 试验中假定坝内渗流为均匀渗流，根据渗流试验理论及以往试验经验，上游等势面试验中用镀银片模拟，同理下游边界也用镀银片模拟。上下游水位也分别用与上下游边界相连的镀银片模拟。

2.渗流区

试验中假定渗流区的各种土层分布是均匀、各向同性的。尾矿坝根据试验数据采用相应的电解液模拟。

各渗流区的分界面均用有机玻璃分隔。为保证整体流场的连续性，在各自对应的模型边界各点之间均用镀银片连接，以保证模型界面处相应点的电位相同，空隙与银片之比为1：1。浸润线采用橡皮泥做不透水边界，以便于修改。

四、 数值计算原理

渗流数值计算采用GEO-SLOPE的SEEP/W软件，该软件采用有限元分析的方法，可以模拟任何复杂的孔隙介质材料（土体、岩体）渗流问题。可以计算饱和和非饱和渗流、稳定和非稳定渗流，可以考虑坝体材料的各向异性。

4.1控制方程

渗流计算依据的基本定律是达西(Darcy)定律，表达式为

(4.1-1)

式中，q是断面流速，k是材料的渗透系数，i是水力坡降。

对于二维平面稳定渗流，控制方程为

(4.1-2)

式中，kx、ky是x，y方向的渗透系数，H是总水头。当材料是各向同性时，kx=ky；当材料为各向异性时，kxky。

总水头， (4.1-3)

其中孔隙水压力，为水的重度，z是位置水头。

4.2计算方法

采用有限单元法，利用四边形单元构造有限元方程。根据变分原理和Galerkin方法，构造方程（4.1-2）的单元有限元方程

(4.2-1)

是梯度矩阵，

是渗透系数矩阵， ，q是通过单元断面的流量

4.3边界条件的处理

边界条件：已知水头边界条件

， 为已知水头值。

不透水边界：

在浸润边界上：

五、 试验与计算成果分析

根据《本钢歪头山铁矿小西沟尾矿库加高增容坝体静动力稳定分析任务书》的要求，对坝体典型断面A－A′、B－B′、C－C′进行了渗流电模拟试验和数值计算。

渗流试验首先对坝体现场实测浸润线进行了校核，试验得出的三个断面浸润线与现场实测浸润线的比较见图1-1、1-2、1-3。试验得出的浸润线与现场实测浸润线基本吻合。

歪头山尾矿坝最终加高至标高280.0m，在标高205.4m处设置排渗砂井，在标高254.0m处设置水平排渗体。根据委托任务书的要求，对三个典型坝体断面在最高洪水位和正常生产水位条件下进行了各种工况组合的试验与计算研究。

1） A－A′断面

1、最高洪水位（150m干滩）：

尾矿坝内水位278.58m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-4，浸润线通过标高205.4m处的排渗砂井，从尾矿坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点，从正常渗流角度可以保证尾矿坝安全运行。从试验和计算结果看，标高在205.4m处的排渗砂井排渗作用显著。标高254.0m处的水平排渗体在浸润线上方，作用微弱。如果排渗设施失效，试验结果见图1-5，浸润线显著抬高，在标高214.0m处逸出，从坝坡流到坝脚，会影响到坝体稳定。

2、正常生产水位（200m干滩）：

尾矿坝内水位278.0m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-6，浸润线通过标高205.4m处的排渗砂井，从尾矿坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点。由于干滩变长，浸润线低于最高洪水位下的浸润线。从试验结果分析得出相同的结果，标高在205.4m处的排渗砂井排渗作用显著，标高254.0m处的水平排渗体在浸润线上方，作用微弱。如果排渗设施失效，试验结果见图1-7，浸润线显著抬高，在标高209.0m处逸出，从坝坡流到坝脚，同样会危及坝体稳定。

2） B－B′断面

1、最高洪水位（150m干滩）：

尾矿坝内水位278.58m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-8，浸润线通过标高205.4m处的排渗砂井，穿过初期坝，从初期坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点，坝脚处渗透坡降为0.26。从试验和计算结果看，标高在205.4m处的排渗砂井排渗作用显著。标高254.0m处的水平排渗体在浸润线上方，作用微弱。如果排渗设施失效，试验结果见图1-9，浸润线在排渗砂井附近抬高5~6m。由于初期坝透水，可以起到降低浸润线的作用，所以坝坡上没有逸出点，浸润线通过初期坝到达下游坝基，此时坝脚处渗透坡降为0.265。

2、正常生产水位（200m干滩）：

尾矿坝内水位278.0m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-10，浸润线的高度低于最高洪水位下的高度。浸润线通过标高205.4m处的排渗砂井，穿过初期坝，从初期坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点，坝脚处渗透坡降为0.26。从试验和计算结果看，标高在205.4m处的排渗砂井排渗作用显著。标高254.0m处的水平排渗体在浸润线上方，作用微弱。如果排渗设施失效，试验结果见图1-11，浸润线在排渗砂井附近抬高4~5m。同样由于初期坝透水，起到降低浸润线的作用，坝坡上没有逸出点，浸润线通过初期坝到达下游坝基，此时坝脚处渗透坡降为0.265。

3、初期坝渗透变形分析

初期坝为透水风化混合料坝，透水。导致在初期坝的坝脚处渗透坡降很大。表1-5是规范规定的无粘性土允许渗透坡降。

表1-5 无粘性土允许坡降

渗透变形型式 流 土型 过渡型 管涌 型

Cu

允 许 坡 降 0.25~0.35 0.35~0.50 0.50~0.80 0.25~0.40 0.15~0.25 0.10~0.15

从表1-5可以发现，允许渗透坡降为0.15~0.25，试验和计算得出的结果为0.25~0.26，无论尾矿坝排渗是否正常，在初期坝的坝脚处的渗透坡降都大于允许坡降，在坝脚处将会发生管涌破坏。为了防止渗透破坏发生，应采取措施，设置反滤层和保护层。

3） C－C′断面

1、最高洪水位（150m干滩）：

尾矿坝内水位278.58m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-12，浸润线通过标高254.0的水平排渗体和标高205.4m处的排渗砂井，从尾矿坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点，尾矿坝安全运行。两个排渗设施均可发挥作用。如果排渗设施失效，试验结果见图2-13，浸润线显著抬高，在标高230.0m处逸出，从坝坡流到坝脚，使得坝体稳定趋于不安全。

2、正常生产水位（200m干滩）：

尾矿坝内水位278.0m，在排渗正常条件下，试验与计算结果见图1-14，浸润线通过标高205.4m处的排渗砂井，从尾矿坝的坝脚到达下游坝基，坝坡上没有逸出点。由于干滩变长，浸润线低于最高洪水位下的浸润线。从试验结果分析得出相同的结果，标高在205.4m处的排渗砂井排渗作用显著。标高254.0m处的水平排渗体在浸润线上方，作用微弱。如果排渗设施失效，试验结果见图1-15，浸润线显著抬高，在标高227.0m处逸出，从坝坡流到坝脚，使得坝体稳定趋于不安全。

六、结论与建议

1、通过渗流电模拟试验和数值计算分析，在相同的排渗条件下，干滩长度不同，浸润线的高度也不同。干滩越长，浸润线相对越低。洪水条件下的浸润线高于正常水位的浸润线。

2、在排渗正常的情况下，整个尾矿坝坝体不会出现浸润线逸出的现象，从正常渗流的角度，尾矿坝运行安全。一旦排渗失效，A－A′、C－C′断面坝体浸润线显著抬高，并在坝坡上逸出，危及尾矿坝的安全。

3、尾矿库两侧由于受山体的影响，浸润线明显抬高。在库内洪水位278.58m、干滩150m和排渗设施失效的条件下，A－A′断面坝体浸润线在坝面214m标高逸出，C－C′断面在230m逸出，建议在加高设计中采取排渗和反滤压坡等工程措施，防止坝体产生渗流破坏。

4、初期坝由透水风化材料组成，为透水坝，对降低浸润线也起到一定作用，在B－B′断面，初期坝的透水性使得在排渗失效的情况下，浸润线通过初期坝而不在坝坡上逸出。但是由于初期坝透水，使得初期坝坝脚处的渗透坡降大于允许坡降，会导致在坝脚处出现渗透破坏，建议在坝脚处应采取贴坡反滤或反压等工程措施。

5、应当重视排渗设施的施工和日常维护，保证其工作正常并发挥作用。这对坝体的稳定是至关重要的。

参考文献：

【1】Braja.M.Das著《土动力学原理》（美）

【2】WinterRorn.H.F 、方晓阳等主编 《基础工程手册》

【3】《工程地质手册》（第九版）

【4】水利水电科学研究院《岩石力学参数手册》