大型尾矿库下游高等级排土场的降雨入渗特性

大型尾矿库下游高等级排土场的降雨入渗特性

朱君星1,2，李跃1,2，李从德3

(1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000 2. 金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；3. 重钢西昌矿业有限公司，四川西昌615041)

摘要：尾矿库和排土场都是高势能的泥石流重大危险源，二者的降雨入渗特性均较复杂。而当高等级排土场位于大型尾矿库的下游时，其复杂性更不言而喻。通过对太和铁矿的工程实例分析，计算得到尾矿库在千年一遇洪水条件下的浸润线分布，将其导入到排土场中作为初始条件，计算得到初始浸润线；再据此分析整个研究区域的降雨条件下入渗特性。研究结果表明，尾矿库内的浸润线分布对下游排土场的影响很大，入渗作用改变了排土场边坡内的地下水渗流场，而地下水的升高则是一个缓慢的过程。

关键词：降雨入渗；非饱和渗流；尾矿库；排土场；基质吸力

中图分类号：TD216文献标志码：A

收稿日期：2014-05-22

作者简介：朱君星(1977-)，男，安徽宿州人，高级工程师，硕士，研究方向：矿山岩土工程水工专业。

Rainfall Infiltration Characteristics of High-class Dump

Downstream of a Large-scale Tailing Pond

ZHU Jun-xing1,2，LI Yue1,2，LI Cong-de3

(1. Maanshan Institute of Mining Research, Sinosteel Group Co. Ltd., Maanshan Anhui 243000, China; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine, Maanshan Anhui 243000, China；3. Xichang Mining Co., Ltd., Chongqing Iron and Steel Group, Xichan Sichuan 615041, China)

Abstract:Both of tailing pond and waster dump is high-potential fatal danger fountainhead for debris flow, and the infiltration characteristic are all complex of them. Especially, when a high-class dump is downstream of a large-scale tailing pond, the degree of complexity is more self-evident. Based on the engineering instance analysis of Taihe Iron Mining, phreatic line under the case of the millennium of the tailing pond was obtained, which is introduced into the waster dump model as an initial condition to calculate the initial phreatic line. On the basis, the infiltration characteristic in the entire area under rainfall was analyzed. The study results showed that the phreatic line distribution in the tailing pond has great influence on the waster dump at downstream, the groundwater seepage field in the dump was changed by the infiltration, and the rise of groundwater is a slow.

Key words:Rainfall infiltration; unsaturated seepage; tailing pond; waster dump; matric suction

尾矿库和排土场作为矿山重要的两大附属设施，安全性直接影响到矿山的经济效益。同样作为高势能的泥石流重大危险源，尾矿库和排土场的性质迥异。

作为“储水容器”，一般尾矿库澄清距离以内长期存在尾矿水；而作为“储砂介质”，尾矿库内尾砂颗粒较细，渗透系数较低，同时尾矿库下部堆积时间较长，固结程度较好，其渗透系数更偏低，这样就导致尾矿库内浸润线位置处于较高水平运行。

排土场也是一个滞水体，根据调查资料，因水文条件酿成排土场滑坡的例子约占事故总数50%[1]，说明排土场中水的因素对排土场稳定起到了至关重要的作用。

正因为此，在排土场上游建设尾矿库，尾矿库内本身就有很高的浸润线，进一步抬高了下游排土场内的浸润线，严重威胁到排土场的安全，成为悬在其上方的一把“利器”。

由于各种条件所限，重钢集团太和铁矿小麻柳地区规划一座尾矿库和一座排土场，两者均是相互独立和完整的系统单元。但小麻柳尾矿库下游最终将与排土场连成一个整体，两者将形成一个相互制约和影响的复杂系统。一般情况下，排土场对尾矿库的安全整体上是有利的，但前提是尾矿库和排土场自身安全可靠，尾矿库不能因为自身失稳而对下游排土场构成威胁，排土场也不能因为场底排渗不畅使得尾矿库渗水无法外排降低坝坡稳定性。此外，两者之间的正常作业不能相互干扰和影响，必须有序规划、统一管理。

针对排土场处于尾矿库下游，在降雨入渗的情况下，对排土场的稳定性进行了较为细致的分析，根据研究结果，对排土场进行了再次规划，从安全和经济两个角度进行双重把控。

1工程概况

小麻柳排土场位于小麻柳沟，为常年流水沟，雨季流量约为100～180 m3/d。干季流量约为30～60 m3/d。其西分水岭最高点超过+1 850 m，低点约+1 540 m，高差约310 m。东面的安宁河为区域的最低侵蚀基准面，谷中的地表水流入安宁河，为长年流水性沟谷。排土场地表水系不发育，地下水主要靠大气降水补给。

区内日照时间长，热量丰富，年均日照时数2 431.4小时，年降雨量1 043 mm，5～10月为雨季，11月至次年4月为旱季，其中93%以上降雨集中在雨季，旱季降雨量仅全年的7%。

场地地层主要由第四系冲洪积及残坡积土层、上更新统冰水堆积层，晚第三系“昔格达”半胶结粘土岩、未胶结粉砂岩、细砂岩、砾岩等组成。

区内地下水分为两种类型：第四系覆盖层中的孔隙潜水和西部基岩中的裂隙承压水，孔隙潜水受大气降水补给，承压水受大气降水及潜水补给。地下水渗流方向为由西向东径流。

小麻柳尾矿库位于排土场上游，其设计堆积标高1 750 m，库容5 801.831万m3，总坝高152.0 m，为二等库，防洪标准相应按1 000年一遇考虑。尾矿库初期坝体与下游排土场连成一个整体(见图1)。因此排土场的地下水受到尾矿库的制约，其上游水力边界条件较为复杂。

2 非饱和入渗特性

基质吸力的量测比较困难，一般多通过间接方式进行研究，土水特征曲线法最为常见。许多试验表明，当土的含水量趋近0%时，基质吸力可达620～980 MPa限值[2]。土水特征曲线获取的基本理论虽不复杂，却需要花费大量的时间、精力、设备等，而土体的颗分曲线却很容易得到。基于此，一些学者提出土水特征曲线的拟合模型[3-8]，这些模型或以已有的颗分试验成果为基础，或从数学角度进行严密推导以解析解的形式呈现。其中以文献[3]和文献[4]所提出的拟合模型最为常见。例如，文献[3]提出含有4个参数控制的方程如下：

(1)

式中：θw为体积含水量；θr为残余含水量；θs为饱和体积含水量；Ψ为基质吸力；a、n、m为曲线拟合参数，a的单位为kPa，n、m无量纲。

2.1尾矿库的非饱和入渗特性

尾矿库内沉积的尾砂多为非饱和，因沉积特点及规律的不同，导致库内尾砂各分层的非饱和特性存在差异。土工试验结果表明：与滩顶距离越远，尾矿砂的含水量越大，颗粒越细，其孔隙比越大[9]。

2.2排土场的非饱和入渗特性

排土场成分复杂，粒径分布范围很大，不同的排土工艺、堆置方式对入渗特性影响很大。一般而言，对于单台阶式排土场，由于多采用汽车运输排土，大块废石压在坡脚处，渗透系数很大，上部较为密实；对于覆盖式排土场，各分级台阶从下到上的分选性类似，渗透性均由强到弱，整体而言，其渗透特性较为复杂；对于压坡脚式排土场，排土台阶由内向外推进，大块废石压在底部，细颗粒同样汇集于各台阶顶，其渗透特性与单台阶式有一定程度的相似之处(见图2)。一般而言，岩土密实度越大，大孔隙相对越少，小孔隙相对比较多。吸力相同时，干容重大的土相应的含水率一般也越大。

小麻柳排土场采用覆盖式排土堆置方式，考虑到每个台阶高度都不超过15～20 m，为简化计算，将每个排土台阶自上而下分为两层，各分层的土水特征曲线采用式(1)拟合，再据非饱和土水分运动的基本方程式(2)得到各主要岩土层渗透系数函数(见图3)。

(2)

式中：kwx(θw)， kwy(θw)， kwz(θw)为x， y， z方向的渗透系数，是关于体积含水量θw的函数； mw=

3入渗条件下数值模拟计算与分析

3.1几个关键性问题

小麻柳排土场的等级较高，安全风险较大，加之其处在尾矿库的下游，尾矿库的使用无疑给排土场带来安全隐患。因此，必须要确保尾矿库、排土场的双重稳定。

1) 尾矿库是二等库，其防洪标准为1 000年一遇，需要考察尾矿库在千年一遇洪水条件下的最高洪水位；在此条件下，考虑降雨入渗对尾矿库非饱和带的影响，研究其浸润线变化规律。

2) 在上述情况下，尾矿库浸润线变化对下游排土场的影响，同时还需兼顾排土场的降雨入渗特性。

3.2计算过程及结果

在GeoStudio软件中建模并划分网格，计算模型如图4所示。

将尾矿库的浸润线计算结果导入到排土场模型中，计算降雨入渗初期，排土场内的初始浸润线(见图6)。施加降雨，根据当地气象资料，设定降雨强度350 mm/d，持时1天，采用流量边界条件，来不及入渗的雨水经由底部平台宣泄。计算得降雨结束初期尾矿库及排土场的浸润线分布情况(见图7)。

3.3计算结果分析

根据计算可知，尾矿库在千年一遇洪水状态下的浸润线很高(见图5)，从初期坝出露的地下水进入排土场中，抬高了排土场中的地下水位(见图6)。

在降雨一天后(见图7)，尾矿库和排土场内部浸润线未发生明显变化，但在其表面均形成较大规模的暂态饱和区，其深度从5～20 m不等。在库内，由于地势较为平缓，其径流能力偏弱，湿润峰向下推移的距离较大，入渗深度较大；而在排土场边坡的表面，坡度的存在使得降雨径流速度远远大于入渗速度，其入渗能力较之于库内偏弱，决定了其暂态饱和带多分布在边坡的浅层位置。

降雨结束后的一段时期内(见图8)，由于滞后效应，入渗作用仍在持续，湿润峰进一步向下推移，相应地，暂态饱和区逐步下移；与此同时，雨后蒸发效应不断增强，边坡内部的浅层地下水部分进入大气，浅层部位的暂态饱和区逐渐消失。

到雨后第10天(见图8b)，边坡浅层位置的暂态饱和区进一步减少，重新转换为非饱和带；到第15天，浅层暂态饱和区范围继续减小，同时，内部的雨水持续下渗，饱和带继续往下推移。到了第20天左右，边坡体内的暂态饱和区已渐消失，湿润峰已移至地下水处，抬高了排土场内的地下水。可见，降雨对排土场内部浸润线的影响是中长期的。

4结论

通过对太和铁矿的工程实例分析，将尾矿库在千年一遇洪水条件下的浸润线分布导入到下游排土场中，计算得到初始浸润线；再分析整个研究区域降雨条件下的入渗特性，为后期的整体稳定性研究及排土场经济规划打下基础。

研究结果表明，尾矿库内的浸润线分布对该排土场的影响很大；降雨结束初期，排土场边坡表面暂态饱和区范围很大，随着时间推移， 蒸发效应和入渗效应的进一步作用，浅层的暂态饱和区逐步消失，深层的湿润峰不断下移；经过20天左右，降雨对排土场地下水位的影响开始逐渐显现。可见，降雨入渗作用改变了排土场边坡内的地下水渗流场，而地下水的升高则是一个缓慢的过程。

参考文献：

[1]冶金工业部马鞍山矿山研究院. 露天矿排土场技术调查报告[R]. 马鞍山： 冶金部黑色金属矿山情报网， 1985.

[2]D G Fredlund. Comparison of soil suction and one-dimensional consolidation characteristic of a highly plastic clay[R]. National Research of Canada Division of Building Research. Technical Paper No. 245 of the Division of Building Research, Ottawa, Canada: 1964.

[3]M TH VAN GENUCHTEN.A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils[J]. Soil Science Society of American Journal. 1980， 44(5)： 892-898.

[4]D G FREDLUND， ANQING XING.Equations for the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1994， 31(3)： 521-532.

[5]包承纲. 非饱和压实土的多相形态及孔压消散问题[C]// 李承刚， 唐美树， 徐渭. 第三届全国土力学和基础工程会议论文集. 北京：中国建筑工业出版社， 1979：12-16.

[6]包承纲. 非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J]. 岩土工程学报，2004, 26(1): 1-15.

[7]BAO C G， Gong B W， Zhan L T. Properties of unsaturated soils and slope stability for expansive soils[C]//Proceeding of The 2ndInternational Conference on Unsaturated Soils. Beijing: International Academic Publishers, 1998: 71-98.

[8]徐永福， 董平. 非饱和土的水分特征曲线的分形模型[J]. 岩土力学，2002， 23(4)： 400-405.

[9]段蔚平， 汪斌. 尾矿坝非饱和带滞水曲线模型的建立及应用[J]. 岩土力学，2003， 24(S2)： 65-68

(责任编辑：何学华，吴晓红)