某上游式尾矿库高速筑坝下渗流固结特性研究

高 峰， 马艳晶， 盛金昌

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.河海大学， 江苏 南京 210098)

1 前言

某矿山选矿厂配套两座尾矿库，目前一座尾矿库已经建成并投入运行3年时间，另一座尾矿库正在建设。基建期约1年时间，需将全部660万t/a尾矿排入正运行尾矿库，尾矿坝上升速率将超过常规上升速度，尾矿渗流固结特性与常规相比变化较大。

正运行尾矿库采用尾矿上游筑坝法，初期坝为透水堆石坝，坝高85m。初期坝坝顶宽5m，坝体上游边坡1∶2.0，下游边坡1∶2.0。中后期采用尾矿堆坝，堆积坝外坡平均坡度为1∶6，尾矿堆坝高130m，总坝高215m。目前已经运行3年时间，堆筑第3级子坝，当放矿规模由330万t/a扩大至660万t/a后，尾矿坝上升速率将由12m/a将增加至23m/a。

本文采用三维有限元数值模拟方法[1]，研究尾矿高速筑坝下渗流固结特性变化规律，并通过合适的排渗措施方案，使尾矿坝满足高速上升时渗流控制要求。

2 工程概况及计算模型

某矿山生产规模为660万t/a，配套两座尾矿库，每座尾矿库排产规模均为330万t/a。其中一座尾矿库未建成，基建期约1年时间，基建期间已建成尾矿库的排产规模将扩大至600万t/a，尾矿坝上升速率将由12m/a将增加至23m/a。

为模拟排产规模扩大后、尾矿堆积坝高速上升条件下尾矿的渗流固结特性。在有限元建模时，将每一级子坝(子坝坝高2.5m)及其相应的尾矿沉积地层都剖面成一层单元，并逐层加载。三维有限元网格模型如图1所示。

2.1 计算参数选取

计算模型采用邓肯- 张(Duncan-Chang)E- B模型。Duncan-Chang于1970年在Kondner应力- 应变双曲线假定基础上提出双曲线E-μ模型，其后Duncan等人采用剪切体积模量的E-B模型对模型进行了修正，较好地反映了土体的非线性性态，概念清楚，易于理解。尾矿坝邓肯- 张(Duncan-Chang)E-B模型参数见表1[2]。

图1 尾矿库三维有限元模型图

表1 尾矿坝邓肯- 张E-B模型参数表

2.2 边界条件的确定

边界条件包括力学边界和渗流边界。

力学边界：在计算模型的四周截取边界施加垂直固定位移约束边界，模型底面施加全固定约束边界。

渗流边界：在尾矿坝三维渗流场数值分析中，计算模型的边界条件主要分为已知水头边界、已知流量边界、出渗边界、浸润面边界。在实际工程中，计算模型不同部位的边界条件设置不仅依赖于库区水文地质条件，而且也依赖于尾矿坝设计和尾矿库的运行工况。对于尾矿库，在计算模型的四周截取边界施加不透水边界(零流量边界)，模型的尾矿库区上表面施加定水位边界，下游坝脚为渗水回收池水位。

初期坝和堆积坝下游坝面设为可能出渗边界。

2.3 加载过程模拟

在计算时，对每一级子坝均分级加载，以模拟整个尾矿库的固结形成过程。在最大排矿规模为660万t/a条件下，尾矿库1年内共堆筑9级子坝(每级子坝坝高2.5m)。计算过程中共分25级施工加载过程依次计算，具体计算过程见表2。

表2 计算加载过程

3 排渗措施方案

为改善尾矿坝高速上升下排渗效果，提出如下排渗方案，本次计算在此排渗措施方案基础上进行。

在坝坡排水沟相应的标高每隔5m(两级子坝高度)高程设置坝体土工席垫排渗层，在距堆积坝顶100m沉积滩平行坝轴线分段铺设，水平排渗层由δ=12mm土工席垫，DN100排水软塑PVC管、DN100软式透水管、500g/m2土工布组成。排渗PVC管每两根间距10m，垂直坝轴线均布，开孔与软管相通，连通土工席垫。

4 渗流固结特性分析

计算扩产后尾矿渗流固结特性前，对现状渗流场模型计算结果与现状勘察结果进行对比验证，通过典型剖面上钻孔位置的地下水位计算值与勘测值对比，两组数值相差不大，证明三维有限元模型建模合理，计算方法适合。

4.1 渗流场计算分析

计算分析扩产后渗流场变化情况，以堆积坝最大横典型剖面作为典型计算剖面，扩产后尾矿坝渗流场等势线分布计算结果如图2、图3所示。通过对典型剖面渗流场分析，得出以下结论。

图2 第10级子坝时渗流场等势线分布图

图3 第12级子坝渗流场等势线分布图

1)由于初期坝和尾粉砂的渗透性较大，初期坝和堆积坝第10级子坝平台以下部位，渗流浸润线的埋深较深，浸润线较为平缓，基本上沿着尾粉砂和初期坝底部，在初期坝下游坝脚处逸出或经河床覆盖层渗入下游溪谷中。

(2)随着堆积坝的升高，浸润线垂直埋深在不断变小。在堆积坝第10级子坝平台以上，浸润线垂直埋深较小，但最高洪水位工况下埋深也大于10m。

(3)从计算结果看，在排矿规模扩为660万t/a后尾矿堆积坝、初期坝中的渗流浸润线垂直深埋能满足现行规范对尾矿坝渗流控制要求。

4.2 渗流固结计算分析

分析扩产后尾矿渗流固结特性，扩产后尾矿沉积地层固结度的等值线分布如图4、图5所示。第10级子坝、第12级子坝在现渗措施方案下，尾矿沉积地层固结度分布基本类似，随着堆积坝的升高，未完成固结的地层范围进一步缩小，在堆积坝中部坝坡下(浸润线附近)出现了小范围的局部未完全固结区域。扩产1年后尾矿库恢复原排产规模，上升速率降低，通过固结规律分析，局部小范围未完成固结局域可以在很快时间内完成固结。

图4 第10级子坝时固结度等值线分布图

图5 第12级子坝时固结度等值线分布图

5 结论

通过对尾矿库高速筑坝下渗流固结特性研究，得到以下结论：

(1)在尾矿坝高速上升条件下提出了排渗措施方案，并以此方案为基础进行了三维渗流稳定计算和渗流固结分析，通过渗流场分析，初期坝和堆积坝第10级子坝平台以下部位，渗流浸润线的埋深较深。随着堆积坝的升高，浸润线垂直埋深在不断变小，但最高洪水位工况下埋深也大于10m。满足现行规范对尾矿坝渗流控制要求。

(2)通过渗流固结分析，在现渗措施方案下，扩产后尾矿沉积地层固结规律与扩产前类似，在恢复原排产规模后，局部小范围未完成固结局域可以在很快时间内完成固结，固结过程较快。

(3)从渗流场及渗流固结特性两方面分析，提出的排渗措施方案合理可靠，满足尾矿高速筑坝下渗流控制要求。