（岩土工程专业论文）大峪口磷石膏尾矿坝渗流场与稳定性分析.pdf

摘要 尾矿坝作为选矿厂的重要组成部分，其稳定与否直接关系着选矿厂生产安 全与人民的生命财产安全，因此，开展尾矿坝渗流场与稳定性研究具有重要意 义。 依托湖北大峪口磷石膏库勘察与稳定性评价项目，采取现场勘探、室内试 验、理论分析和数值模拟相结合的研究手段，针对尾矿坝渗流场与稳定性开展 系统研究，揭示尾矿坝渗流场和尾矿坝边坡稳定性规律，直接指导尾矿坝处治 工程设计。 。 本文研究工作的主要内容和成果如下： 基于详细的现场勘探和标贯试验结果，取得了可用于尾矿坝渗流场与稳定 性分析的典型工程地质剖面图，全面地评价了尾矿坝工程地质特性。通过对库 内沉积磷石膏进行了大量的物理、力学性质试验，取得了磷石膏的各种物理力 学参数。试验结果表明：磷石膏颗粒分布较为集中、级配较差、渗透性能良好 且抗剪强度较高。 运用饱和非饱和渗流理论，分析了干滩长度、排渗垫层淤堵程度、磷石膏 渗透性、渗透各向异性对浸润线的影响规律。随着干滩长度增长，浸润线逐渐 降低；随着排渗挚层淤堵程度加剧，浸润线逐渐抬高；随着磷石膏渗透性降低， 浸润线逐渐降低；随着渗透各向异性比降低，浸润线逐渐降低。 运用非饱和土边坡稳定性分析方法，对整个尾矿坝进行了稳定性计算，得 出了不同工况下坝坡的稳定性特征。分析表明：影响坝坡稳定的因素主要有干 滩长度、排渗垫层淤堵程度、磷石膏渗透性、磷石膏各向异性以及堆积坝高度 等，其中排渗设施的淤堵、堆积坝的加高对边坡稳定的影响最为显著；而干滩 长度、磷石膏透水性以及其各向异性等三种因素对坝坡稳定性的影响相对较小。 有关研究成果己成功应用于大峪口磷石膏尾矿坝工程治理，取得了良好的 技术经济效果，对类似工程具有参考价值。 关键词：磷石膏，尾矿坝，饱和一非饱和渗流，稳定性分析 a bs t r a c t t a i l i n g sd a ma sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em i n e r a lp r o c e s s i n gp l a n t ，i t s s t a b i l i t yi sr e l a t e dt ot h es a f e t yi np r o d u c t i o no fm i n e r a lp r o c e s s i n gp l a n t a n dp e o p l e s l i f ea n dp r o p e r t y c o n s e q u e n t l y , i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oa n a l y s et h es e e p a g ea n d s t a b i l i t yo ft a i l i n g sd a m b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n ds t a b i l i t y e v a l u a t i o np r o j e c to fd a y u k o u p h o s p h o g y p s u mt a i l i n g sd a mi n h u b e ip r o v i n c e ，t h es e e p a g ea n ds t a b i l i t yo ft h e r a i l i n g sd a m f o rm i n e r a lp r o c e s s i n gp l a n ta r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb yc o m b i n i n gs i t e i n v e s t i g a t i o n ，s i t et e s t ，l a b o r a t o r yt e s t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ev a r i a t i o nl a wo ft h es e e p a g ef i e l da n ds t a b i l i t yf o rt a i l i n g sd a m a r eo b t a i n e d i t w i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o re n g i n e e r i n gd e s i g no ft a i l i n g sd a mt r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r k sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ad e t a i l e ds i t ei n v e s t i g a t i o na n ds t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s ta r ec a r r i e d ，t h et y p i c a l e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o f i l e sw h i c hc a l lb eu s e dt os e e p a g ea n ds t a b i l i t ya n a l y s i s h a v eb e e no b t a i n e d ，t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et a i l i n g sd a m h a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e d t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa b o u t p h o s p h o g y p s u mh a v eb e e no b t a i n e dt h r o u g hag r e a td e a lo fl a b o r a t o r yt e s t s t e s t i n g r e s u l t ss h o wt h a t p h o s p h o g y p s u m m a t e r i a l p a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o ni sm o r e c o n c e n t r a t e d ，g r a d e dp o o r , g o o dp e r m e a b i l i t ya n dh i g hs h e a rs t r e n g t h w i t hs a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g et h e o r y , t h ei n f l u e n c eo fd r yb e a c hl e n g t h ， d r a i n a g ec l o g g i n g ，p h o s p h o g y p s u mp e r m e a b i l i t ya n da n i s o t r o p i cp e r m e a b i l i t yo nt h e s a t u r a t i o nl i n ep o s i t i o na r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo fd r y b e a c hl e n 舳，t h es a t u r a t i o nl i n eg r a d u a l l yd r o p s ；w h e nt h ed e g r e eo fd r a i n a g e c l o g g i n gi n c r e a s e s ，t h es a t u r a t i o nl i n eg r a d u a l l ye l e v a t e s ；w h e n t h ep e r m e a b i l i t yo f p h o s p h o g y p s u md e c r e a s e s ，t h es a t u r a t i o nl i n eg r a d u a l l yd r o p s ；w i t ht h ed e c r e a s eo f a n i s o t r o p i cp e r m e a b i l i t y , t h es a t u r a t i o nl i n eg r a d u a l l yd r o p s b vm e a n so fu n s a t u r a t e ds o i ls l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d s ，t h es t a b i l i t yo f t a i l i n g sd a mi sc a l c u l a t e d ，s t a b i l i t yc h a r a c t e r so fd a ms l o p ew i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a r eo b t a i n e d a n a ly s i sr e s u l t ss h o w ：t h ef a c t o r sw h i c hi m p a c td a ms l o p es t a b i l i t ya r e d r y b e a c hl e n g t h ，d r a i n a g ec l o g g i n gd e g r e e ，p e r m e a b i l i t yo fp h o s p h o g y p s u m ， a n i s o t r o p i cp e r m e a b i l i t ya n dd a mh e i g h t t h ee f f e c t so fd r a i n a g ec l o g g i n ga n dd a m h e i g h ta l em o s to b v i o u s ，b u td r yb e a c hl e n g t h ，p e r m e a b i l i t yo fp h o s p h o g y p s u ma n d a n i s o t r o p i cp e r m e a b i l i t ya l ew e a k e r t h e s er e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a p e rh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h e t r e a t m e n to fd a y u k o up h o s p h o g y p s u mt a i l i n g sd a m ，g o o dt e c h n i c a la n de c o n o m i c e f f e c t sh a v eb e e no b t a i n e d ，a n di tw i l lb ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c et os i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d ：p h o s p h o g y p s u m ，t a i l i n g sd a m ，s a t u r a t e da n du n s a t u r a t e ds e e p a g e ， s t a b i l i t ya n a l y s i s m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 鲤垄 日期： 趁年目砷哼 签名： 哗垄 日期： 趁至目砷目 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：茸占翩c 签 日期础棚踯日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 随着经济的发展，我国对矿产品的需求大幅增加，对矿产资源的开发规模 也随之加大，尾矿的产出量亦不断增加。尾矿是选矿厂在特定经济技术条件下， 将矿石磨细、选取“有用组分 后所排放的废弃物，也就是矿石经选别出精矿 后剩余的固体废料。尾矿堆积有干法堆积形式和湿法堆积形式之分。我国目前 普遍采用湿法堆积形式，即采用尾矿库的形式贮存尾矿。尾矿堆积坝是由尾矿 堆积而成的坝，它是尾矿库中最主要的构筑物。随着矿业的迅速发展，尾矿坝 的数量越来越多，规模也越来越大。尾矿堆积坝的稳定与否，直接关系到尾矿 库的运营情况，而尾矿库运营好坏，不仅会影响矿山企业的经济效益，与库区 下游居民的生命财产及周边环境也息息相关。因此，对尾矿坝的稳定问题必须 予以足够的重视。 世界上正在使用的各类尾矿库有2 0 多万座，库容较大的均在数千万至1 亿 立方米以上。我国于2 0 0 7 年开展的全国尾矿库普查表明，全国共有尾矿库8 5 4 0 座，每年约产出尾矿3 亿吨，尾矿库的数量、库容以及坝高在世界上都是罕见 的。相关资料表明【2 l ，我国正常运行的尾矿库不足7 0 ，有些行业的尾矿库近 4 4 处于险、病、超期服役状态，这是一个巨大的隐患。出于工程投资的考虑， 一般尾矿库都建在离厂区较近的范围内，靠近公路、铁路或者河流；很多尾矿 库下游是高密度人员聚集区。因此尾矿坝一旦失稳，不仅会严重威胁企业和人 民的财产安全，还会对周围环境造成严重污染，其破坏性是巨大的。 世界上许多国家都曾遭受过尾矿库的灾害【3 一。如1 9 6 5 年智利发生7 2 5 级 地震，致使1 2 座尾矿坝发生不同程度的破坏，造成2 7 0 人死亡，是世界上最严 重的尾矿灾难性事故。1 9 7 2 年2 月2 6 日，美国布法罗尼河尾矿坝溃坝，造成 1 2 5 人死亡，4 0 0 0 人无家可归。1 9 8 5 年7 月中旬，意大利s t a v e 尾矿坝溃坝，造 成3 0 0 人死亡。2 0 0 0 年1 月3 0 日，罗马尼亚乌鲁尔金矿废水大坝发生泄漏，1 0 万多升含有氰化物、铜、铅等重金属的污水流入多瑙河支流蒂萨河，污水流经 之处，所有生物一律暴毙。我国尾矿库的重大事故也时有发生【l 、5 、6 j 。如1 9 6 2 年9 月2 6 日云锡公司火谷都尾矿库发生溃坝，造成1 7 1 人死亡，9 2 人受伤，受 灾人口1 3 9 7 0 人。1 9 8 5 年8 月2 5 日，湖南柿竹园尾矿库发生溃坝，造成4 9 人 武汉理工大学硕士学位论文 死亡。1 9 8 6 年4 月3 0 日，安徽黄梅山铁矿尾矿库发生溃坝，造成1 9 人死亡， 1 0 0 人受伤。1 9 9 4 年7 月1 6 日，湖北省大冶有色金属公司龙角山铜矿由于暴雨 冲刷，尾矿库溃坝，死亡2 8 人，失踪3 人。2 0 0 0 年1 0 月1 8 日，广西南丹县大 厂镇酸水湾的鸿图选矿厂尾矿库突然塌坝，造成2 8 人死亡，上百座房屋被毁。 2 0 0 6 年8 月1 5 日，山西省太原市娄烦县新阳光选矿厂、银岩选矿厂尾矿库溃坝， 导致7 人死亡，受伤2 1 人，直接经济损失约2 0 0 万元。2 0 0 8 年9 月8 日，山西 省临汾市襄汾县新塔矿业公司尾矿库由于没有任何排水设施致使坝体溃决，造 成2 7 2 人伤亡，千余人受灾。 尾矿坝的溃坝与滑坡事故都会给国家和人民造成巨大的经济损失，而绝大 多数的尾矿坝失事事故均与水有关，因此，水的存在使得尾矿坝工程的岩土力 学问题更加复杂。如果不能很好的解决渗流问题，将会严重威胁尾矿坝的稳定 性，一旦溃坝将导致不可估量的损失。因此，开展尾矿库不同工况下的渗流场 研究以及稳定性分析具有重要的工程意义及理论价值。 1 2 国内外研究现状 在尾矿技术起步之初，由于尾矿库不是用来储水的，并且坝体高度增加缓 慢，没能引起专家和学者的足够重视。后来出现了大型尾矿库的溃坝失事事故， 给人们的生产和生活造成了极大损失，在此之后尾矿技术才逐渐受到重视，尾 矿技术于1 9 7 6 年得到国际大坝委员会的承认。 对于被广泛采用的湿法堆积尾矿坝，主要包含渗流控制与坝体边坡稳定性 两方面的内容，其中渗流对坝体边坡稳定性起着重要的控制作用。下面从渗流 场计算和边坡稳定计算两个方面分别阐述其研究现状。 1 )饱和一非饱和渗流研究现状 法国工程师d a r c y ( 1 8 5 6 ) 通过长期试验得出水流通过均质砂的渗流规律， 建立了著名的d a r c y 定律，为渗流理论的发展奠定了基础。 r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 将d a r c y 定律推广到了非饱和渗流中并建立了水相流所 满足的r i c h a r d s 方程，自此之后人们才开始了非饱和渗流的研究。随后，基于 r i c h a r d s 方程，饱和一非饱和渗流得到了更为深入的研究，并成功地应用到许多 实际工程中。 随着计算机技术的发展，对非饱和渗流的求解从理论上的精确解发展到数 值方法。有限差分法、有限单元法和边界元法等数值方法，在渗流分析中得到 2 武汉理工大学硕士学位论文 了愈来愈广泛的应用。 以往运用数值方法分析渗流问题时，一般是在自由水面以下的饱和区内进 行计算研究。由于这种方法需要试求每个时段相应的自由水面边界，过程较为 繁琐，并且没有考虑自由水面以上的非饱和区内孔隙水压力的情况，因此无法 全面真实地反映渗流场。国外从7 0 年代开始把非饱和区内的渗流加入到渗流场 的分析之中，即把非饱和区和饱和区放在起进行分析。饱和区与非饱和区的 分界面即自由水面是零压力面，压力水头在饱和区为正值，在非饱和区为负值。 这样便不再有自由水面边界，使计算过程和程序处理简化。 在饱和一非饱和渗流问题的数值模拟方法中，较为常用的是有限差分法和有 限元法。在有限差分数值模拟方面：r u b i n l 7 】( 1 9 6 8 ) 研究了二维饱和一非饱和渗 流，给出了r i c h a r d s 控制方程的有限差分法数值解。f r e e z e t s 】( 1 9 7 1 ) 对地下含 水层的饱和一非饱和非稳态渗流展开了研究，并给出了数值解法。r e m s o n 掣明 ( 1 9 7 1 ) 出版了专著地下水文学的数值法，对1 9 7 0 年以前关于饱和一非饱和 渗流的有限差分法研究作了较为全面的回顾和总结。 在有限元数值模拟方面：n e u m a n 【l o 】( 1 9 7 3 ) 首先提出了用有限元法求解土 坝饱和一非饱和渗流问题。后来，赤井浩一【l l 】( 1 9 7 8 ) 在n e u m a n 的基础上进行了 深入的研究，考虑了土水特征曲线吸湿和脱湿对饱和非饱和渗流的影响，做了 砂槽模型试验并对该模型用有限元方法进行了模拟，两者对比结果基本吻合。 目前，饱和非饱和渗流的有限元法在堤坝和边坡的渗流分析中应用较为广泛。 张丙印等【l2 】( 2 0 0 2 ) ，朱京义等【13 】( 2 0 0 2 ) 考虑了土体孔隙中水相和气相 之间的相互影响，进行了两相流分析。从理论上来讲，考虑孔隙中气相和水相 流动之间相互影响的两相渗流分析方法是全面的，但在实际计算分析过程中一 些物理参数难以通过试验确定，尤其是在非饱和非稳定渗流方面，朱学愚掣1 4 】 ( 1 9 9 4 ) ；吴梦喜【l5 】( 1 9 9 9 ) 假设孔隙气压力处于大气压力状态，将非饱和渗流 与非稳定渗流结合起来。一般渗流场分析常用的数学模型有两类，一种是以含 水量为变量，另一种是以孔隙水压力为变量。分析渗流场时通常假定非饱和区 中气流畅通无阻，孔隙气压力等于大气压力，并且对水相流动没有影响。 黄俊、苏向明等【l6 1 ( 1 9 9 0 ) 采用伽辽金有限元法编制了简单可行的计算程 序s u s e d ，并以唐山陡河土坝为实例，对其进行了三维饱和一非饱和渗流计算。 张家剔1 7 】( 1 9 9 4 ) 建立了饱和非饱和稳态渗流场的数学模型，通过与赤井 浩一砂槽模型试验的对比验证了该模型，并对土坝饱和非饱和渗流模型与传统 的饱和渗流模型的分析结果进行了比较。 武汉理工大学硕士学位论文 柴军瑞、仵彦卿【18 】( 1 9 9 7 ) 以均质土坝为对象，考虑了渗流场与应力场相 互作用的影响，建立了渗流场与应力场耦合分析的数学模型，并讨论了该模型 的有限元数值解法。 毛昶熙【19 】( 2 0 0 3 ) 出版了渗流计算分析与控制专著，在渗流分析与控 制领域开展了全面系统的研究。 谭新、陈善雄、杨明1 2 0 ( 2 0 0 3 ) 针对降雨时不同雨型下边坡的渗流场进行 了饱和非饱和渗流场分析。研究结果表明，初始渗流场和初始含水量对降雨入 渗过程影响明显。 尹光志、余果等【2 1 】( 2 0 0 5 ) 结合龙都尾矿库实际工程，探讨了干滩长度、 初期坝透水性以及不同的降雨量等因素对细粒尾矿库渗流场的影响，得出了不 同工况下尾矿库的渗流规律，并对尾矿库的稳定性进行了分析。 路美丽、崔莉 2 2 】( 2 0 0 6 ) 对复杂断面和地形的尾矿坝进行简化，建立了三 维渗流数学模型，并结合实际工程进行了数值计算，计算结果与试验结果较为 吻合。 秦华礼、马池香【2 3 】( 2 0 0 8 ) 阐述了尾矿库工程中水作用于坝坡的两种途径， 并以尾矿坝的滑坡灾害为例分析了水对尾矿坝稳定性的影响以及作用机理。 徐晗、许凯等例( 2 0 0 8 ) 根据磷石膏渣坝渗流场的分布特征提出了新的排 渗设施布置方案，即在初期坝上游坡面以及库内堆积磷石膏底部设置排渗棱体。 通过对比计算，结果表明该措施对降低浸润线和提高边坡稳定性效果明显，而 且该体系经济合理，具有工程实用意义。 就目前的研究现状来看，对尾矿坝进行系统的饱和非饱和渗流场分析的相 关研究还不多见，尤其是对磷石膏尾矿坝内渗流场的研究更为少见。渗流控制 计算是磷石膏尾矿坝设计的重要环节，影响到整个坝体的稳定性。因此，系统 地研究磷石膏尾矿坝的渗流场分布特征及其影响因素意义重大。 2 )边坡稳定研究现状 一直以来，边坡稳定分析都是岩土工程中一个重要的研究课题。目前，边 坡稳定分析的定量计算方法有：条分法、数值分析法、可靠度方法、塑性极限 方法和模糊数学方法等。由于条分法模型简单适用性广，也经历了许多工程实 践的验证和完善，因此，条分法是边坡稳定性分析中应用最广泛的重要方法。 h h u l t i n 和p e t e r s o n t 2 5 1 ( 1 9 1 6 ) 提出了最初的条分法基本概念，假定滑动面 是接近圆柱面的曲面，不考虑土条间作用力，抗滑系数为滑动面上全部抗滑力 矩与滑动力矩之比。 4 武汉理工大学硕士学位论文 w f e l l e n i u s t 2 6 1 ( 1 9 2 7 ) 提出瑞典圆弧法，将最初的圆弧法推广到了兼有摩 擦力和粘聚力的土体稳定性计算中，并通过大量试算总结了确定危险滑动面圆 心的经验方法。 b i s h o p t 2 7 1 ( 1 9 5 0 ) 改进了传统的f e l l e n i u s 法，并将强度指标的储备作为安 全系数f 的定义，即将土的抗剪强度指标降低为c t v 和殷m p f 。 j a n b u i z s ( 1 9 5 4 ) 提出了非圆弧普遍条分法，滑动面任意，并假定了土条之 间推力作用点的位置，使得问题得到比较合理的解决。 陈祖煜与m o r g e n s t e r n t 2 9 】( 19 8 3 ) 对m o r g e n s t e r n p r i c e 法做了改进，解决了 该方法中数值分析的收敛问题，并降低了对土条所受的侧向力进行假定的随意 性。 毛昶熙即3 1 1 阐明了土坡整体稳定性分析与控制中的滑动面、水力条件以及 渗流控制措施，并分析了渗流作用下的土坡稳定性。 对尾矿坝工程而言，渗流场和稳定性之间的联系非常紧密。近年来，把边 坡的渗流场和稳定性相联系的方法成为分析热点。研究的主要方面包括库水位 变化、降雨入渗等对边坡稳定性的影响。 陈守义等3 2 3 3 1 ( 1 9 9 7 、1 9 9 9 ) 提出了一种考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定 性分析方法，通过数值计算方法得出任意给定入渗和蒸发边界条件下斜坡土体 的瞬态含水量分布情况，并假设非饱和土的抗剪强度与饱和度之间存在一定的 函数关系，据此将斜坡土体的瞬态含水量分布换算为瞬态抗剪强度参数分布， 在此基础上，使用常规土坡稳定分析方法计算土坡瞬态安全因数，从而使这一 复杂的耦合问题得到解答。该方法在求斜坡非饱和土体瞬态含水量分布时，采 用的是r i c h a r d s 控制方程，在数值求解中采用的是积分有限差分方法，并分别 推导了以体积含水量和负压水头为因变量的积分有限差分方程。 罗晓辉，白世伟等例( 2 0 0 4 ) 基于b i s h o p 条间力的假定原理，提出了一种 分析条间孔隙水压力的新方法，并用于分析尾矿坝在渗透作用下的静力稳定性， 确定最小稳定系数。 魏宁等【3 5 】( 2 0 0 6 ) 研究了降雨入渗和蒸发对边坡稳定性的影响，结果表明 边坡表层稳定性受降雨入渗和蒸发的影响非常大，而深层稳定性受到的影响较 小。 谢罗峰，段祥宝【3 6 】( 2 0 0 9 ) 考虑了水位下降所产生的非稳定渗流的边坡稳 定模型试验，探讨水位下降与边坡稳定之间的联系。结果表明，渗流方向是一 个关键因素，水位降落时渗流向上游方向，此时的安全系数低于其他渗流情况 武汉理工大学硕士学位论文 的结果。 对于磷石膏尾矿坝而言，将渗流场计算与稳定性分析联系起来的研究还不 多见。由于磷石膏具有结晶特性、一定的化学反应、高压强度软化和动力液化 等特性，以及磷石膏库对排渗设施要求较高等特点，磷石膏尾矿坝与金属矿山 尾矿坝的稳定性分析既有相同点又有区别。因此系统地研究磷石膏尾矿坝在不 同渗流场作用下的坝坡稳定性及其影响因素具有重要意义，又是非常必要的。 1 3 本文的主要研究内容 本文依托湖北大峪口化工有限责任公司磷石膏库勘察与稳定性评价项目， 开展尾矿坝渗流场与稳定性分析研究。采取现场勘探、室内试验、理论分析和 数值模拟相结合的研究手段，针对尾矿坝渗流场与稳定性分析开展系统研究， 以揭示尾矿坝渗流场和尾矿坝边坡稳定性的规律。主要研究内容如下： 1 ) 简述尾矿坝的堆积方法和特征，进行现场勘探和大量的室内物理力学性 质试验，评价磷石膏和坝体材料的工程特性。 2 ) 介绍饱和一非饱和渗流计算的基本理论。阐述土一水特征曲线和渗透性函 数的重要意义，并介绍它们的确定方法。基于饱和非饱和渗流理论，建立针对 尾矿坝特征的饱和一非饱和渗流模型。开展不同条件下渗流场的数值模拟，重 点探讨干滩长度、磷石膏透水性、渗透系数各向异性以及排渗设施淤堵等诸多 因素对坝体浸润线的影响规律。 3 ) 在饱和非饱和渗流场计算的基础上，进行尾矿坝坝坡稳定性分析。对正 常运行和洪水运行两种工况进行稳定性分析，并且考虑尾矿坝中排渗设施的淤 堵程度，对整个坝体进行稳定性评价。重点分析干滩长度、磷石膏透水性及其 各向异性、堆积坝高度以及排渗设施的淤堵等几种因素对尾矿坝稳定性的影响。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章尾矿坝工程地质特性及材料基本性质 2 1 尾矿库与尾矿堆积坝的形式 本文的研究对象为大峪口磷石膏尾矿库。磷石膏作为尾矿坝材料的主要组 成部分，其物理力学性质决定着坝体浸润线位置和稳定性。后期子坝是由库内 磷石膏压实建成的，因此磷石膏的性质还关系到后期子坝的安全与运营状况。 正确地认识筑坝材料，特别是磷石膏的物理、力学性质，对磷石膏尾矿坝是非 常重要的。 磷石膏的物理、力学性质与其本身的化学成分直接相关，还与尾矿库的类 型、尾矿的贮放方式以及磷石膏在库内的沉积特征等有关。现将尾矿库主要类 型及尾矿的贮放方式进行介绍。 2 1 1 尾矿库的类型 尾矿库作为堆存尾矿的场地，通常是由堤坝围截建成的，并设有排水设施 以排出库中雨水和尾矿澄清水。尾矿库可分为三种类型，其特点见表2 - 1 。 表2 - 1 尾矿库的类型及特点踟 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 山谷型尾矿库 图2 - 2 山坡型尾矿库 2 1 2 尾矿堆积坝的形式 图2 3 平地型尾矿库 尾矿堆积形式分为干法堆积和湿法堆积两种。目前，湿法堆积形式被普遍 采用，即采用尾矿库的形式来贮存尾矿。尾矿堆积坝( 又称后期堆积坝) 是指 用尾矿本身堆积而成的尾矿堆积体。图2 4 概括了堆积坝的型式与堆坝方法的关 武汉理工大学硕士学位论文 系。 兰至萋蓁兰二 ) 旋流器堆积法 图2 4 堆积坝的型式及堆积方法 上游法堆积的堆积坝、下游法堆积的堆积坝和中线法堆积的堆积坝的工艺 图如图2 5 2 7 所示。 图2 5 上游法尾矿堆积坝工艺图 图2 - 6 下游法尾矿堆积坝工艺图 图2 7 中线法尾矿堆积坝工艺图 2 1 3 尾矿坝堆积特征 初期坝一般用当地土、石筑成，因地制宜，后期堆积坝是用尾矿筑成的。 图2 8 表示了库内尾矿沉积情况。一般尾矿坝堆积速度约为每年抬高3 5 米，坝 9 坝 坝 坝 积 积 积 堆 堆 堆 的 的 的 坝 坝 坝 堆 堆 堆 法 法 法 游 游 游 上 中 下厂，、r、l 坝积堆 壁墅里三奎翌堂垡堡塞 尊逐渐抬高，库内水位和坝体内的浸润线也随之抬高，在此过程中尾矿的力学 竺竺半! 断发生变化。尾矿颗粒的沉积是伴随矿浆自然流动分选形成的，因此 量! ! 粗颗粒沉积在坝前，细颗粒由于所需沉积时间较长，距离初期坝较远。 尾矿库内土颗粒分布大致呈以下规律：上粗下细、坝前粗库内细。另外，尾矿 颗粒在库内的分布还受尾矿的粒度、流速、浓度、流量等影响。 图2 - 8 尾矿库内尾矿沉积示意图 2 2 尾矿坝工程地质特性 井 。、。曹j 进一步了解尾矿坝的工程地质特性，对包括大峪口磷石膏库大坝及其 宁謦地带且垂直于坝轴线的勘探线上的土体进行重点勘察。通过标贯试验和静 力触探试验，对尾矿坝土体的工程地质特性进行分析。 2 2 1 尾矿库工程概况 本文依托湖北大峪口化工有限责任公司磷石膏库勘察与稳定性评价项目， 开展尾矿坝渗流场与稳定性分析研究。大峪口磷石膏库位于素有“中原磷都， 美誉的湖北省钟祥市胡集镇境内，距离胡集镇城镇西北约6 k m 。该尾矿坝位于 夸峪口矿肥结合工程指挥部西北约5 k m 、磷化工公司以南约2 o 蛔、白云变电站 北1 嘶n 处的黑冲沟内。该尾矿库所处地区地震基本烈度小于度。大峪口磷 石骨尾矿坝的平面图见图2 - 9 。 大峪口磷石膏库初期坝为堆石坝，坝顶高程1 6 5 o m ，坝底高程1 3 7 嘶，最 大坝高2 8 o n ；在高程1 5 0 m 设宽2 m 的马道，马道以上上游坡坡比为1 ：1 8 ， f 游边坡坡比为l ：2 ，马道以下上游坡的坡比为l ：2 ，下游边坡坡比为1 ：2 2 ； 坝 页宽5 m ，坝轴线长2 6 5 m ；上游坝坡面构造由内到外依次为：堆石坝体 砂砾石、碎石垫层土工布一0 c m 厚砂砾石垫层3 0 c m 干砌石护坡，下 掌坝面亦设厚3 0 c m 干砌石护坡。后期堆积子坝采用磷石膏压实筑成，子坝坡之 为1 ：2 ，高为5 m ，总体坡比为1 ：4 4 3 。本磷石膏库排渗系统由库底布置宽度 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 为1 2 0 m ，长度为1 5 0 m 的排渗褥垫与沿坝轴线方向间距为2 0 m 的水平排渗沟联 合组成新型排渗系统，该排渗系统可以很大程度上降低堆积坝中的浸润线。 磷石膏堆积坝截止目前坝顶标高已达1 8 0 m ，最终设计标高为2 2 0 m ，高度 介于设计坝高的1 2 、一2 1 3 。按尾矿库设计规澍3 砚及尾矿库安全技术规程3 9 1 的有 关规定，应对尾矿坝进行一次全面的勘察，评价现有坝体及最终坝体的稳定性， 确定相应的技术措施。 本次勘探查明尾矿库目前运行的情况为干滩长度约3 0 0 米，沉积滩坡度为 0 。7 l 。坝区无断裂构造带通过，坝坡面均未发现有水流出逸和沼泽化现象。 从大坝建成至今的运行情况看，尾矿堆积坝投入使用以来是稳定的。 为了全面掌握尾矿坝的运行情况，进行了现场勘探，并取回大量的原状样 和扰动样进行室内试验测定土层的物理力学特性。由此得到尾矿坝的工程地质 特征，并为尾矿坝渗流场计算和稳定性分析提供可靠的土层特性参数。 盟旧世奄嗖怔篷口磐k a 式圃 仪智遥扑串匿扑kh剐璐督 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 勘探取样 大峪口磷石膏尾矿库勘探取样选定的代表区域位于尾矿坝初期坝体与尾矿 库内部，考虑到放矿位置及方式对尾矿堆积体组成的影响，共布置了5 条垂直 于坝轴线的勘探线，分别在不同高程布置了勘探点。具体布置位置见图2 - 9 ，典 型地质2 27 剖面图见图2 1 0 。 本文中尾矿坝共布置4 0 个勘探点，其中钻孔2 0 个、静力触探孔2 0 个。勘 察方法采用机械岩芯钻探、钻机采用x y 一1 型钻机施工，钻探方法为回转式钻探， 现场进行标准贯入试验、静力触探试验、现场取样，进行室内土工试验并配合 地质调查等方法和手段进行。 钻探取样时发现，库内堆积尾矿的钻孔土样基本上呈青灰色或灰色，不同 层位无明显的颜色差别，没有软弱夹层，而且土样较均匀。 寸一 匦恒蘼峰舞醛-工一文。一文匝 仪秘g扑书匿扑h尉塔留 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 标准贯入试验 标准贯入试验可评价尾矿砂的密实程度。本文勘察共完成标准贯入( n 6 3 5 ) 试验的详细数据见表2 2 。从表2 2 可知，尾矿砂主要呈中密或稍密状态。 表2 2 标准贯入试验成果表 注：其中尾矿砂的密实状态参照上游法尾矿堆积坝工程地质勘察规范 ( y b j l l 8 6 ) 。具体标准：n 6 3 5 4 ，松散；4 n 6 3 5 1 0 ，稍密；1 0 n 6 3 5 3 0 ， 中密；3 0 n 6 3 5 ( 蟊。一u w ) 6 式中：刁为与孔隙尺寸有关的系数。 b r o o k s 和c o r e y 对刁的取值为r = 2 + 3 2 。该公式同时考虑了进气值和孔隙 尺寸对渗透性函数的影响，后来被广泛应用。 ，6l务k 、肋、 “ 咖 - - 如 以，j、，- 、l，、l， - ，j 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 尾矿坝渗流计算参数 本文对尾矿坝进行饱和一非饱和渗流计算时，也必须已知土水特征曲线以及 渗透性函数这两个重要参数。本文中土水特征曲线是根据文献 5 0 】的方法，由 各层土的颗粒级配曲线和相关物理性质指标推求以及同类土的类比得到的；渗 透性函数是根据文献 4 8 】和 5 6 】的方法由各层土的土水特征曲线和饱和渗透系 数推算求得的。推算两个重要参数所需要的资料详见第二章中磷石膏颗粒分析 曲线以及渗透性试验测得的渗透系数。推求的磷石膏粉砂和坝基粘土的土水特 征曲线和渗透性函数如图3 3 3 1 0 所示。 9 c 盘m ( k p a 、 图3 - 3 磷石膏粉砂土水特征曲线图3 - 4 磷石膏粉砂渗透性函数 图3 5 子坝土一水特征曲线图3 - 6 子坝渗透性函数 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 7 坝基粘土( i ) 土水特征曲线图3 8 坝基粘土( i ) 渗透性函数 图3 - 9 坝基粘土( i i ) 土- 水特征曲线图3 - 1 0 坝基粘土( i i ) 渗透性函数 3 3 磷石膏库排洪系统分析 3 3 1 洪峰流量与洪水总量计算 按设计规范3 8 1 规定，尾矿库的防洪标准应根据不同使用期尾矿库的等别， 综合考虑库容、坝高、使用年限以及对下游可能造成的危害等因素，按表3 1 确 定。 表3 - 1 尾矿库防洪标准 大峪口磷石膏尾矿坝目前的坝顶高程为1 8 0 m ，坝高为2 4 5 m 。目前该尾矿 库为i i i 级库，洪水标准为2 0 0 年一遇设计，5 0 0 年一遇校核，即洪水计算中设计 频率为p - - - 0 5 ，校核频率为p = o 2 。 3 3 武汉理工大学硕士学位论文 大峪口岭石膏库排洪系统主要采用井一隧道排洪系统，并在2 2 5 m 高程设置 截洪沟，可以有效地减少洪水流入库内。本章中调洪演算考虑了两种条件，分 别来验算磷石膏库排洪是否满足规范要求。第一种条件是考虑截洪沟作用，另 一种条件就是截洪沟失效。 洪峰流量计算所采用的基本公式为： 铱= 击( 1 一手纠考尸 ( 3 2 2 ) 式中：p 。设计频率为p 的洪峰流量，m 3 i s ； 产流历时内流域入渗率的平均值，m m h ； 频率为p 的暴雨雨力，m m h ； f 流域汇流经历时长，h ； 力暴雨递减指数： ，坝趾以上的汇水面积，k m 2 。 有关参数的取值是参照湖北省水文手册，并结合大峪口磷石膏尾矿库工 程水文资料加以修正，具体如下： 最大日平均降雨量h z 4 = 1 0 6 m m ； 暴雨递减指数：t 1 时，n 2 - - 0 7 2 ； 变异系数e = o 5 2 ，离差系数e = 3 5 e ； 汇流参数m - - 0 8 ，流速系数= o 5 。 该尾矿库库区汇水面积可由地形图得到，截洪沟正常工作时汇水面积为 0 5 7 k m 2 ，截洪沟失效时汇水面积为1 1 8 k m 2 。 = ( 1 一) 等 ( 3 - 2 3 ) h 2 4 。= k p h z 4 ( 3 2 4 ) 式中：锡。降雨时长为2 4 小时的迳流系数，查尾矿设施设计参考资料 中表3 - 5 可得呸。- - 0 8 5 ； h 2 4 ，降雨频率为户时2 4 小时的降雨量，i l l m ； 日m 年最大2 4 小时降雨量均值，m m ，可查当地水文手册； k 。模比系数，查尾矿设施设计参考资料中附表i 可得： 武汉理工大学硕士学位论文 由g - - o 5 2 ，乞= 3 5 e ，p = 0 5 查表得到k p = k o 肌= 3 1 7 ； 由c ，- - - 0 5 2 ，c = 3 5 e ，尸= o 2 查表得到k ，= k o 2 = 3 6 2 ； 由c ，- - - 0 5 2 ，c = 3 5 e ，p - - 0 1 查表得到k p = k o 1 = 3 9 5 。 当尾矿库内水面面积不超过流域面积的1 0 时，可按全面积陆面汇流计算， 否则，水面和陆面面积的汇流应分别计算。洪水总量计算所采用的公式为： = 1 0 0 0 q h 妒f = 1 0 0 0 ( q 日舻+ 日舻只) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 式中：频率为p ，历时为t 的洪水总量，m 3 ； 日。频率为p ，历时为t 的降雨量，m i l l ； 与历时t 相应的洪量迳流系数； n 水面面积，k m 2 ； e 陆面面积，k m 2 。 根据式( 3 2 0 ) - - - ( 3 2 4 ) 与上述参数进行洪峰流量与洪水总量的计算，计算 结果如表3 2 所示。 表3 2 洪峰流量与洪水总量计算结果 从该磷石膏库的库区地形图可得到库水位高度h 与水面面积s 之间的关系， 如下表3 3 所示： 表3 - 3 库水位与水面面积 防洪库容量可由下式算得： 3 5 武汉理工大学硕士学位论文 v = ( 墨+ s 2 ) 日2 ( 3 2 7 ) 式中：s 起始水位时的水面面积； s ：计算水位时的水面面积。 由此可得出尾矿库调洪库容曲线，如图3 - 9 所示( 其中相对水位表示洪水水 位距假定的正常水位之间的高差) 。 1 7 9 o 1 7 8 5 桨 。1 7 0 魁 * 1 7 7 5 1 7 7 0 o5l o1 5 2 02 53 0 库容( 万立方米) 图3 1 l 相对水位及库容关系曲线图 由图3 1 1 可知：当职。= 1 7 2 3 7 8 3 m 3 时，对应的水位为1 7 8 4 m ；当 职。= 1 9 6 8 4 8 3 6 m 3 ，对应的水位为1 7 8 5 m 。规范要求i i i 级库的最小安全超高为 0 7 m ，若尾矿堆积坝坝顶高程为1 8 0 m ，则对应的调洪水位应为1 7 8 3 m 。因此， 当截洪沟作用时，洪水频率为p - - o 5 和p - - o 2 的两种情况下，尾矿库水位均 高于规范要求的调洪水位，即一日洪水总量职。均大于规定的调洪库容。按设 计规洲3 8 】规定，若尾矿库一日洪水总量大于调洪库容，需进行调洪演算，具体 调洪演算见下节。 3 3 2 洪水过程线 概化多峰三角形洪