上游式尾矿堆积坝浸润线计算探讨.doc

上游式尾矿堆积坝浸润线计算探讨一、 前言根据选矿厂尾矿设施设计规范（ZBJ1-90）(下简称尾矿规范)规定，尾矿坝设计必须进行渗流计算。渗流计算的目的是提供各种工况的浸润线、逸出渗透坡降和渗透流量，以供分析坝坡静力（动力）抗滑稳定性和渗透稳定性，确定排渗设施的结构断面。对渗流计算的方法，尾矿规范提出：1、2级山谷型尾矿坝应按三维计算或由模拟试验确定；3级以下尾矿坝应按附录三进行；渗流计算中要考虑尾矿滩面放矿水流的影响。首先应指出，尾矿堆积类型除上游式外还有中线法和下游式（包括一次筑坝法），规范提出的浸润线计算方法仅针对上游式是因为上游式尾矿库占我国尾矿库总数的绝大多数，本应是规范的重点，同时中线式尾矿库因下游坝体是旋流分级的粗尾砂，颗粒较均匀，渗透系数大，坝基设置可靠的排渗层，浸润线基本上在排渗层内。而下游式或一次筑坝的尾矿库，尾矿不堆坝，堆存尾矿的浸润线对基本坝体的安全已不重要。其次，尾矿库的类型除山谷型外，还有傍山型和平地型，它们与山谷型的区别就是堆积坝体浸润线面的前沿宽度与下游逸出宽度基本一致，不存在山谷型尾矿库平面上渗流集中的三维问题。尾矿规范通过化引滩长和化引库水位仅解决滩面放矿水流的问题。既然着重提出山谷型尾矿库就必然有三维计算问题，关于三维计算是否必须进行，未要求论证。第三，上游式尾矿库以中、低浓度放矿时，滩面（包括水下）尾矿沿程自然分级，按平均粒经大小，渐变形成尾中砂、尾细砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土。因其物理力学指标有明显变化，可以进行概化分区。上游式尾矿库尾矿排放按规定在堆积坝轴线长度上定间距轮流进行均匀放矿，实践早已证明，均匀是相对的，即使在放矿口间距范围相对于放矿口仍是集中放矿，矿浆进入滩面，迅速成为毫米级厚度薄层流体，由于放矿顺序、放矿时间、每次堆积高度、滩面水流的游弋，都有一定的随意性，尾矿各土层必然会普遍形成毫米级年轮状夹层和局部较厚层的粗、细透镜体。各工程勘察结果表明，各尾矿土层水平渗透系数Kv和垂直渗透系数Kh之比一般在210之间，尾矿自然分级各类土层中，较粗粒尾砂和较细粒尾砂其比值较小，在26之间，而中粒尾砂其比值在510之间。尾矿库堆积坝体普遍存在的各向异性和难以预料的透镜体存在是不同于常规碾压土石坝的明显特点，大大增加了浸润线计算的复杂性。尾矿规范推荐采用二维均质渗流计算方法，存在商榷之处。二、 二维均质渗流浸润线计算方法现以简单案例说明尾矿规范推荐的二维均质浸润线计算方法。设某库初期坝为透水堆石坝，坝顶标高30.0m，坝高30.0m，上游坝坡1：1.8，尾矿堆积坝坝坡1：5.0，最终堆积坝顶标高100.0m，干滩长度400m，平均沉积滩坡度1，正常库水位96.0m，为尽早形成沉积滩，1#进水口标高14.0m，故认定初期坝上游15.0m以上排渗层可以长期有效排渗（顺便说明，目前国内不少透水堆石坝，因没有控制初期坝的渗水，大量细颗粒渗出污染环境达0.53个月，淤堵反滤层，导致尾矿堆高后，透水堆石坝失去滤水功能，初期坝顶出现沼泽化）。具体尾矿堆积坝结构如图1：图1.尾矿堆积坝结构图根据尾矿规范附录三的方法，放矿水按覆盖绝大部分滩面考虑，计算公式和结果如下：化引滩长：化引库水位：计算水头：渗透长度：坝体单宽流量： 浸润线方程：浸润线截距：逸出高度：下游坝坡浸润线埋深计算表表1-x(m)050100150200250300323y(m)9.2331.7543.9553.4261.4668.5674.9977.76浸润线标高（m）24.2346.7558.9568.4276.4683.5689.9992.77坝坡标高（m）35.445.455.465.475.485.495.4100.0浸润线埋深（m）11.17-1.35-3.55-3.02-1.061.845.417.23注：当堆积坝坡变化后，下游坝坡浸润线埋深会发生变化。坝体单宽流量： 尾矿规范要求从下游坡浸润线上的端点（x=323.0m，y=92.77m）至计算库水位水边线（x=723.0m，y=96.0m），用对数曲线连接成光滑曲线。对数曲线：当x=1.0m，y=0.0m，当x=401.0m，y=96.0-92.77=3.23m，故图2.滩面段浸润线计算示意图故列表计算表2-x(m)1.051101151201251301351401LogX01.7082.0042.1792.3032.4002.4792.5452.603y(m)02.1192.4862.7032.8572.9783.0763.1583.230浸润线标高（m）92.2794.8995.2695.4795.6395.7595.8595.9396.00尾矿规范对尾矿堆积坝的总渗透流量计算未予明确，即宽度取坝前滩长还是起始计算轴线处长度不明。因采用化引滩长，已考虑对下游坝坡浸润线的影响，则可采用起始计算轴线处的坝轴线长度。从下游坝坡浸润线埋深计算表可以看出，即使透水堆石坝上部15m有效排渗，仍发生大面积浸润线逸出，尾矿规范第3.3.1条中提到“浸润线逸出的尾砂堆积坝，应设反滤保护。”应该指出，在碾压式土石坝设计规范中，对浸润线逸出的坝坡，可设置贴坡反滤进行保护。但对上游式尾矿库，坝体较松散，沉陷变形量大，若浸润线埋深较深，仅因透镜体夹层引起的浸润线逸出，渗透坡降小，可采用贴坡镇压反滤排渗，而对主浸润线的逸出范围，采用贴坡反滤结构往往构成重大安全隐患。因此我国现行尾矿库安全技术规程中第8.3条规定：坝体出现大面积沼泽化，应列为险库，必须采取有效工程措施，降低浸润线。目前构筑物抗震设计规范对尾矿库的浸润线、降深要求也进一步明确，不允许浸润线逸出。综上所述，不设置排渗设施的二维浸润线计算已没有工程意义，更没有必要进行三维渗流计算。三、堆积坝体内排渗设施布置尾矿库内埋设的排渗设施按功能可划分为：1.加快渗透固结，提高尾砂强度，增加抗滑稳定安全性；2.加快排渗，降低浸润线，减小下滑渗透力；3.采用排渗设施允许渗透坡降大，防止被保护土层发生渗透破坏；利用坝体排渗设施的集渗、排渗功能，降低浸润线。目前集渗设施主要有四种结构形式。1）.土工席垫+软式透水管；2）.土工塑料盲沟；3）.土工布包卵、砾石盲沟；4）.上述材料组合体。排渗主要采用钢管或HDPE管。集渗设施埋设方法主要有二类：（1）.均匀布置，每隔一定高度在滩顶上游一定距离平行堆积坝轴线在滩面全长铺放；（2）.按比例布置：根据干滩长度随坝高而逐渐加长的规律，距滩顶的距离和排渗层高度按一定比例逐渐增大。a.均匀布置b. 按比例布置图3.排渗设施布置方案排渗设施布置，在安全第一的原则下，要节省工程投资。在库周不需要降低浸润线的区段不必设置排渗设施。由于在堆积坝体内全长分层布置排渗层，三维渗流问题已有效地转化为二维渗流问题。无需再按三维渗流来考虑。三、 各向同性坝体排渗层间浸润线计算集渗排渗设施要根据尾砂性质和稳定分析中浸润线的降深要求，布置在滩顶上游的距离宜在干滩长度1/41/2范围内，周围尾砂土层渗透性较好，层间高度宜控制在520m之间，现举例说明各向同性坝体排渗层间浸润线的计算方法。设尾矿堆积坝坡为1:5.0，集渗层布置在距滩顶150m处,两集渗层高差为10.0m，集渗层位于粉砂层内，Kh =Kv=3.7510-6m/s，上下游入渗水头均为a1，见图4。 图4.集渗层间浸润线计算示意图计算步骤如下：1）.确定集渗层坝坡埋深30.0m，层间高差H=10.0 m;2）.通过试算法，先假定a1值。则计算水头： 渗透长度：入渗水头：；当计算得a1与假定a1相同，则该a1即为所求。本例：a=1.25m3）.列表计算浸润线埋深：表3-x(m)01020304050y(m)1.255.157.188.7510.0811.25坝坡标高（m）30.032.034.036.038.040.0浸润线埋深（m）28.7526.8526.8227.2527.9228.75由上表可见，最小埋深为26.82 m4）.与坝坡稳定安全计算中满足规范要求的浸润线最小埋深相比较，若满足要求，则计算结束，若不满足要求，则重新确定集渗设施埋设深度和集渗层层间高差，直到满意为止。5）.计算排渗流量：100m渗水量：100m范围内排渗管一用一备，按0.5%压力坡降计算排渗管径。五、各向异性坝体排渗层间浸润线计算：计算条件同上，仅将各向同性坝体改为各向异性坝体Kv=3.7510-6m/s，Kh =53.7510-6=18.7610-6m/sKh/Kv =5.0，按水力计算手册（80版）进行流网转换：水平转换长度计算步骤如下：1）.假定集渗层坝坡埋深30m，层间高差H=10.0 m;2）.通过试算法，先假定a1值。则计算水头： 渗透长度：入渗水头：；当计算得a1与假定a1相同，则该a1即为所求。本例：a1=4.04m3）.列表计算浸润线埋深：表4-x(m)04.4728.94413.41617.88822.36y(m)4.047.249.4111.1712.6814.04坝坡标高（m）30.0032.0034.0036.0038.0040.00浸润线埋深（m）25.9624.7624.5924.8325.3225.96由上表可见，各向异性坝体浸润线最小埋深为24.59m，比各向同性的浸润线埋深26.82m抬升了2.23m，计算结果偏安全。各尾矿库要根据尾矿磨矿细度情况，选择合理的Kh/Kv进行计算。4）.同上例第4条，使集渗层埋设深度和层间高差满足抗滑稳定安全要求5）.计算排渗流量 可见，按各向异性计算的渗水流量远大于各向同性的渗水量，按100m长一用一备的来配置排渗管，压力坡降按0.5%计。六、关于浸润线的几个问题：1、如何确定浸润线位置：在多管式浸润线观测孔中，若分段设置观测管，往往管内水位不一致，那一个是反映坝体真实浸润线位置的。有一种观点认为因观测孔垂直向下与等势线斜交，故各测点反映的不是同一等势线。须知尾矿堆积坝坡较缓，一般为1:45浸润线一般与坝坡平行，按孔深40.0m计，等势线与坝坡垂直计，最大相差仅1.54m3.66m，实际流线与等势线均呈弧形且浸润线有一定埋深，故实际相差更小，而实测结果相差还要大些，此观点无法解释。其实因尾矿堆积坝中存在大量透镜体夹层，流网呈非均匀状态，测点在透镜体上游、下游、上方、下方、透镜体为粗粒、细泥各有不同影响。粗砂透镜体因连通上、下游不同等势位，对上游等势位有所削弱，而对下游等势位有所增强。细泥透镜体则可抬升其上的潜水位，而削弱其下的潜水位，其影响大小与透镜体大小有关，且主要是局部抬升渗透压力，而减压的效果因尾矿各土层KhKv故不明显。因此在多管观测孔中取其最低点水位作为主浸润线位置，在稳定计算中作适当调整，同时要根据其他水位来判断该浸润线的潜水影响，必要时采取工程措施加以治理。2、排渗层对垂直稳定渗流的影响：设土层结构如图：图5.排渗层影响示意图因稳定渗流。式中Hi-i土层渗透压力；可见，在K2土层顶部潜水位为3.90m，在K3土层顶部为8.90 m，而在排渗层顶面降为零。注意，本例中排渗层中的水位未超过排渗层的顶部，即可满足排渗要求，否则，因排渗水头要求，而减小了上部的渗透水头，则下渗流量亦将发生变化。但因K3土层渗透性小，各土层之间仍呈连续渗流。3、细泥层对垂直稳定渗流的影响：设土层结构如图（K2为细泥层）：图6.细泥层影响示意图设从上到下仍为稳定渗流：；可见，H2渗透压力明显不合理，本例为压力不连续渗流，导致渗透流量计算偏大。；水平渗流平均渗透系数：垂直渗流平均渗透系数：可见，由于K2细泥土层的隔渗效果，K1土层存在潜水位4.82m， K2土层存在非完全重力潜水位，呈饱和重力渗流；而K3土层无潜水位，呈非完全饱和重力渗流状态。由于尾矿堆积坝的渗流从渗流量来看，以水平渗流为主，故K3土层仍存在较高潜水位。13结论：上游式尾矿坝应根据坝坡抗滑稳定安全要求，提出坝坡浸润线最小埋深安全要求，该浸润线可平行平均坝坡，亦可根据各时期长度变化规律制定，即初期可浅些，中后期可深些。为满足浸润线最小埋深要求，在堆积坝体内渗透