尾矿坝汛期坝体浸润线监测预警值研究

尾矿坝汛期坝体浸润线监测预警值研究史松海(河北省安全生产监督管理局，河北石家庄050001)摘要，鉴于当前尾矿库在线监测系统中关于浸润线埋深预警值的选定上存在 困难，本文在已有研究基础上，结合浸润线在线监测系统，从坝体稳定性角度，分 析研究了尾矿坝坝体浸润线监测的预警值，提出了汛期尾矿库坝体最不利浸润线的 确定方法，将预警参数分为企业、县安监局、市安监局三级预警，并针对不同工况 确定三级预警参数，此研究成果可为在线安金监测系统的预警提供技术支持。关健词：尾矿库：浸润线：稳定性：在线监测：预警值Research on Earh-amii Value of Saturation Line Monitoring for TaiBngs Dam in flood seasonSHI Songhai(Hebei Administrator of Work Safety, Shijiazhuang, Hebei, 050001)Abstract: Given the selected difticulty on early-warning value of embedded depth of saturation line in the tailings dams on-line monitoring system, on the basis of existing research, combined with the saturation line on-line monitoring system, analyzed the early-warning value of tailings dam saturation line monitoring from the stability of the dam and put forward a determination method ibr the tailings dams saturation line under the most unfavorable conditions, early-warning parameters is graded into classes enterprise, county and municipal bureau of work safety, three-grade early-warning parameters arc determined according to different working conditions, and this research results can provided a technical support for the early-warning of the saturation line online monitoring system.Key words: Tailings dam; Saturation line; Stability; On-line monitoring; Eariy-waming valueI引言尾矿库是矿山的主要危险源，国家和矿山企业都非常重视尾矿库的安全问 题，而尾矿坝是尾矿库的主要构筑物。尾矿坝的浸润线是尾矿库的生命线，也 是评价尾矿坝稳定状况的一项重要的基础资料。尤其在汛期洪水情况下，随作者简介：史松海（1969- ）, 55, .1：程师.法律专业.研究方向为尾矿库安全管理 着库内水位的迅速上升，坝体浸润线将迅速抬升，坝体稳定性将迅速下降，研 究表明，浸润线每升高1.0m,可使坝体稳定系数减少0.05左右，甚至更多。 由此可见，坝体浸润线的高低直接影响着尾矿坝坝体的稳定性。因此，需对坝 体浸润线进行密切监测，以便及时了解掌握尾矿坝的安全状态，采取应急措施。针对浸润线的监测有常规观测和在线监测。常规观测是在坝体内布设观测 孔，采用人工定期进行观测，汛期增加观测次数，而在线监测则是近年来兴起 的尾矿库在线监测系统的一种，是利用传感器技术、信号传输技术，以及网络 技术和软件技术，从宏观、微观相结合的全方位角度，来监测坝体浸润线埋深， 记录历史、现在的数据，分析未来的走势。当前尾矿库浸润线在线监测存在的问题是浸润线埋深多高时预警合理。尾 矿坝浸润线预警指标的确定和应用是推广“在线监测”系统的当务之急，不解 决这一问题，预警的目标也难以实现。有些文献虽然从理论上分析了浸润 线对尾矿坝稳定性的影响，如文献4分析了库区水位急剧变化时坝体浸润线的 变化规律及其对尾矿库坝体稳定的影响，并指出在库水位急剧下降的过程中， 存在一个最危险的水位，该水位的坡体稳定系数最小，建议在工程中以此作为 校核点：文献5通过室内堆坝模型试验，获得洪水状态下坝体浸润线的变化规 律，并以堆坝模型试验测试结果为基础，采用极限平衡法对该尾矿坝的稳定性 进行了计算，获得了尾矿坝在不同工况下的稳定性结果：文献6采用GEO- studio软件中的SEEP/W模块和SLOPEAV模块对某尾矿坝不同库水位工况下渗 流场进行模拟，分析比较了浸润线高低对于坝体稳定性的影响。文献7分析了 浸润线深度对尾矿坝稳定性的影响，文中假定三种平均坡度，四种浸润线深度， 对尾矿坝的抗滑稳定性进行了模拟分析，结果发现平均坡度对尾矿坝的稳定性 影响显著，尾矿坝的整体抗滑稳定系数随平均坡度的减小逐渐增大，在平均坡 度相同的前提下，浸润线深度自5m增加至10m的区间内，浸润线每增加Im, 安全系数提高的程度最大约为5%,随后提高的程度逐渐减小，直至稳定在3% 左右，但都仍未解决浸润线埋深多高时预警合理的问题。因此，本文在已有研 究基础上，结合浸润线在线监测系统，从坝体稳定性角度，分析研究尾矿坝坝 体浸润线监测的预警值。2浸润线在线监测系统2.1监测断面的选取同监测横断而宜选在有代表性且能控制主要渗流情况的坝体横断面以及预计 有可能出现异常渗流的横断而，一般不少于3个，并尽量与位移监测断而相结 合。监测横断而上的测点布置，应根据坝型结构、断面大小和渗流场特征确定。 宜在堆积坝坝顶、初期坝上游坡底、下游排水体前缘各布置1条铅直线，其间 部位每2040m布设1条铅直线，埋深应参考实际浸润线深度确定。在渗流 进、出口段，渗流各向异性明显的土层中，以及浸润线变幅较大处，应根据预 计浸润线的最大变幅沿不同高程布设测点，每条铅直线上的测点数一般不少于 2个。2.2浸润线在线监测方法将光纤光栅渗压传感器安装到浸润线观测孔内。通过测量测压管内水压， 计算出测压管内水位，根据埋入测压管的长度，最后计算出该测量点浸润线距 离坝表面的深度。2.3浸润线监测预警参数的设置一般将预警参数分为三级预警，分别为企业预警、县安监局预警、市安监 局预警。浸润线预警参数应根据坝体稳定情况的不同分别确定，具体情况如下：（1）以汛期允许的最高洪水位（满足最小安全超高时的库水位）为最不利工况，通过渗流计算确定坝体内的浸润线，该浸润线埋深应满足构筑物抗 震设计规范（GB50191-93） “23.3.1.3下游坡面浸润线的深度，不应小于68m”的要求，再通过极限平衡稳定性计算分析坝体的稳定性，如坝体抗滑安 全系数满足规范要求，且有一定的安全富余度，此时，可在控制最小干滩长度 不变、将浸润线按走势抬高的条件下（可将可将此工况称为虚拟工况），再次计 算坝体的抗滑稳定性，反复进行，直至得到满足规范要求的最小安全系数，此 时的浸润线埋深值可做为市安监局的预警值。由于此时控制的浸润线埋深值与 坝体的稳定性相联系，也可作为坝体安全稳定的控制值。但应特别注意的是， 在抬升浸润线的过程中，应始终满足其埋深小于68m的要求。（2）如以汛期允许的最高洪水位（满足最小安全超高时的库水位）为最 不利工况时，通过渗流计算确定坝体内的浸润线，再通过极限平衡稳定性计算 分析坝体的稳定性，如坝体抗滑安全系数已接近规范要求，此时可不必进行虚 拟工况计算，可将此时的坝体浸润线埋深值作为市安监局的预警值：（3）如以汛期允许的最高洪水位（满足最小安全超高时的库水位）为最 不利工况时，通过渗流计算确定坝体内的浸润线，再通过极限平衡稳定性计算 分析坝体的稳定性，如坝体抗滑安全系数不满足规范要求，需以调洪演算确定 尾矿库的汛期最高洪水位，通过渗流计算确定坝体内的浸润线，再通过极限平 衡稳定性计算分析坝体的稳定性，如坝体抗滑安全系数满足规范要求，如有安 全富余度，可进行虚拟工况计算，否则，该条浸润线可作为市安监局的预警值。在确定了市安监局的预警值后，可视不同情况确定县安监局及企业的预警 值，在第一种情况下，可将允许的最高洪水位工况下确定的浸润线埋深值作为 县安监局，可在该埋深值下浮Im作为企业的预警值：在第二种情况下，可在 允许的最高洪水位工况下确定的浸润线埋深值下浮两个Im分别作为县安监局、 企业的预警值：第三种情况下，以调洪演算确定的汛期最高洪水位时计算确定 的浸润线埋深值下浮两个Im分别作为县安监局、企业的预警值。将设置好的预警参数输入监测系统中，监控系统设有自动预、报警功能， 当监测参数有向危险状态演变时，系统将发出预警信息：当监测参数超过预设 警戒值时，系统将发出报警信息。从而有效预防事故，把事故苗头消灭在萌芽 状态。3工程实例3.1工程概况某尾矿库设计最大坝高95m,最终堆积标高610m，总库容295.18万 n?,尾矿库等别为三等，服务年限11.1年。现状堆积坝坝顶标高542.4m,坝 顶宽约3.1m,现状坝高10.4m,平均外坡比约1:2.88。排洪系统为排水斜槽， 其过水断面尺寸0.6mX1.0m目前，该尾矿库无在线监测系统，依据尾矿库 安全监测技术规范（AQ2030-2010）和尾矿库安全监督管理规定（国家安 全生产监督管理总局令第38号）要求，尾矿库应布设在线监测系统。3.2监测断面选取根据该尾矿库的实际情况，在堆积坝外坡标高550.0m、570.0m、590.0m监测仪器的埋设按照土石坝监测技术规范（SL60-94）的要求进行。观 测管沿主坝体坡面铅垂埋设，根据在线监测设施的要求，观测管深度必须见水, 并符合监测要求，浸润线监测管埋深一般不小于15mo3.3坝体最不利浸润线确定根据库区现状实测图，该库沉积滩坡度为2.1%,按沉积滩平均坡度2.0% 进行调洪、稳定计算。经试算，坝体最不利浸润线为允许最高洪水工况时对应 的坝体浸润线，对应的坝体抗滑稳定安全系数为1.108,接近规范要求的最小安 全系数1.10,属第二种情况。3.4浸润线监测预警值由满足尾矿坝坝体稳定性的最小安全系数条件下的最不利浸润线，确定相 应测点的浸润线埋深控制值，作为市安监局的预警值，具体控制参数见表1。表浸润线埋深控制参数Table 1 Control parameters of saturation line embedded depth监测断面最小埋深（m）550.0570.0590.0A-A7.46.59.5B-B6.66.28.7C-C6.1)6.49.6三断而渗流计算结果见图2。B-B剖面渗流浸润线图The seepage saturation line of B -B profileThe seepage saturation line of C-C profile图2允许最高洪水位时坝体渗流浸润线图Fig.2 The seepage saturation line of the allowed highest flood level可在允许的最高洪水位工况下确定的浸润线埋深值下浮两个Im分别作为 县安监局、企业的预警值。3.5三级预警控制参数通过上述计算分析，确定市安监局、县安监局、企业安全部门控制任何测 点的浸润线埋深三级预警控制参数见表2o2浸润线三级预警控制参数表Table 2 threerade earh -waming control parameters of saturation line embedded depth监测断面三级预警监测点高程（m）550.0570.0590.0A-A企业预警9.48.511.5县级预警8.47.510.5市级预警7.46.59.5B-B企业预警8.68.210.7县级预警7.67.29.7市级预警6.66.28.7C-C企业预警8.98.411.6县级预警7.9_.410.6市级预警6.96.49.6特别说明：本表控制参数是以最终堆积标高时，尾矿库汛期运行时，在允 许最高洪水位时所得到的坝体最不利浸润线的埋深控制值。如想得到其它汛期 运行标高时浸润线埋深的控制参数，需要在每年汛期前，对现状尾矿库进行调 洪演算、渗流计算以及坝体稳定性计算，最终确定浸润线埋深控制参数。将上述表中各预警参数输入监测系统中，监控系统设有自动预、报警功能, 当监测参数有向危险状态演变时，系统将发出预警信息：当监测参数超过预设 警戒值时，系统将发出报警信息。4结语尾矿库的安全生产关系重大，浸润线是其生命线，在线安全监测系统中可 以及时得到尾矿库的浸润线埋深情况，但在预警指标的选定上存在困难。本