211115690_高寒地区冻土对尾矿库渗流稳定的影响

第22 卷第 1 期
2023 年3 月宁夏工程技术Vol.22 No.1
Ningxia Engineering Technology Mar. 2023
高寒地区冻土对尾矿库渗流稳定的影响
张同凯，张诏飞
（中铁资源集团勘察设计有限公司，河北廊坊　065000 ）
摘要：针对高寒地区尾矿库冻土的特点，采用Midas软件建立反映冻土地区特征的尾矿库数值模型，并对尾矿库进行渗流稳定分析。

结果表明，深部多年冻土层对浸润线具有抬升作用，会增大尾矿库的潜在位移，降低安全稳定系数，并且最终导致尾矿坝受到渗透破坏，从而影响尾矿坝的整体安全。

在此基础上，分析了计算结果的可靠性并提出相应的防护措施。

关键词：冻土；尾矿库；渗流；浸润线
中图分类号：TD926 文献标志码：A
我国矿产资源丰富，但随着国民经济的不断发展，人们对矿产资源的需求和消耗也在不断增加，随之而来的是尾矿库数量的剧增。

我国高纬度地区和青藏高原地区常年气温较低，当气温下降至
0 ℃以下时，土中的水分就会结冰，这种含冰的土被称为冻土。

其中，土层表面冬季冻结、春季融化的土称为季节冻土；冻结状态持续2年或2年以上的土称为多年冻土。

尾矿库深层的多年冻土会导致上层滞水，降低尾矿库排渗设施的降水效果，局部抬高坝体浸润线并挤占库容，进而影响坝体的稳定性；特别是深层冻土在长期高压下的融化会导致土层强度急剧降低，甚至出现局部滑坡，严重影响尾矿库的安全[1]。

我国高寒地区的尾矿库数量众多，但早期投入使用的尾矿库正在逐步进入闭库阶段，冻土问题逐渐凸显，加上现存尾矿库普遍存在浸润线过高、坝体开裂等安全隐患，因此需要进一步研究冻土对尾矿库的破坏机制，对现存尾矿库进行安全评估，消除安全隐患，从而保障矿山企业的可持续发展以及库区周围群众的生命和财产安全[2]。

针对冻土与尾矿库渗流稳定的关系，以往文献主要围绕尾矿输送、排渗等方面的问题进行了定性研究[3]。

本文依据渗流稳定分析原理，对尾矿库数据进行定量分析并得出结论，以期能为尾矿库的安全运行提供参考。

1　尾矿库渗流稳定分析原理
尾矿库渗流稳定分析以工程勘察和原位试验为基础，利用Midas软件对尾矿库岩土参数进行数值模拟，并将取得的渗流稳定结果与工程实际进行对比，得出结论，再以此为依据，提出降低冻土危害性的措施。

Midas是针对岩土工程开发的软件，其适合于Windows系统操作，支持CAD图形导入，能够自动划分网格，快速准确地进行求解运算，同时具有一定的图形处理功能。

该软件采用有限元分析法，可以实现静力/边坡分析、渗流/固结分析、动力分析、热应力分析等功能。

因此，本文采用Midas软件对尾矿库进行有限元分析以及渗流和稳定性分析。

依据有限元分析法中安全系数的定义，有限元分析法分为强度折减法和增量加载法[4]。

Midas采用了强度折减法，该方法通过降低岩土强度，使岩土体达到破坏状态，得到潜在滑动面及安全系数f s，其中岩土强度降低的倍数即为安全系数。

国内外诸多工程实例证明，强度折减法是岩土工程领域最为贴近实际情况的计算方法，且运算时无需对模型的受力情况或滑动面进行假设[5]。

该方法设定岩土体材料本构类型为摩尔-库伦，相关计算公式为
τ=(c+σtanϕ)/ω=c′+σtanϕ′，（1）ω=c/c′=(tanϕ)/(tanϕ′)，（2）式中：τ为切应力，kPa；c，c′分别为黏聚力和有效黏
文章编号：1671-7244（ 2023 ）01-0069-04
收稿日期：2022-05-10
作者简介：张同凯（1984—），男，工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察设计研究（****************）。

宁夏工程技术第 22 卷聚力，kPa ；ϕ，ϕ′分别为内摩擦角和有效内摩擦角，（°）；ω为强度折减系数；σ为正应力，kPa 。

2　研究区概况
2.1　尾矿库
我国东北地区某尾矿库采用上游式筑坝，坝体由初期坝及各级子坝组成。

该尾矿库前期由2期尾矿库组成，2库初期坝坝顶高程均为440 m ；当坝顶高程达到460 m 时，2库合成1库。

尾矿库设计总坝高为198 m ，总库容为4.29×108 m 3，等级为2等，总服务年限为32年；初期坝以上共10 期子坝，每期子坝高为3 m ，顶宽为4 m ，错台宽为5 m ，外坡比为1∶2，内坡比为1∶1.5，堆积坝外坡平均坡比为1∶5，
最终堆积高程为600 m 。

尾矿库自上而下由尾粉砂、尾粉土、冻土层和基底花岗岩组成。

初期坝为透水坝，采用砌体堆积；子坝以填筑土为主，并且各级子坝设有浸润线观测井，用于观测浸润线。

尾矿库剖面图如图1所示。

尾矿库内的水主要是由尾矿湿排放矿形成。

地下水主要为潜水，且地下水位变化较大。

现阶段，尾矿库内地下水主要补给来源为尾矿库湿排、大气降水、沟谷两侧基岩裂隙水及河水侧向渗入，排泄方式以透水坝渗流和溢流井溢出为主。

2.2　冻土层
库区冻土主要由表层季节冻土和深层多年冻土组成。

表层季节冻土在冬季形成，第2年春季融化，因此对尾矿库渗流稳定的影响较小；深层多年冻土形成时间为2年或2年以上，埋深为15 m 左右，厚度为1.8~3.5 m ，纵向长度为120 m ，其对尾矿库渗流稳定的影响较大，是评估尾矿库稳定性的重点研究对象。

深层多年冻土主要为饱冰冻土-含土冰层，成分以冰层和尾粉土为主，分凝冰的厚度大于40 mm ，部分冻土为纯冰层。

多年冻土形成于尾粉
土层中，因尾粉砂的渗透系数明显高于尾粉土，因此尾粉砂层基本不含冻土。

本文根据季节冻土与多年冻土分布的高程位置，并且结合钻探数据及冻土的冻结时间，对尾矿库冻土进行了钻孔井温测试，测试曲线如图2所示。

由图2可知，表层季节冻土的温度为1.5~3.0 ℃，深层多年冻土的温度为-2.0~-0.5 ℃。

多年冻土层的井温明显低于表层季节冻土，井温测试结果与冻土位置相符。

3　模型的建立
3.1　模型及坐标系统
本文根据坝区地形条件，建立了尾矿库模型所需的坐标系，并采用Midas 软件的岩土工程模块进行建模和网格划分。

坐标系规定：初期坝坡脚为坐标原点；水平方向为X 轴，其正方向由库区指向初期坝；垂直方向为Y 轴，其正方向向上；Z 轴平行于坝基轴线。

本文根据尾矿库模型进行网格划分，二维图形网格尺寸为5 m ，网格节点数量为2 561，单元数量为2 451。

计算精度由网格尺寸控制，网格越密集，模型越接近实际情况，计算的结果越精确[6]。

3.2　参数设置
本文根据工程勘察资料，得到尾矿库计算参数，其中力学参数主要包括天然重度、饱和重度、渗透系数、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力。

模型材料本构类型为摩尔-库伦。

水在尾矿库各岩土体单元的三维渗流场遵循达
西定律。

为了便于计算，本文假定尾矿库为各向同性的渗流场，即尾矿库各个方向的渗透系数相同；渗透变形压力零点为库区水面，渗透边界为初期坝外边坡；重力边界条件为模型外边界，即假设初期坝位置不动。

渗流稳定计算参数如表1所示。

4　计算结果
4.1　渗流计算结果
本文将Midas 软件计算得出的渗流数值分为
2个部分（考虑冻土和未考虑冻土）进行模拟，并将浸润线的计算结果与实际浸润线进行对比，用实测
浸润线检验数值模拟软件的准确性。

未考虑冻土时，可将冻土岩土视同周围的尾粉土。

浸润线图如图3所示。

由图3可知，Midas 计算结果与实测结果基本一致，从而证明了数值模拟软件的准确性。

对比2种情况（考虑冻土与未考虑冻土）的模拟浸润线，可知深部多年冻土层对浸润线有抬升作用。

由于多年冻土层近于不透水层，
其渗透系数明显低于
2. 2
图1　尾矿库剖面图
$
℃-202468图2　井温测试曲线
70
第 1 期张同凯等：高寒地区冻土对尾矿库渗流稳定的影响
尾粉土，尾矿库内渗流水被冻土层阻隔，上部尾矿下
渗水无法穿过冻土层，只能沿冻土层水平方向渗透，
库区水沿水平方向渗流又导致浸润线抬升，一定规
模的冻土使浸润线向坝体方向偏移，增加了尾矿库
坝体渗透变形的可能性。

因此，多年冻土的存在可能导致尾矿坝受到渗透破坏，影响尾矿坝的安全[7]。

可见，尾矿库的日常安全监测需重点关注冻土和浸润线的位置，浸润线越高，尾矿库发生渗透变形、失稳的可能性就越大。

4.2　稳定性计算结果
Midas的稳定性计算基于有限元分析法，计算时需设定静力边界，即假定初期坝边界不发生位移。

本文通过渗流稳定性计算，分别得到考虑冻土（图4）与未考虑冻土（图5）2种情况下尾矿库的安全稳定系数f s。

尾矿库发生剪切破坏时，尾矿发生位移，图中超出尾矿库边界的部分（灰色土体部分）即为各个单元的位移量。

图4中，由于冻土层的存在，尾矿库前缘形成塑性滑动区域，尾矿沿层面的滑动趋势增强，安全稳定系数也相应降低。

图5中，将冻土层视为周围土层（尾粉土），尾矿沿层面滑动趋势相对减弱，与图4相比，其位移减小，安全稳定系数增大。

Midas程序通过不断降低岩土体强度，直至使其达到破坏状态，此时的强度折减系数即为安全稳定系数，并且该软件可以计算出潜在滑动面。

冻土存在时，尾矿库坡面方向的位移较大，安全稳定系数明显小于无冻土工况，即深部多年冻土层的存在会增大尾矿库的潜在位移，减小安全稳定系数。

尾矿含有大量的水，冬季放矿时会在库区表层形成季节冻土，翌年春季融化时，这部分水向下游渗流，极易将悬浮的尾矿颗粒运移，形成流土或管涌。

深部多年冻土层接近于不透水层，上部排出的尾矿水无法通过垂直渗流的方式进入排渗系统，浸润线会进一步抬升，向子坝坡面方向偏移，长期的排渗系统失效导致尾矿坝边坡渗水、沼泽化，增加了边坡失稳的可能性。

由Midas渗流与稳定性计算结果可知，有限元分析法将分析对象（尾矿库各单元）网格化，考虑了各单元体材料属性、岩土层、深度的差异，又根据实测岩土工程参数，建立了渗流-稳定-边坡的耦合关系，因此得到的结果与工程实际相吻合，可信度较高。

5　冬季安全措施
5.1　管理措施
（1）尽量减少冬季放矿。

冬季放矿会导致库区表面结冰。

如果尾矿砂未及时渗透排出，就会出现结冰现象，形成季节冻土。

若放矿量大且集中，会导致季节冻土深埋地表以下，进一步形成多年冻土。

冬季放矿应选择时段，且放矿时应加强观测，若发现尾矿结冰，要及时采取除冰措施，如在结冰地段挖除表面冰层，或者修建除冰沟，以减小结冰厚度。

（2）定期检查排渗设施。

排渗设施会影响尾矿
表1　渗流稳定计算参数表
土层
尾粉砂尾粉土花岗岩冻土初期坝子坝天然重度/
（kN·m-3）
19.6
20.5
22.5
11.0
22.0
19.5
饱和重度/
（kN·m-3）
21.2
22.0
23.5
11.0
23.0
21.0
渗透系数/
（cm·s-1）
3.7×10-5
1.5×10-5
1.2×10-7
3.1×10-8
5.5×10-3
2.0×10-6
弹性模量/MPa
35
43
15 000
600
1 700
9
黏聚力/kPa
7.2
10.5
850.0
3.4
0.0
6.0
泊松比
0.25
0.25
0.22
0.35
0.21
0.30
###4 ##4 6< ##4 6<
图3　浸润线图
图4　考虑冻土的稳定性计算图（f s=2.13）
图5　未考虑冻土的稳定性计算图（f s=2.64）
71
宁夏工程技术第 22 卷
库的安全运行，因此应对排渗洞口采取保温和防冻措施，以防止低温冰冻引起防渗设施失效。

（3）加强浸润线观测。

应定时观测浸润线数据，数据异常时要及时采取相应措施。

浸润线过高可能导致尾矿坝失稳，因此冬季库区表面结冰后，要开展定期巡视。

若发现初期坝坡面渗水，应核查出水点附近的浸润线观测数据，减少放矿量，消除隐患。

5.2　除冰措施
（1）开挖除冰沟。

尾矿库在冬季放矿前应及时除冰，可在干滩与库区水域之间开挖除冰沟，隔离干滩与饱和矿砂之间的连通。

1期排矿结束后，可在尾矿表面覆盖细砂、矿渣，增加尾矿的渗透性。

（2）库区打孔。

针对深部多年冻土层，可在库区打孔，孔深应穿过多年冻土层。

库区打孔可加快多年冻土消融，也有助于上层饱和尾矿水进入排渗系统，及时排出库区。

（3）冰下放矿。

库区表层冻土足够厚时，可在冰面以下放矿。

冰下放矿应在气温较高时进行，气温低时则应分时段地进行分散放矿。

此外，冰下放矿还应配合冰上的除冰作业。

（4）清除冻土。

构筑物附近的冻土应及时清除，土体冻结时体积膨胀，会对构筑物产生侧向力，从而挤压构筑物，导致排渗管道变形、断裂，使尾矿库排渗系统失效，威胁坝体稳定。

6　结论
深部多年冻土层对浸润线具有抬升作用。

一定规模的冻土会使浸润线向坝体方向偏移，增加尾矿库坝体渗透变形的可能性，降低安全稳定系数，导致尾矿坝受到渗透破坏。

工程实践中，可利用实测岩土参数建立数值模型，对尾矿库进行渗流稳定计算，定量评估冻土对尾矿库渗流稳定的影响，并采取一定的安全措施，确保尾矿库安全运行。

参考文献：
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Influence of Frozen Soil on Seepage Stability of Tailings Reservoir in
Alpine Region
ZHANG Tongkai，ZHANG Zhaofei
（China Railway Resources Group Survey and Design Co.，Ltd.， Langfang 065000， China）
Abstract :On the characteristics of frozen soil in tailings reservoir in alpine region，the numerical model of tailings reservoir reflecting the characteristics of frozen soil area is established by Midas software，and the seepage stability of tailings reservoir is analyzed. The results show that the deep permafrost layer has a lifting effect on the saturation line， which will increase the potential displacement of the tailings reservoir， reduce the safety and stability coefficient， and eventually lead to the seepage failure of the tailings dam，thus affecting the overall safety of the tailings reservoir. The reliability of the calculation results is analyzed and corresponding protective measures are put forward.
Keywords :frozen soil；tailings reservoir；seepage；saturation line
（责任编辑　丁莉君）72。