基于饱和-非饱和理论的尾矿库渗流场模拟分析

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工业安全与环保2013年第39卷第10期

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O ct ober 2013

基于饱和一非饱和理论的尾矿库渗流场模拟分析

朱毅川1

徐克2程镇2杨楠2

(1．中国地质大学工程学院武汉430074；2．湖北省安全科学技术研究中心武汉430070)

摘要在稳定性分析过程中，尾矿库力学参数选取困难，尾矿库边界条件复杂，需要能够较为精确预测尾矿坝浸润线位置和稳定性计算的方法。在饱和一非饱和渗流理论研究的基础上，对尾矿库渗流场的分布进行了数值模拟，通过对比研究，饱和一非饱和模型比饱和渗流模型更加符合尾矿库的渗流规律。研究了初期

坝透水性与干滩长度对尾矿库浸润线的影响，对比分析了影响尾矿库渗流的一些关键因素，以期能更好地解

决尾矿库渗流稳定性评估问题。

关键词尾矿库稳定性分析数值模拟饱和一非饱和理论

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0引盲尾矿库浸润线的高低是影响尾矿堆积坝稳定性的主要因素之一。尾矿水对尾矿坝体不仅会产生动水压力，降低坝体的稳定性，同时还会产生管涌、流沙和坝面沼泽化等危害，给尾矿坝的安全带来严重威胁。目前尾矿坝渗流分析有理论求解、物理模拟和数值模拟3种方法。理论求解浸润线的方法对工程进行概化后采用相应的近似公式求解，它只能适用于均质的简单的工程，对于多介质尾矿场，该法受限于理论条件；物理模拟方法保持了原型介质具有的连续性，并能较精确地模拟原型的复杂边界和内部结构。不足之处是制作模型的工作量大，费用高，而且费时费力；数值模拟法在我国20世纪六七十年代被应用到渗流计算中，并且随着计算机的高速发展，这种方法越来越广泛地被科研人员利用。

渗流数值计算中常用的数值方法有差分法、有

限单元法、边界元法等。过去，在渗流稳定性分析中，仅侧重于考虑饱和地下水对边坡稳定的影响，随着非饱和渗流理论的发展，人们越来越清楚地认识到边坡滑坡、泥石流等地质灾害与土体的非饱和渗

流密切相关。1962年，M i l l er 提出非饱和介质的渗透系数是含水量或压力水头的函数，达西定律同样适用于非饱和渗流…1，只不过要将达西定律的形式进行转变，渗透系数不能假定为常数而是与含水量或者是基质吸力有关的函数。1973年，N eum an 首先提出用有限元的方法解决土坝饱和一非饱和渗流问题的数值方法[2】2，采用伽辽金法对R i char ds 方程进行空间区域离散，用C r ank —N i coson 有限差分格式对时间域进行离散，并在拓展一维渗流有限元法之后提出了解决二维渗流问题的有限元法【3“J 。1997年，A kai 提出三维饱和一非饱和渗流的有限元

法[5】，Lai n 和Fr edl und 对饱和一非饱和土渗流问题做了较完整的论述[6】6，认为±体中水的流动是受压力水头大梯度和位置水头梯度共同控制的，并将非饱和土壤水运动理论和非饱和土固结理论结合，得到符合岩土工程使用习惯的饱和一非饱和渗流控制方程。

本文结合前人有关理论工作，在选取适当的土水特征曲线和渗透函

曲线模型的基础上，对尾矿

库渗流场的分布进行了值模拟，并对比分析了影