尾矿坝渗流场三维有限元分析与安全评价

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摘 要 ： 据 某尾 矿 坝 的 实际情 况 ， 立尾 矿 坝 三 维有 限元 计 算模 型 ， 算 并 分析 其 渗 流 场 ， 根 建 计 对尾 矿 坝进行 渗 流安 全评价 ， 评价 结 果与 工程地 质勘 测 所得 的资料 进行 对 比分析 ， 将 以验证尾 矿 坝渗 流场 数 值模 拟 方 法和计 算模 型的合 理 性 ． 算 结果显 示 ， 计 数值模 拟 所得 渗 流场 与工程 地质勘 测 实测值 吻 合 ， 算 方法和 计算 模 型合理 ， 计 可以为尾 矿 坝 的加 高工程提 供 参考 ．
日 ： 豆
不透 水边 界 ：
ＯＨ
：
０
出渗边 界 ：
日 ： ：０
式 中 日 为 已知水 头值 ．
２ 工 程 概 况
某 尾矿 库场 地地 形处 于东 、 、 三面 低 山剥 蚀及 丘 陵区环绕 地 区 ， 南 北 地形标 高 １５～３０ 形 成里 大 口小 ４ ５ ｍ， 的似葫 芦状 谷地 ， 谷底 东 高西低 ， 面标高 为 １２～１０ 谷 底 坡度 约 为 ２ ． 矿库 由主 坝和 ２座 副 坝 以及 地 ４ １ ｍ， ％ 尾 尾 矿 堆积 坝组成 ． 主坝坝 顶标 高 １０Ｏ 为 透水堆 石坝 ， ５ ．ｍ， 坝高 ４ ．ｍ； 中 １ 副坝 坝顶标 高 １０Ｏ 为 透水 １５ 其 座 ５ ．ｍ，
坝， 尾砂 流失 量约 ２ ０万 ｍ ， ３沿途 带 出大量 泥沙 ， 经长度 达 ２ ｍ， 大扇 面宽 度约 ３０ｍ， 泥面 积 ３ ． ｈ ２ 流 ｋ 最 ０ 过 ０２ ｍ ， 遇难 或 失踪共 ２ ６人 ｌ ． ７ ２ 』
渗流控制是影响尾矿坝安全运行 的重要因素 ， 浸润面位置过高 ， 会使坝面或下游发生沼泽化 ， 导致坝体 、 坝肩和不 同材料结合部位有渗流水流出 ， 渗流量增大 ， 引起管涌 ， 最终导致溃坝［ 因此对尾矿坝渗流场进 ０ ．
第４ ０卷第 ３期
２１ ０２年 ５月
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｏａ Ｕ ｉ ｒｔ（ ａ ｒｌ ｃ ｎｅ） ｏｒａ ｏ Ｈ ｈｉ ｎ ｅｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃｓ ｖ ｉ ｕ ｅ
Ｖｏ ．０ Ｎｏ． １４ ３ Ｍａ Ｏ１ ｖ２ ２
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３８ ０
河 海 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第４ ０卷
１ 渗 流 基 本 原 理
１１ 饱和渗 流 基本理 论 ．
饱 和 渗流计 算是 依据 达西定 律 ：
ｑ ＝ ｋ ｉ
式 中 ：—— 渗 流流 速 ； — 渗透 系数 ；—— 水力 坡 降 ． ｑ — ￡ 饱和 渗流基 本微 分方 程为
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尾 矿坝是 矿 山生产 中的重要 设施 ， 运行 状况 的好 坏不 仅仅 涉及 矿 山生产 的经 营管 理和 效益 ， 重要 的 其 更 是 直接 影响人 民生命 和财产 的安 全 ｌ ． 年来 ， 国尾 矿坝 溃 坝事 故 屡有 发 生 ， 位 于 山西 省 临汾 市 襄 汾县 １近 Ｊ 我 如 陶寺 乡 的新塔 矿业 有 限公 司塔 山铁矿 尾矿 库 ， 总库 容约 ３ ０万 ｍ ， 高约 ５ ｍ．０８年 ， 尾矿 库 突然 发 生溃 ３坝 ０ ２０ 该
Ｗ ＡＮＧ ｎ ， ＨＥＮ ｅ － ｈ ｎｇ ， Ｄｏ ｇ Ｓ Ｚｈ ｎ ｚ ｏ ＴＡＯ ａ － ｕ３ Ｘｉｏ ｈ
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尾 矿 坝 渗 流 场 三 维 有 限 元 分 析 与 安 全 评 价
王 东ｌ ， ， 沈振 中 ， ２ 陶小虎。
（． １河海大学水 文水 资源与水利工程科学 国家重点实验 室 ， 江苏 南京 ２ 河南省 电力勘测设计 院 ， ． 河南 郑州 ２０９ ； １０ ８ ２０９ ） １０ ８ ４００ ； ． ５０７ ３ 河海大学水利水 电学 院 ， 江苏 南京
ｖ ｒ ｅ ｅ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ．Ｔ ｅ ｃ ｃ ｌｔｄ ｒｓ ｌ ｒｅ ｎ ｉ ｈ ａｕ ｄ ｅ ｆ ｄ ｔ ｂ ｓ ｎ ｂ ｅ ｈ ａ ｕ ａｅ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｉ ａｅ ａ ｅ ｅｅ ｉ ｇ ｅ ｍｅ ｔｗ ｔ ｔｅ ｍｅ ｒ ｉ ｉ ｏ ｅ ｌ ｓ ｈ ｍｕ ｌ ＇ ｈ ｓ ｅ ｏ ｅ ，ａ ｄ ｔｅ ｃ ｃ ｌｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｐ ｐ ｓ ｄ ｍｏ ｅ ｏ ｌ ｒ ｖｄ ｆｒ ｎ ｅ ｒｔｅ ｔｉ ｎ ｓｄ ｍ ’ ｅｇ ｔｎ ｎ ． ｎ ｓ ｎ ｈ ａ ｕ ａｉ ｔ ｏ ａ ｒ ｏ ｅ ｄ ｌｃ ｕ ｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｒ ｅ ｃ ｓ ｆ ｈ ａｌ ｇ ａ Ｓｈ ｉｈ ｅ ｉ ｇ ｌ ｏ ｄ ｎ ｏ ｅ ｅ ｏ ｉ
（ Ｈ＋ ） Ｈ＝ Ｏ） （ ＋ Ｏ） ０ （
式 中 ： — — 总水 头 ； ， ｋ—— 不 同方 向下 的渗透 系数 ， 日 后，ｚ 当材料 为各 向 同性 时 ＝ ＝ ， 向异 性 时 Ｊ 各 ｌ ｝
≠ ≠ ．
１２ 定解 条 件 ． 对 于饱 和渗 流场［］整个 渗流 区域定 解条 件包 括 已知水头 边界 、 １， ０ 不透 水边界 和 出渗边界 ． 已知水头 边界 ：
Ｎ ｎ ｎ １０ ８ ｈｎ ａｆ ２０ ９ ，Ｃ ｉ ｉ ｇ ａ；
２． ｔｅ ａ ｅ ｔｉ ｗｅ ｕ ｖｙ ａ ｓ ｎ ｔ ｕｅ， Ｚｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ７， Ｃ ｉ ； ｔｎ ｎ Ｅｌｃｒ Ｐｏ ｒＳ ｒｅ ｎ Ｄｅｉ Ｉ ｓｉ ｔ ｃ ｄ ｇｎ ｔ ｅ ｈ ｕ４０ ０ ｇ ｈ ｎ ａ
散状 态 ） 尾粉 细砂 （ 、 稍密 状态 ）尾 粉细砂 （ 、 中密状态 ）尾 粉细砂 （ 实状态 ）尾 粉质黏 土等 ． 、 密 、 ２ １ 三 维有 限元计 算模 型 ．
三维 有 限元 计算 模 型主要 考虑 实 际工 程地 形 、 质 和结 构状 况 ． 地 根据 工 程地 质 和水 文 地 质 资料 ， 以大地 坐标 为基 准建 立如 下坐标 系 ： 以大 地坐标 （ｏ ｏｏ ４ ４ Ｏ ） 有 限元计 算 模 型坐 标 原点 （ ，） Ｘ方 向为垂 ５ｏ ｏ ，４０ Ｏ 为 ００ ； 直 主坝初 期坝 坝轴 线方 向 ， 向库 内为 正 ； 指 Ｙ方 向为平 行 主坝初期 坝坝 轴线 方 向 ， 向正北 为正 ； 指 Ｚ方 向为 垂
关键 词 ：Ｆ Ｍ； 矿坝 ； 流 ； 全评 价 Ｅ 尾 渗 安 中 图分类 号 ： ６ １２ Ｐ ４ ． 文献标 志 码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ０ １８ （０ ２ ０ — ３７ ０ １０ —９ ０ ２ １ ）３ ００ — ６
Ｔｈ ｅ － ｉ ｅ ｓｏ ａ ｎ ｔ ｌｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓｓ ａ ｄ ｓ ｆ ｔ ｓ ｅ ｓ ｅ ｏ ｅ ｐ ｇ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｎ ｌｆ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｎａ ｙ ｉ ｎ ａ ｅ ｙ ａ ｓ ｓ ｍ ｎｔｆ ｒ ｓ ｅ ａ ｅ ｉ ｉ ｌ ｆ ａ ｔ ｉｉ ｓ ｄ ｍ ｆｅ ｄ ｏ ａ ｌ ｇ ａ ｎ
行有 限元 分析 和 渗流安 全评 价 ， 于 尾矿 坝安 全运 行有 着 重要 的意 义 ． 文 根 据某 尾 矿 坝 的实 际情 况 ， 对 本 采用 三 维渗 流有 限元 法【１ ， 立三 维有 限元 计算 模 型 ， ８０ 建 － Ｊ 计算 并分 析 渗流 场特 性 ， 结果 与 实 际渗 流场 进 行对 比 ， 将 以验证 尾矿 坝三 维有 限元计 算模 型 的合理 性 ．
堆石坝， 坝高 １．ｍ； ８８ 另一座副坝坝顶标高 １００ ， ８ ．ｍ 为均质土坝 ， 坝高 ７ （ ｍ 由于渗透系数较小 ， 对尾矿库的渗 流影响可以忽略不计 ， 计算中不考虑该副坝）整个库区沉积滩 内水体 的补给来源主要为经常性排放的尾矿 ．
水 和 季节性 大气 降水 ． 矿库 区设置 了溢洪 道 ， 以 比较稳 定地 控制库 内水 位 ． 地质勘 测期 间 ， 矿沉 积滩 尾 可 在 尾 内水位 标 高为 １２４ ｍ． 尾矿 坝平 面布置 如 图 １ 示 ． ９ ．４ 该 所 根据 工 程地 质 和 水文 地 质 资料 ， 矿 砂按 粗 细程 度 尾 和密 实程度 分 为若 干个地 层 ， 括尾 中砂 （ 包 松散 状态 ）尾 中砂 （ 、 稍密 状态 ）尾 中砂 （ 、 中密 状态 ）尾 粉细 砂 （ 、 松
收 稿 日期 ： ０ １ ０ —７ ２ １ —５ ０
作者简介 ： 王东 （９ ６ ）男 ， １８ 一 ， 河南南 阳人 ， 硕士 ， 主要从事水工结构计算与安全评价研究 ．－ ａｌｈｈ ｉａｇｏｇ ６ ｃｍ Ｅｍ ｉ ｅａ ｎｄｎ ＠１３．ｏ ： ｗ
通讯作者 ： 沈振 中（９８ ）男 ， １ 一 ， 教授 ， ６ 博士 ， 主要从事水工结构工程和岩土工程研究 ． ．ａ ： ｚｓ ｎ ｈ ． ｕｃ Ｅｍ ｉ ｚ ｈ ｅ ＠ｈｕ ｅ ． ｌｈ ｈ ｄ ｎ
ｓ ｅ ａ ｅｆｅｄ ｏ ｈ ａｌｎ ｓ ｄ ｍ ｓ ｎ ｙ ｅ ｎ ａｅｙ ａ ｓ ｓｍｅ ｔＷａ ｏ ｄ ｃｅ ｅ ｐ ｇ ｌ ｆｔ ｅ ｔｉｉｇ ａ Ｗａ ａ ａ ｚ ｄ ａ ｄ ａ ｓｆ ｔ ｅ ｓ ｎ ｓ ｃ ｎ ｕ ｔｄ．Ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ａａ ｆｏ ａ ｉ ｌ ｓ ｏ ａｅ ｔ ｔ ｅ ｄ ｔ ｒｍ ｈ ｇ ｏｏ ｉａ ｕ ｖ ｙ，ｔ ｅ ｎ ｍｅ ｃ ｉ ｌｔ ｎ ｍｅ ｏ ｎ ａｃ ｌｔ ｎ ｍｏ ｅ ｒｔ ｅ ｓ ｅ ａ ｅ ｆ ｌ ｆｔｅ ｔｉ ｎ ｓ ｄ ｒ ｅ ｌｇｃ ｓ ｒ ｅ ｌ ｈ ｕ ｒ ａ ｓｍｕ ａｉ ｔ ｄ ａ ｄ ｃ ｕ ａｉ ｄ ｌｆ ｈ ｅ ｐ ｅｄ ｏ ｌ ｇ ａ ｗｅ ｉｌ ｏ ｈ ｌ ｏ ｏ ｇ ｉ ｈ ａ ｉ ｍ ｅ
直方 向 ， 向上 为正 ， 以高程 为 坐标 ． 计算 模 型边界 类型 主要 有【－］（） １１ ：ａ已知 水 头边 界 ， 括 库 区上 游 水 位 淹没 线 以下 的尾 矿 坝 面 、 １２ 包 山体 和