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尾矿库坝体渗透稳定性分析 Ξ 吕庭刚,庙延钢 昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093 摘 要主要论述了尾矿库坝体产生渗漏的原因及种类,以及使坝体渗透稳定所需要的条件,为确保尾矿坝 稳定提供了一些有效的预测方法。 关键词尾矿坝;渗透;稳定性分析 中图分类号 T92818 文献标识码 A 文章编号 1006- 0308 2005 02- 0012- 04 Stability Analyzing on Penetration of Tailing Dam LΒTing- gang , MIAO Yan- gang Kunming University of Science and Technology , Kunming , Yunnan 650093 , China ABSTRACTThe causes and types of penetration occurred in tailing dam and the conditions required for penetration stability of dam body are described. Some effective monitoring s to ensure the safety of dam are presented. KEY WORDStailing dam; penetration; stability analysis 我国是矿业大国,冶金、有色、化工、核工 业、建材和轻工业等行业在矿山都有尾矿设施。据 初步统计,形成一定规模的尾矿设施约有1 500座 左右。而在我国,尾矿库的重大事故时有发生,每 次尾矿事故不但造成人员伤亡,而且在经济上也造 成巨大的损失,在社会上造成极坏的影响。因此为 了确保尾矿库的安全就要确定尾矿坝的稳定性。为 了确定坝的稳定性,检验筑坝材料是否可能发生管 涌和流土,以及坝体设施的几何尺寸等,必须确定 浸润线的位置,以及渗流在下游逸出点处的位置和 渗流的坡降值等。所以坝体的渗透分析对估计坝的 稳定性有非常重要的意义。 1 坝体渗透性分析涉及因素 就坝体稳定而言,涉及的影响因素很多,但无 论从理论研究或是工程实践所展示的资料分析,渗 流的影响都是一个重要的因素。尾矿坝在库水位及 下游水位的作用下产生渗流,在浸润面以下的坝体 处于流场内,受到指向下游坝坡的渗透力的作用。 这渗透力影响到尾矿坝体的稳定状态。尾矿坝渗透 性分析涉及到尾矿的物理力学性质、坝基的岩层特 性、初期坝的透水性、沉积滩长度、筑坝方法和材 料等因素。 2 尾矿的物理力学性质 尾矿的物理力学性质对于尾矿透水性能有着很 重要的影响。尾矿的透水性能主要由其粒度组成所 决定,尾砂的渗透性随着细泥含量的增加而降低。 尾矿平均物理力学指标见表1。 沉积尾矿砂的空隙率与压缩性对尾砂的透水性 能影响大。同样粒度组成的尾矿砂,由于沉积埋深 不同,空隙率大小也不同。图1表明了某些尾砂的 孔隙率与渗透系数之间的关系。 沉积的尾矿砂具有各向异性。对于含有细泥的 尾矿砂,在沉积过程中,呈层状结构,以致在垂直 和水平方向的渗透系数变化很大。水平与垂直渗透 21 2005年4月 第34卷第2期总第191期 云 南 冶 金 Y UNNAN METALLURGY Apr. 2005 Vol. 34. No. 2 Sum 191 Ξ收稿日期 2004- 07- 13;修回日期 2004- 09- 27 作者简介吕庭刚1975- ,男,四川犍为人, 2002级硕士研究生;主要研究方向矿山安全技术。 系数 K h/ Kv之比大约为2～10倍。在砂与细泥 夹层之中Kh/ Kv比值可达100倍,甚至更大。由于 尾矿砂沉积分层作用,产生各向异性渗透速率,这 时坝内渗流影响很大,尤其对坝内浸润线位置影响 非常大。 表1 坝体尾矿的平均物理力学指标 Tab. 1 Average physical and mechnical parametrers of tailing in the dam 项 目尾中砂尾细砂尾粉砂尾粉土尾粉质粘土尾粘土 平均粒径dp/ mm0.350.20.0750.050.035 0.02 有效粒径d10/ mm0.100.070.020.010.0030.002 不均匀系数d60/ d103346105 天然容重r/ gcm- 31.81.851.921.951.8 孔隙比e/ 0.80.90.90.951.01.4 内摩擦角 /34333028168 凝聚力C/ kPa7.847.849.89.810.7813.72 压缩系数α1 - 2/ 1kPa- 1 1.710- 41.710- 41.610- 42.110- 44.110- 49.210- 4 渗透系数K/ cms- 11.510- 31.310- 33.7510- 31.2510- 4310- 5～310- 6210- 5～210- 7 注① 表中指标均系从坝体取样试验所得的平均值; ②C、值为直剪固结快剪强度指标。 ① 油页尾砂 ② 旋流铜尾砂 ③ 铜尾砂 200目占35 ④ 铅锌细泥矿 ⑤ 铜矿细泥 ⑥ 钼矿细泥 ⑦ 旋流钼矿尾砂 ⑧ 铜 锌细泥 图1 尾矿砂孔隙率与渗透系数之间的关系 Fig. 1 Relationship between the porosity of tailing sand and the penetration index 3 坝基及初期坝的渗透性 如图2和图3所示,初期坝的渗透性对浸润线 的影响是相当明显的,而渗透性则决定于筑坝材料 的透水性能及筑坝方式。如初期坝采用弱透水性的 粘土筑坝,就会抬高浸润线位置,使渗流从初期坝 顶逸出,往往容易产生管涌或塌方。 筑坝方式对浸润线有较大影响,一般来说,上 游法筑坝的浸润线位置最高,下游法次之,中线法 在这三种筑坝方法中浸润线位置最低。另外,试验 表明,当沉积滩长度与坝高之比值L/ H 9 ,会产 生过高的浸润线,当L/ H 5就对坝坡稳定产生更 大的威胁。 均质尾矿坝L/ H≈3 ①Kf 0 ②Kf 10 图2 坝基透水性能对坝体浸润线位置的影响 Fig. 2 Influence of penetration properties of dam base on the saturation line of the dam body 31 吕庭刚等 尾矿库坝体渗透稳定性分析 非均质尾矿坝KO/ KL≈5 L/ H≈7 ① 不透水初期条件下浸润线位置 ② 初期坝透水条件下浸润线位置 图3 初期坝透水性能对坝体浸润线影响 Fig. 3 Influence of early- stage penetration properties of dam on the saturation line of the dam body 图中 Kf为坝基的渗透系数, KO为排放口处 水平渗透系数, KL为库区水位线处水平渗透系数。 4 渗流对坝体的影响 尾矿库坝体流场的边界由坝坡的轮廓线、尾矿 库底原地形地基的渗透性、水边线及浸润面等 构成。尾矿坝体总的结构特征服从于尾矿颗粒的沉 积规律粗粒尾砂首先在坝前干坡段沉积,然后细 颗粒随着干坡依次沉积,粒径更细的矿泥等就沉积 在澄清区内。 渗流对坝体的影响主要表现在两个方面。 1 影响坝坡整体稳定的渗透压力。在流场中 作用于尾矿坝体的渗流压力产生的本质是水在渗 流过程中受到了尾矿颗粒的摩擦阻力而在渗透途径 上损失了水头,与此同时尾矿颗粒也受到水沿渗流 方向施加于尾矿颗粒的拖曳力 即渗透压力。渗 透压力在数值上等于在渗流方向上损失的水头,它 是体积力,其大小取决于渗透坡降。由于渗透压力 的存在,就降低了整体坝坡的稳定性。 2 渗透变形。尾矿体在渗流的作用下,也可 能产生自身的变形和破坏的现象。渗流出口处的颗 粒特征及其渗透压力的条件对坝体的安全有重要意 义。渗流出口处的尾矿在非正常渗流情况下,能导 致坝体流土、冲刷及管涌等多种形式的渗透破坏。 在渗流场中产生渗透变形,必须具备两个基本 条件 1渗透压力能克服尾矿颗粒间的联系强度。 2尾矿体的内部结构及其边界有颗粒位移的 通道和空间。 5 产生渗漏的种类与成因 渗漏的种类及特征如表2所示。 表2 渗透的种类与特征 Tab. 2 Ttypes and characteristics of penetration 分类渗漏类别特征 按渗漏 的部位 坝体渗漏 渗漏的逸出点均在背水坡面或坡脚,其逸 出现象有散浸亦称坝坡湿润和集中渗 漏两种 坝基渗漏 渗水通过坝基的透水层,从坝脚或坝脚以 外覆盖层的薄弱部位逸出,如坝后沼泽化、 流土和管涌等 接触渗漏 渗水从坝体、坝基、岸坡的接触面或坝体 与刚性构筑物的接触面通过,在下游坡相 应部位逸出 绕坝渗漏 渗水通过坝端岸坡未挖除的坡积层、岩石 裂缝、溶洞或生物洞穴等,从下游岸坡逸 出 按渗漏 的现象 散浸 坝体渗漏部位呈湿润状态,随时间延长可 使土体饱和软化,甚至在坝下游坡面形成 细小而分布较广的水流 集中渗漏 渗水可从坝体、坝基或两岸山坡的一个或 几个空穴集中流出 造成坝体渗漏的原因 1设计方面的因素土坝坝体单薄,边坡太 陡,渗水从滤水体以上逸出;复式断面土坝的粘土 防渗体设计断面不足或与下游坝体缺乏良好的过渡 层,使防渗体破坏而漏水;埋设于坝体内的压力管 道强度不够或管道埋置于不同性质的地基,地基处 理不当,管身断裂;有压水流通过裂缝沿管壁或坝 体薄弱部位流出,管身未设截流环;坝后滤水体排 水效果不良;对于下游可能出现的洪水倒灌防护不 足,在泄洪时滤水体被淤塞失效,迫使坝体下游浸 润线升高,渗水从坡面选出等。 2施工方面的因素土坝分层填筑时,土层 太厚,碾压不透致使每层填土上部密实,下部疏 松,库内放矿后形成水平渗水带;土料含砂砾太 多,渗透系数大;没有严格按要求控制及调整填筑 土料的含水量,致使碾压达不到设计要求的密实 度;在分段进行填筑时,由于土层厚薄不同,上升 速度不一,相邻两段的接合部位可能出现少压或漏 压的松土带;料场土料的取土与坝体填筑的部位分 布不合理,致使浸润线与设计不符,渗水从坝坡逸 出;冬季施工中,对碾压后的冻土层末彻底处理, 或把大量冻土块填在坝内;坝后滤水体施工时,砂 石料质量不好,级配不合理,或滤层材料铺设混 乱,致滤水体失效,坝体浸润线升高等。 3其他方面,如白蚁、狸、蛇、鼠等动物在 坝身打洞营巢;地震引起坝体或防渗体发生贯穿性 的横向裂缝等也是造成坝体集中渗漏的原因。 造成坝基渗漏的原因 41 2005年4月 第34卷第2期总第191期 云 南 冶 金 Y UNNAN METALLURGY Apr. 2005 Vol. 34. No. 2 Sum 191 ① 设计方面因素对坝址的地质勘探工作做得 不够,设计时未能采取有效的防渗措施,如坝前水 平铺盖的长度或厚度不足,垂直防渗墙深度不够; 粘土铺盖与透水砂砾石地基之间,末设有效的滤 层,铺盖在渗水压力作用下破坏;对天然铺盖了解 不够,薄弱部位末做处理等。 ② 施工方面的因素水平铺盖或垂直防渗设施 施工质量差;施工管理不善,在库内任意挖坑取 土,天然铺盖被破坏;岩基的强风化层及破碎带未 处理或截水墙末按设计要求施工;岩基上部的冲积 层末按计要求清理等。 ③ 管理运用方面的原因有坝前干滩裸露暴晒 而开裂,尾矿放矿水等从裂缝渗透;对防渗设施养 护维修不善,下游逐渐出现沼泽化,甚至形成管 涌;在坝后任意取土,影响地基的渗透稳定等。 造成接触渗漏的主要原因有基础清理不好, 未做接合槽或做得不彻底;土坝两端与山坡接合部 分的坡面过陡,而且清基不彻底或未做防渗齿墙; 涵管等构筑物与坝体接触处,因施工条件不好,回 填夯实质量差,或末设截流环墙及其他止水措 施,造成渗流等。 造成绕坝渗漏的主要原因有与土坝两端连接 的岸坡属条形山或覆盖层单薄的山坡而且有透水 层;山坡的岩石破碎,节理发育,或有断层通过; 因施工取土或库内存水后由于风浪的淘刷,岸坡的 天然铺盖被破坏;溶洞以及生物洞穴或植物根茎腐 烂后形成的孔洞等。 6 渗流稳定分析计算 坝坡渗流出口处渗流稳定分析 设渗流道截面面积S ,并考虑渗流道与水平的 夹角,取极小一段长度l作分析取抗渗坝体厚度 也为l ,则坝面抗渗力F为 FCSγ1Slsinαtg-γ1Slcosα-γ0Shsin α 2 β-γ0Slcosα1 式中C 坝体材料粘聚力; 坝体材料内摩擦 角;α 坝坡坡角;γ1 坝体材料的饱和容重; h 渗流出口处至库内水面高度;γ0 水的容重; β 渗流道与水平面的夹角。 令F 0 ,则, h Cγ1lsinαtg-γ1γ0lcosα γ0sinα 2 β 2 2式即为坝坡面出现渗水的临界条件。 如令Fγ0Ic即,把抗渗力换算成水力坡降, 则 Ic CSγ1Slsinatg-γ1Slcosα γ0 -[ hsinα 2 β lcosα] S3 式3可以计算坝面任意一点处的水力坡降。 例某尾矿库初期坝为粘土坝,初期坝外坡为 1∶2 ,渗流道与水平的夹角为15,坝体内摩擦角为 14,坝体材料的饱和容重为1412 kN/ m3,粘聚力 为1916 kN/ m2。 取l 1mm ,水的容重γ0 918kN/ m3代入2 式计算得h 10m ,即在该种条件下,在低于库内 水面10m的坝坡面就会出现渗水现象。此时坝的 稳定性就很危险。 7 渗流控制 处理原则一般是“内截,外排” 。内截就是在 坝上游封堵渗漏入口,截断渗漏途径防止渗入。外 排就是在坝下游采用导渗和滤水措施,使渗水在不 带走土颗粒的前提下,迅速安全地排出,以达到渗 透稳定。 参考文献 [1]李作章,徐日升,等.尾矿库安全技术[M].北京航空工 业出版社, 1996 , 83. [2]徐桂兴.尾矿坝的渗流及其影响[C].冶金矿山尾矿库技术 交流会文集, 1987. 7- 13. [3]洪石笙.尾矿坝渗透稳定性分析[C].冶金矿山尾矿库技术 交流会文集, 1987. 78- 86. [4]赵晖.尾矿工程[M].北京冶金工业出版社, 1986 , 170- 195. 51 吕庭刚等 尾矿库坝体渗透稳定性分析