0 引言

随着矿山的不断开采，安全问题也随之而来，除采场边坡外，尾矿库坝体的安全稳定问题也值得关注。同时，尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝风险。其中，渗流在尾矿坝中具有重要的作用，如果渗流不受控制，可能导致过多的水进入尾矿坝内部，增加坝体重量和压力，对坝体稳定性构成威胁。了解尾矿坝内的渗流情况对于监测坝体的稳定性和安全性至关重要。

近年来，大多学者对于尾矿库坝体的研究越来越多，包括理论研究、试验和数值模拟等方面。数值模拟在各领域中扮演着不可或缺的角色，为解决复杂问题和挑战提供了一种高效、准确的方法。随着技术的不断进步，数值模拟的应用前景将更加广阔，为学术研究和工程实践带来更多创新和突破。刘红岩等（2023）采用Rhino和Griddle软件建立尾矿库三维数值模型，采用 FLAC3D 软件对尾矿库在正常水位及洪水位下的浸润线进行模拟计算研究渗流场下尾矿坝的稳定性。部分学者从不同工况方面出发通过数值模拟方法对尾矿坝稳定性进行研究，比如，尹光志等（2023）利用 2D-FLOW 软件对 3 种不同降雨强度等工况的渗流场进行模拟研究分析尾矿坝稳定性；赵冰等（2020）采用三维数值模拟进行尾矿坝稳定性研究；李文海（2021）使用 CATIA 三维建模和 GTSNX 有限元分析软件相结合的方式研究不同标高下的渗流特性；赵冰（2024）从力学方面出发研究细粒尾矿及高尾矿坝渗透稳定性；宁皓等（2023）利用有限元方法对尾矿库的渗流稳定性和抗滑稳定性进行分析表明，尾矿坝的渗控体系符合防渗要求；姜士磊等（2023）使用 Geo-Studio 软件中的 Geo-Seep/W 模块，运用 Van Genuchten 模型进行尾矿坝渗流场分析，研究各工况下尾矿库渗流稳定性。

尾矿坝在面临不同降雨条件时，其渗流特性可能会发生显著变化，这对尾矿坝的渗流稳定性和工程安全性都具有重要影响。降雨条件下尾矿坝渗流稳定性是许多学者关注的研究课题。朱蒙和佘彤彤（2021）利用 Geostudio 软件针对某尾矿坝前期降雨及主降雨条件下的渗流稳定性展开数值模拟分析，得出了降雨条件下，尾矿坝的安全系数呈持续下降趋势，主降雨过程中降幅较大，随后逐渐减小并趋于稳定的结论；李瑞清等（2019）结合尾矿坝实际运行情况，根据相似原理建立坝体物理模型，并利用 GEO-studio 有限元分析软件进行验证和预测，研究强降雨作用下尾矿库地下渗流流态及坝体的渗流稳定性；秦胜伍等（2019）从降雨重现期方面研究坝体的渗流稳定性，陈承等（2015）从降雨强度方面研究尾矿坝体的渗流稳定性。

关于尾矿坝渗流稳定性的研究方面，研究者不仅仅从降雨方面进行了研究，也考虑了各种特定条件和一些加固措施，像地震作用（Ferdosi et al.， 2015；Xu and Wang，2015）、流固耦合作用（李冰冰等，2018）、应力渗流耦合（程晓亮等，2018）、地震渗流耦合（娄亚龙等，2017）、三维渗流场（张娟和杨文润，2022）和非稳定渗流（王立彬和汪登峰，2021） 等。另外对于地震、流固耦合方面的研究更多采用 Geo-studio 软件进行建模分析（王汉勋等，2018； Nabeel et al.，2022）。大多数学者考虑不同工况进行尾矿坝渗流稳定性研究，尤其在数值分析方面研究更甚，但针对高寒高海拔地区尾矿坝渗流分析和稳定性的研究较少。本文针对高寒高海拔地区尾矿库渗流变形进行分析，进一步研究尾矿坝的稳定性，对保障尾矿坝体的安全稳定具有深远意义。

1 工程概况

西藏地区某高寒高海拔地区尾矿库坝体地属高山深切割区，山脊呈南北向和东西向，山顶多呈浑圆状，山坡冲沟较发育，海拔 4350. 0～5407.5 m，地势呈南高北低。沟谷呈“V”字型状，南侧坡度较陡，约 30°，局部可达 45°以上，北侧下段坡度较缓，约 15°，沟谷长度约 6.5 km。场地内第四系松散堆积物广泛发育，分布面积占85%以上。植被以高山草甸为主，有少量高山耐寒苔藓，植被简单。

该尾矿现已堆积至 4355. 00 m 标高左右，子坝已经堆筑至第十九级，子坝最高标高约 4360. 00 m，单级子坝坡坡比为1∶2，4265~4295 m标高综合坡比为 1∶4，4295~4335 m 标高综合坡比为 1∶5，4335~4358.5 m 标高综合坡比为 1∶6，总体坡比约 1∶4.9，目前库内无干滩面，滩面坡度较缓。受尾砂外溢影响，在缺口附近形成洼地，四周逐渐升高。库区现状地貌如图1所示。

该尾矿库初期坝、回水库区域岩性均较破碎，通过岩层产状发育情况，库区水也会沿着该区域接触带北东方向发生渗漏，因此，需要考虑渗流对坝体稳定性的影响。

2 尾矿坝渗流破坏影响因子

2.1 渗流破坏类型

尾矿库坝体渗流破坏类型是指尾矿库坝体在渗流作用下可能出现的各种破坏形式。国内外学者在研究尾矿库坝体渗流破坏类型时，通常会从无黏性土类型来判别其渗透破坏模式。根据研究成果，可以将无黏性土的渗透破坏模式分为流土破坏、管涌破坏、接触流失破坏以及接触冲刷破坏。

流土破坏是指当水流通过无黏性土体时，土体内部的颗粒会被冲刷带走，形成一条明显的流道，导致土体的破坏。这种破坏模式常见于土体内部存在较大的孔隙或裂缝的情况下。管涌破坏是指当水流通过无黏性土体时，由于土体内部存在较大的孔隙或裂缝，水流会以管状形式迅速涌出，导致土体的破坏。这种破坏模式常见于土体内部存在连续的管道或通道的情况下。

接触流失破坏是指当水流通过无黏性土体时，由于土体与其他材料的接触面存在缺陷或不完整，水流会通过接触面的缺陷处渗透，导致土体与其他材料的分离和流失，从而引发土体的破坏。接触冲刷破坏是指当水流通过无黏性土体时，由于土体与其他材料的接触面存在较大的水流冲刷力，导致土体与其他材料的接触面发生破坏和冲刷，从而引发土体的破坏。

对于人工破碎后尾砂排放这一混合方式，主要渗流破坏类型为流土和管涌。

2.2 渗流破坏影响因子

尾矿坝的稳定性受多种因素影响，包括尾矿的力学特性、颗粒级配、坝高、堆积方式、沉积层状结构、地表水和地下水渗透。为了确定尾矿坝地下水渗流场的变化规律和影响因素，需要重点研究尾矿坝渗流场的特性。

尾矿坝渗流破坏的影响因素包括内因和外因2 个方面，内因方面，尾矿坝的稳定性受到内因和外因的共同影响。在内因方面，堆积体的水文地质条件、筑坝类型、几何条件（如颗粒级配）等被认为是重要的影响因素。其中，水文地质条件包括地下水位、渗透性和水文特征等，这些因素会影响尾矿坝的渗流情况和水压力分布。筑坝类型和几何条件则决定了尾矿坝的结构形式和稳定性。特别需要注意的是，地下水的渗入不仅会增加尾矿坝的水压力，还会降低尾砂的力学性质，可能导致尾矿坝的失稳和破坏。

尾矿坝的稳定性不仅受到内因的影响，还受到外因的诱发因素影响。外因主要指降雨强度、降雨持时等气候因素。降雨是尾矿坝稳定性的重要外界诱发因素之一。降雨强度和持时会直接影响尾矿坝的水位和水压力。当降雨强度较大或持续时间较长时，尾矿坝的水位会上升，增加了坝体的水压力。这会对尾矿坝的稳定性构成挑战，尤其是在降雨过程中，如果水压力超过了尾矿坝的承载能力，可能导致坝体破坏和溃决。

西藏地区某高寒高海拔地区尾矿库坝体所在区域多年平均年降雨量589.10 mm，多年1 h最大降雨量 13. 04 mm，6—9月为雨季，降雨集中，多雷电、多暴雨，常伴有冰雹，容易造成水土流失，引发山洪和泥石流。因此，降雨是该地区尾矿库渗流破坏和稳定性降低的主要外因。

3 渗流变形规律和稳定性分析

3.1 渗流变形规律

尾矿库不仅是存储尾矿的水库，还是存储大气降水和尾矿水的水体。通常，尾矿坝的初期坝是由当地的石料堆砌而成的，后期子坝则由尾矿颗粒构成。尾矿坝通常为透水坝，坝体内浸润线的区域被认为是饱和状态。当上游水位较高时，坝体内部会产生复杂的渗流场，这可能导致整体或局部破坏的风险。西藏地区某高寒高海拔地区尾矿库坝体目前处于堆砌过程中，且该地区存在强降雨天气，因此进行该尾矿坝稳定性分析需考虑渗流场作用。

本文主要通过坝体表面变形进而分析降雨条件下坝体渗流变化规律。坝体的表面变形情况通过目前尾矿坝边坡雷达监测数据可以得出。

3.1.1 边坡雷达监测

边坡雷达利用电磁波的相位变化来获取目标区域整体的变形信息。它能在全天候、全天时、全覆盖地进行大面积、短周期、长时间序列的监测。通过比较同一像素单元在相邻两次扫描中的位移差值，实时记录边坡的位移情况。通过分析位移量和位移速率，可以预测边坡在短时间内是否存在滑坡风险。

西藏地区某高寒高海拔地区尾矿库坝设置了2 台边坡雷达设备进行监测，如图2所示，以其中 1台雷达的监测情况为例进行分析，该雷达位于坝体的东北方向，对坝体西南方向进行监测。

3.1.2 坝体渗流变形规律

坝体渗流变形规律是指在尾矿坝等水工建筑中，由于水文地质条件和坝体结构特点的影响，坝体内部会发生渗流现象，从而导致坝体的变形。降水促进坝体渗流作用，该尾矿坝区域在 2024年 4月 3日出现了降雪天气，本文对该时段数据进行分析，取坝体某一块区域 4 月 3 日整日变形数据进行分析，区域位置和数据曲线如图3和图4所示。从图4 中可以看出降雪后坝体表面变形量出现明显上升趋势，存在沉降变形情况。再取 2024 年 4 月 4 日的数据与 3 日降雪天气的数据情况作为对比，数据曲线如图5所示。从两图中可以看出无降雪时该尾矿坝变形量较小一些，说明降雪后部分水分渗入坝体，对坝体的渗流场产生影响，加强了坝体渗流作用。

3.2 坝体稳定性分析

本文主要针对现状堆积坝体稳定性进行分析，选取 4 个剖面进行稳定性计算，剖面位置如图6 所示，以剖面 1-1 为例，计算模型如图7 所示，静力稳定性应采用极限平衡法进行分析，极限平衡法包括瑞典条分法和毕肖普法；针对动力稳定性则采用拟静力法开展计算分析。尾矿库运行各期的坝体稳定计算考虑了3种运行条件：正常运行条件、洪水运行条件、特殊运行条件（地震工况）。

注：“*”代表该数值为经验值。

本研究坝体稳定性计算的荷载组合采用有效应力法，具体的分区土层及物理力学指标如表1 所示。对其进行稳定性计算，结果如表2所示。

4 结论

（1）通过对比降水前后坝体变形情况，可以清晰地观察到降水对坝体渗流作用的显著影响。降水的渗透使得坝体内部的水分含量增加，从而增加了坝体内部的渗流压力，加速了水分在坝体内部的流动速度。这种增强的渗流作用导致了坝体内部孔隙介质的重新分布，引起了坝体的变形现象。

（2）通过对尾矿坝坝体稳定性进行研究，可知该坝体正常水位及洪水位下的稳定性相对较好，地震作用下稳定性相对较差，作用力的强度对坝体稳定性影响成正比关系。

参考文献