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【摘 要】 尾矿库内的水在坝体、坝肩和坝基材料中受重力的作用由高处向低处渗透流动的现象称为渗流，渗流作用产生的渗流作用力引起坝体材料强度降低，影响坝体的稳定性进而使坝体破坏，渗流引起的坝体失稳是尾矿坝失事的重要因素之一。本文基于Geo Studio软件对云南某尾矿库的具体工程实例进行渗流稳定性的分析，对生产实际有一定的指导意义。
【关键词】 Geo Studio；尾矿库；渗流稳定性；数值模拟
1 Geo Studio软件介绍
GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，GeoStudio（2007）岩土工程分析包括八个模块：SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、TEMP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W[1]。本文主要选用GeoStudio中SEEP/W对尾矿库的渗流场进行计算分析。表1详细介绍了SEEP/W模块的功能和耦合分析机理。
表1 SEEP/W模块介绍及耦合机理分析
模块名称 模块功能
SLOPE/W
边坡稳定性分析软件 主要用来分析基于极限平衡理论的土质和岩质边坡（含路堤）的安全性，此外SLOPE/W模块还可以结合有限元应力分析法来对边坡稳定性进行计算和分析。
GeoStudio中提供的土体强度模型包括：莫尔-库仑准则（Mohr-Coulomb）、双线性准则（Bilinear）、不排水准则（Phi=0）、各向异性强度准则（anisotropic）、切向/法向函数准则及其它各种类型的强度准则等。孔隙水压力模型包括：Ru系数、压力线、等压力线、水力梯度值、有限元计算的压力和压力水头。本文在尾矿坝渗流稳定性计算时主要采用的是莫尔-库仑准则（Mohr-Coulomb），采用有限元法对尾矿坝进行渗流分析。
2 尾矿库简介
该尾矿库的初期坝为碾压式均质土坝，筑坝料为库区西侧的小山丘的粉质粘土。坝高39.6m、坝顶宽5.0m、轴线长157.0m、内坡比为1：2、外坡比为1：2.5，坝顶标高705.0m。坝体内坡设置反滤层。尾矿堆坝设计顶标高725.0m，即堆坝高20.0m（标高705.0～725.0m），经扩容后尾矿坝总坝高59.6m，属四等库。
3 坝体模型及材料参数
该尾矿坝建造在下伏基岩玄武岩的坝基上面，坝基施工时清除坝基下粉质粘土和卵石，深度约为4～6m，坝基对坝体的稳定性有利。因尾矿坝采用的是上游筑坝工艺，坝体土质剖面的大概轮廓比较有规律。初期坝为土质坝，排渗条件差。
根据现状尾矿坝工程地质剖面以及地层分析，坝体稳定按不同部位分别取用对应的物理力学指标计算。尾矿坝在水力充填过程中粗颗粒首先沉积，细颗粒在水力作用下继续向前运动，在水平方向上，粗颗粒靠近初期坝，细颗粒远离初期坝的普遍规律，在竖直方向上，底部经过长时间的固结固，固结度和密实度都增大，上部充填时间较底部相比较短，即固结度低。整体上看，渗透系数以上大下小的规律呈现[2]。
4 尾矿坝渗流场稳定性分析
本章節所采用的渗流有限元计算程序是以通过饱和非饱和土的Darcy定律和渗流计算方程为基础，可以用于饱和及非饱和渗流问题的建模分析，通过定义边界条件、渗透系数等参数进行渗流有限元计算。本节采用有限元法对考虑渗流作用下的尾矿坝进行稳定性分析，主要选用Geo Studio中SEEP/W对尾矿库的渗流场进行计算分析。
流体产生渗流的前提条件就是孔隙。在有流动空间的基础上，流体才可流动，孔隙是流体产生渗流的必备条件。流动的空间和多孔介质是流体流动的必备条件，在压力一定，孔隙越大，过流能力就会越大。同理，孔隙越大，透水能力也会越大，所以其透水能力与孔隙比关系密切。
本节选取库内水位74m 、75m、76m、77.88m和78.28m五个水位来分析尾矿坝渗流场。
（1）H=74m
1、当库内水位74m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。浸润线溢出点为13.75m处，该水位下的渗流量为3.27×10-5 m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.5（a）中黄色部分显示。孔隙水压力最小为-407.9kpa，最大为714.4kpa。
1、当库内水位75m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，浸润线比H=74m略微抬高，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。该水位下的渗流量为4.13×10-5m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4（a）中黄色部分显示，较H=74m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-378.5kpa，最大为733.8kpa。
1、当库内水位76m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，浸润线比H=75m略微抬高，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。该水位下的渗流量为5.37×10-5 m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.6（a）中黄色部分显示，较H=75m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-347.6kpa，最大为745.4kpa。
1、当库内水位77.88m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，而后转为平缓下降，在初期坝已经降落至初期坝1/2高度处。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。该水位下的渗流量为1.05×10-4 m3/s。 2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.7（a）中黄色部分显示，较H=76m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-231.5kpa，最大为763.7kpa。
1、当库内水位78.28m时，库区内饱和面积增大，浸润线明显比77.88m水位抬高。与77.88m计算成果类似，较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。该水位下的渗流量为2.12×10-3 m3/s。
2、該水位下的孔隙水压力主要为图4.8（a）中黄色部分显示，较H=77.88m往堆积坝坡面下方移动，已移动至初期坝中。孔隙水压力最小为-131.1kpa，最大为767.7kpa。
5 结论
通过以上分析，从以上五组图中（3-7）可以看出，库内水位升高对于坝体渗流场的影响主要表现在以下几个方面：
（1） 浸润线发生在孔隙水压力为零与不为零的分界面上，所以每组图即可反映出浸润线的位置，又可显示坝体孔隙压力的分布。从模拟计算的浸润线结果来看，五个水位下的浸润线均没有在堆积坝坡面处出溢，浸润线距离坝坡仍有一段距离，不会对坝坡产生渗流破坏。
（2） 缩短了渗径。随着水位的抬高，渗径随之增长。
（3） 提高了上游水头。高水位条件下，坝体产生较大的渗透力，容易使得堆积坝边坡发生塑性贯通，导致溃坝。
（4） 孔隙水压力在浸润线以上为负值，表现为拉应力，且随着水位的升高，拉应力逐渐增大，不利于坝体的稳定性；浸润线以下为正值，表现为压应力，随着水位的升高，压应力变大。从整体上看，孔隙水压力的集中部位随着水位的抬高，逐渐向坝体底部靠近。
参考文献：
[1]李淑芬，杨溢，蓝蓉.杨家箐磷石膏堆场坝体渗流分析及稳定性的研究[J]， 昆明理工大学硕士论 文，2011-10-12.
[2]徐志英.沈珠江.尾矿高堆坝地震反应的综合分析与液化计算[J]，水力学报，1983年第5期.
[3]速宝玉，赵坚.影响上游法尾矿坝渗流场的诸因素分析[J].河海大学学报，1991，19（6）：57-63.
[4]潘建平，孔宪京，邹德高，尾矿坝地震液化稳定的简化分析[J]，水利学报，2006年第10期第37卷，1224-1229.
[5]尾矿设施设计参考资料编写组.尾矿设施设计参考资料.北京：冶金工业出版社.1987.
【关键词】 Geo Studio；尾矿库；渗流稳定性；数值模拟
1 Geo Studio软件介绍
GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，GeoStudio（2007）岩土工程分析包括八个模块：SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、TEMP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W[1]。本文主要选用GeoStudio中SEEP/W对尾矿库的渗流场进行计算分析。表1详细介绍了SEEP/W模块的功能和耦合分析机理。
表1 SEEP/W模块介绍及耦合机理分析
模块名称 模块功能
SLOPE/W
边坡稳定性分析软件 主要用来分析基于极限平衡理论的土质和岩质边坡（含路堤）的安全性，此外SLOPE/W模块还可以结合有限元应力分析法来对边坡稳定性进行计算和分析。
GeoStudio中提供的土体强度模型包括：莫尔-库仑准则（Mohr-Coulomb）、双线性准则（Bilinear）、不排水准则（Phi=0）、各向异性强度准则（anisotropic）、切向/法向函数准则及其它各种类型的强度准则等。孔隙水压力模型包括：Ru系数、压力线、等压力线、水力梯度值、有限元计算的压力和压力水头。本文在尾矿坝渗流稳定性计算时主要采用的是莫尔-库仑准则（Mohr-Coulomb），采用有限元法对尾矿坝进行渗流分析。
2 尾矿库简介
该尾矿库的初期坝为碾压式均质土坝，筑坝料为库区西侧的小山丘的粉质粘土。坝高39.6m、坝顶宽5.0m、轴线长157.0m、内坡比为1：2、外坡比为1：2.5，坝顶标高705.0m。坝体内坡设置反滤层。尾矿堆坝设计顶标高725.0m，即堆坝高20.0m（标高705.0～725.0m），经扩容后尾矿坝总坝高59.6m，属四等库。
3 坝体模型及材料参数
该尾矿坝建造在下伏基岩玄武岩的坝基上面，坝基施工时清除坝基下粉质粘土和卵石，深度约为4～6m，坝基对坝体的稳定性有利。因尾矿坝采用的是上游筑坝工艺，坝体土质剖面的大概轮廓比较有规律。初期坝为土质坝，排渗条件差。
根据现状尾矿坝工程地质剖面以及地层分析，坝体稳定按不同部位分别取用对应的物理力学指标计算。尾矿坝在水力充填过程中粗颗粒首先沉积，细颗粒在水力作用下继续向前运动，在水平方向上，粗颗粒靠近初期坝，细颗粒远离初期坝的普遍规律，在竖直方向上，底部经过长时间的固结固，固结度和密实度都增大，上部充填时间较底部相比较短，即固结度低。整体上看，渗透系数以上大下小的规律呈现[2]。
4 尾矿坝渗流场稳定性分析
本章節所采用的渗流有限元计算程序是以通过饱和非饱和土的Darcy定律和渗流计算方程为基础，可以用于饱和及非饱和渗流问题的建模分析，通过定义边界条件、渗透系数等参数进行渗流有限元计算。本节采用有限元法对考虑渗流作用下的尾矿坝进行稳定性分析，主要选用Geo Studio中SEEP/W对尾矿库的渗流场进行计算分析。
流体产生渗流的前提条件就是孔隙。在有流动空间的基础上，流体才可流动，孔隙是流体产生渗流的必备条件。流动的空间和多孔介质是流体流动的必备条件，在压力一定，孔隙越大，过流能力就会越大。同理，孔隙越大，透水能力也会越大，所以其透水能力与孔隙比关系密切。
本节选取库内水位74m 、75m、76m、77.88m和78.28m五个水位来分析尾矿坝渗流场。
（1）H=74m
1、当库内水位74m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。浸润线溢出点为13.75m处，该水位下的渗流量为3.27×10-5 m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.5（a）中黄色部分显示。孔隙水压力最小为-407.9kpa，最大为714.4kpa。
1、当库内水位75m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，浸润线比H=74m略微抬高，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。该水位下的渗流量为4.13×10-5m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4（a）中黄色部分显示，较H=74m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-378.5kpa，最大为733.8kpa。
1、当库内水位76m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，浸润线比H=75m略微抬高，在堆积坝和初期坝范围内均为平缓下降。该水位下的渗流量为5.37×10-5 m3/s。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。
2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.6（a）中黄色部分显示，较H=75m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-347.6kpa，最大为745.4kpa。
1、当库内水位77.88m时，浸润线在尾矿库区上游给定水头位置开始降落，而后转为平缓下降，在初期坝已经降落至初期坝1/2高度处。较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。该水位下的渗流量为1.05×10-4 m3/s。 2、该水位下的孔隙水压力主要为图4.7（a）中黄色部分显示，较H=76m往堆积坝坡面下方移动。孔隙水压力最小为-231.5kpa，最大为763.7kpa。
1、当库内水位78.28m时，库区内饱和面积增大，浸润线明显比77.88m水位抬高。与77.88m计算成果类似，较大的渗透坡降发生在库内尾矿材料中且方向向下，不会对尾矿库的安全造成不良影响。该水位下的渗流量为2.12×10-3 m3/s。
2、該水位下的孔隙水压力主要为图4.8（a）中黄色部分显示，较H=77.88m往堆积坝坡面下方移动，已移动至初期坝中。孔隙水压力最小为-131.1kpa，最大为767.7kpa。
5 结论
通过以上分析，从以上五组图中（3-7）可以看出，库内水位升高对于坝体渗流场的影响主要表现在以下几个方面：
（1） 浸润线发生在孔隙水压力为零与不为零的分界面上，所以每组图即可反映出浸润线的位置，又可显示坝体孔隙压力的分布。从模拟计算的浸润线结果来看，五个水位下的浸润线均没有在堆积坝坡面处出溢，浸润线距离坝坡仍有一段距离，不会对坝坡产生渗流破坏。
（2） 缩短了渗径。随着水位的抬高，渗径随之增长。
（3） 提高了上游水头。高水位条件下，坝体产生较大的渗透力，容易使得堆积坝边坡发生塑性贯通，导致溃坝。
（4） 孔隙水压力在浸润线以上为负值，表现为拉应力，且随着水位的升高，拉应力逐渐增大，不利于坝体的稳定性；浸润线以下为正值，表现为压应力，随着水位的升高，压应力变大。从整体上看，孔隙水压力的集中部位随着水位的抬高，逐渐向坝体底部靠近。
参考文献：
[1]李淑芬，杨溢，蓝蓉.杨家箐磷石膏堆场坝体渗流分析及稳定性的研究[J]， 昆明理工大学硕士论 文，2011-10-12.
[2]徐志英.沈珠江.尾矿高堆坝地震反应的综合分析与液化计算[J]，水力学报，1983年第5期.
[3]速宝玉，赵坚.影响上游法尾矿坝渗流场的诸因素分析[J].河海大学学报，1991，19（6）：57-63.
[4]潘建平，孔宪京，邹德高，尾矿坝地震液化稳定的简化分析[J]，水利学报，2006年第10期第37卷，1224-1229.
[5]尾矿设施设计参考资料编写组.尾矿设施设计参考资料.北京：冶金工业出版社.1987.