1、- 1 -目 录第一章 排土场工程地质条件分析研究.11.1 概述11.2 区域地质条件11.3 地形地貌特征 .51.4 排土场地基工程地质条件 .61.5 排土场水文地质特征 81.6 场地土类型与地震动参数 .91.7 排土场区不 良地质条件分析 .91.8 研究 依据 101.9 本章 小节 11第二章 排土场渗流场分析研究122.1 概 述 122.2 排土场区水文地质特征 .122.3 地下水渗流场 有限元分 析原理.162.4 渗流场 边界条件处理 .242.5 渗流场计算 结果及分析 25第三章 排土场岩 土物理力学性质试验293.1 概 述.293.2 试验项目及 工作量.3
2、03.3 排土场散体物料模拟 303.4 地基岩层物 理力学性质试验.333.5 散体物理力 学性质试验.37第四章 排土场基底承载 力及单台阶极限高度分析444.1 概述.444.2 地基承载力分析.45- 2 -4.3 单台阶极限高度分析.514.3 本章小结.52第五章 泥石流灾害 分析评价535.1 排土场泥石流成因及形成机理.535.2 排土场的基本条件与 特点.605.3 排土场泥石流形成的可能性及预测.615.4 结论及预防 措施.62第六章 排土场稳 定性分析.636.1 概述.636.2 排土场稳定性分析基本条 件及影响因素.636.3 排土场滑 坡模式 676.4 排土场稳
3、 定性分析 696.5 稳定性 分析结果.84第七章 排土场排土工 艺优化设计907.1 排土场概况 907.2 排土场堆 置参数 917.3 排土场容积 957.4 排土工艺优化 967.5 排土场运 输道路 .102第八章 排土 场工程防治措施1048.1 概述 .1048.2 排土场排洪排渗系统的设置1068.3 排土场位移变形监测 .109结 语1201第一章 排土场工程地质条件分析研究1.1 概述河南矿业公司钼矿为拟新建矿区，位于商城县达权店乡香子岗村及十二道河村，距达权店乡政府驻地 9.5 公里，矿区面积 3.66km2。钼矿属大型的露天开采矿山项目，矿山开采规模 330104t/
4、a。一期开采范围：境界上口东西长 747m，南北宽 653m，最高标高约 363m，总出入沟口标高 252m，底标高 60m，长 185m，宽 77m，矿山一期服务年限 23 年。矿石与废土石均采用汽车运输方式，矿石运至选厂，废石运到排土石场。钼矿排石场位于露天采场南侧沟谷上游处，该沟谷狭长，落差 150m，沟底平均纵坡约为 10，两侧山坡坡度 1430，沟形偏陡。废石排放标高在+250m+400m 之间，排土场容积为2950.0104m3，能满足一期服务年限废石堆置要求。排土场区向北约 5 公里，有简易公路与省道 216 线相通，沿 216线向北与省道 339 相接，经县城向西与京九铁路相距
5、 110 公里，向北与宁西铁路相距约 60 公里，交通条件便利。 1.2 区域地质条件1.2.1 区域地质背景矿区位于大别山北麓，属于秦岭造山带东延部分，由多个形成于不同构造环境，有着各自独立的建造特征、变形变质和构造演化序列的构造地层体组成，经历了多阶段、多期次构造运动，形成为一体的2复杂构造带。其中起决定作用的是中岳变动与燕山运动，中岳变动中形成的褶皱呈北西-南东向规模较大的复背斜构造，主要褶皱轴线及枢纽有弯曲和丐伏的现象。燕山运动的褶皱仅在东南部较发育，呈北西向规模不大的复式向斜构造。构造以断裂构造为主，褶皱为辅。信阳洪畈集双椿铺断裂是秦岭构造带（隆起）与横川坳陷的分解断裂；桐柏商城断裂
6、是秦岭褶皱带（北部）与桐柏大别山褶皱（南部）的分解断裂；而横贯秦岭褶皱带内的松扒龟山梅山断裂是南秦岭和北秦岭两大复合地体的聚合边界线。图 1.1 区域构造地质图31.2.2 地层根据区域构造单元划分，工作区位于区域性桐柏-商城断裂以南，地层属于桐柏-大别变质核杂岩隆起带地层区，地层划分见下表 1.1。表 1.1 区域地层单位划分一览表界 系( 岩)群 统 (岩)组、层 代号 接触关系新生界 第四系 全新统 冲积层 Qhal奥陶系下统-震旦系 肖家庙岩组 Z-O1x中新元古界 浒湾岩组 Pt2+3h变质深层岩系 PtDog太古宇-元古界表壳岩系 ArDb未接触推覆构造区内出露地层简单，主要为元古
7、界大别片麻杂岩和第四系土层。1、元古界大别片麻杂岩（PtDog）场区内除矿区出露花岗斑岩和沟谷中出露少量第四系外，其余均出露大别片麻杂岩。由于遭受到强烈的变质变形作用改造，构造形迹极为复杂，原始的地层层序大部分遭受破坏，片麻理产状零乱。组成岩性较简单，主要为黑云斜长片麻岩（gnbp） 、其次为斜长角闪片岩（gnph)。2、第四系（Q）区内第四系主要分布在沟谷中，厚度较小，一般 2-5m。岩性为粉质粘土、砂、角砾及碎石等。1.2.3 构造4本区为桐柏-大别线性强应变带，经历了长期的地质演变，地质构造错综复杂。根据区域地层及沉积建造组合、岩浆活动、变质变形及地球物理特征，区内主要发育多期次的韧性变
8、形以及以脆性变形为主的推覆构造和断裂构造。推覆构造位于新店以西，推覆体呈一短轴状，长约 10km，宽约4km，推覆界面产状较陡，早期表现韧性变形，发育拉伸线理、拖拽褶皱等，后期叠加脆性构造。排土场区主要在水库南侧上游发育一近东西向压扭性断裂构造，断裂带内岩石破碎，见硅化及褐铁矿化现象。1.2.4 新构造运动及地震矿区区域地质构造上处在桐柏-大别造山系中段，构造单元为大别山杂岩变形带。小区域上位于大别山字型弧形盾地内侧构造带中部，基底为元古界变质岩系地层，经多期构造活动，特别是燕山期岩浆活动较频繁，将早期变质岩体切割得支离破碎，使该区大面积侵入花岗岩岩体。排土场区属低山丘陵地貌，山谷狭窄，山脊尖
9、峭，多呈“V”字沟谷，地形相对高差大，表明新构造运动主要为垂直方向上的上升运动，大别山区古陆持续隆起，沟谷下切，在冲沟两侧发育不对称阶地；山前倾斜平原发生广泛沉降，其早期具明显继承性，晚期则表现为振荡性沉降。进入全新世以来，该区仍处于南北向顺扭应力场中，地壳活动仍较活跃：淮河上游及南侧各大支流发育不对称河谷，且历史地震记录也比较多。场区西侧约两公里的长竹园断裂是区域性商（城）麻（城）断5裂的一部分，属深大断裂，呈北北东向展布，自 1925 年以来，该断裂在本区及附近地区发生三级以上地震有六次之多，1932 年在邻区湖北省麻城县黄土岗一带发生 6 级地震，2000 年 3 月，在距商城县约250
10、km 里以外的湖北省发生一次 5 级左右的地震，波及到商城县，商城县境内有震感，有少数陈旧房屋墙壁开裂，无人员伤亡。历史地震记录和商城县汤泉池温泉出露表明，长竹园断裂是一条活断层，在近期还有活动的可能。1.3 地形地貌特征商城处于大别山北麓，地势南北倾斜，逐级降低。南部山地，海拔千米以上面积占全县总面积 40%，中部低山丘陵，海拔在+100+400m，面积占 32%；北部丘岗，海拔 100m 以下，面积占28%。项目处南部中低山区，总体山势北低南高，属低山丘陵区，最高标高 855m（双尖） 。矿区属侵蚀低山丘陵地貌，地形总体趋势是北低南高，最高海拔标高 522.8m（郑彭坳） ，最低侵蚀基准面
11、 154.0m（马大沟清水河河床） ，相对高差达 368.8m。地形受侵蚀切割，山势陡峭，沟谷纵横。排土场位于商城县南方 35km 左右冲沟地带。冲沟两岸地貌属构造剥蚀中-低山地貌单元，地形由南向北逐渐变低；冲沟中上游呈“V”字型，两侧地势较陡，自然坡角 30-50 度，地表植被发育，沟谷中有少量第四系冲洪积（Q4al+pl）碎石堆积；沿沟两侧岩石出露，显示岩性为黑云斜长片麻岩。地表水为沟谷中的季节性溪流。6排土场区地貌属构造剥蚀低山地貌单元，地面标高在+220m-+400m 之间，周边地势陡峻，地形起伏较大，山上植被发育，河沟呈“V”字型，沟底两侧多为民宅、农田。表部地层为第四系冲洪积砂、碎
12、石层，见漂石、块石。地表水为河谷中的溪流，枯水季节几近断流。1.4 排土场地基工程地质条件根据本次河南省信阳工程地质勘察院针对排土场区的勘察情况，排土场地基划分出、四个工程地质层及若干亚层。各层特征分述如下：碎石（Q4al+pl）:黄褐色，湿-饱和，中密，粒径大于 20mm 以上的颗粒约占总量的 60%，棱角状，含 5%左右的块石，最大粒径大于100mm，孔隙充填中粗砂；级配差，分选性较好，母岩成分为花岗片麻岩，矿物成分以石英、斜长石为主，次为云母及角闪石等；圆锥动力触探(N63.5)试验击数 13.0-75.0 击，主要分布于冲沟一带，层厚2.1-4.3 米。1 耕植土（Q4pd）：黄褐-灰
13、褐色，湿，松散，含碎石及少量块石，含较多植物根系，干强度低，韧性差。分布于沟谷一带耕地中，层厚 0.40.5 米。2 粉砂（Q4al+pl）:黄褐色、灰色，湿，松散，组分以粉砂为主，约占总量的 60%，含较多粘粒；顶部约 15cm 含有机质，该层仅见于 zk6 钻孔，层厚 0.7 米。3 砾砂（Q4al+pl）:黄褐色，湿，稍密-中密，组分以粒径715mm 的粗砂、角砾为主，约占总量的 70%，颗粒呈棱角状，含少量碎石，级配差，分选性较好，母岩成分为花岗片麻岩，矿物成分以石英、斜长石为主，次为云母及角闪石等；圆锥动力触探(N63.5)试验击数 8.031.0 击，下部 0.3m 夹粉质粘土薄层
14、，该层仅见于 zk1 钻孔，层厚 0.8 米。残坡积土（Q3el+pl）: 黄褐色，稍湿，松散，组分以花岗片麻岩碎屑及粘性土为主。该层于山麓边缘半坡一带分布，见于 zk2 、zk4 、zk5 、zk7 钻孔，层厚 0.41.7 米。1 全风化黑云斜长片麻岩（Pt）：黄褐色，主要矿物成分为斜长石、石英、黑云母。岩石因受风化影响，原岩结构破坏严重，岩芯多呈砂土状，岩芯采取率 60%左右，岩体基本质量等级为级。层厚0.6-2.2 米。2 强风化黑云斜长片麻岩（Pt）：黄褐色，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石因受风化影响，原岩结构破坏较严重，岩芯多呈砂状及碎块状，岩芯采取率 70%左右；岩
15、体基本质量等级为级。圆锥动力触探试验(N63.5)击数 55.0-105.0 击，层厚 0.82.9米。3 中风化-微风化黑云斜长片麻岩（Pt）：深灰色，粗粒变晶结构，厚层状构造，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石受风化影响较弱，风化裂隙不发育，裂隙面呈闭合状，岩芯多呈长柱状、柱状，岩芯采取率 85%以上；RQD 约 70%，岩体基本质量等级为级。该层揭露最大层厚 6.7 米。8构造角砾岩（Pt）：深灰色，粗粒变晶结构，块状构造，主要由长石、石英、黑云母等矿物成分组成，岩石受风化及构造影响较强，岩芯多呈碎块状，岩芯采取率 60%以上；岩体基本质量等级为级。该层仅见于 zk4 钻孔，层
16、厚 2.4 米。1.5 排土场水文地质特征1.5.1 水文气象条件商城县属亚热带北部大陆性季风气候，其特点是四季分明，气候温和；春季多风，降雨量一般；夏季炎热，暴雨集中，易发生洪水；秋季天高气爽，温降较慢；冬季较寒冷干燥，晴天多，降雨少。降雨量较充沛，年降雨量 1225.9mm，夏季暴雨集中，多发生在 7、8 月份，每年 68 月份的降雨量占年降雨量的 40%以上。年平均气温 15.4，最冷月（1 月）平均气温 2.0，极端最低气温-20。最热月（7 月）平均气温 27.6，极端最高气温 39.7。年降雨量 1241.4 毫米，分布趋势由南向北递减。年平均降雨日数 125.8 天。年均日照 1
17、763.1小时，日照率 44%。太阳总辐射量平均为 111.37 千卡/平方厘米，光合有效辐射量 54.57 千卡/平方厘米，年均无霜期 222 天。1.5.2 水文地质条件溪由南向北流过，源头高程大于 400 米，河谷两岸为陡峭的山体，高差近 200m，落差大，汇水面积约 1km2，上游水流量0.44l/s1m 3/s，水量受降水控制，变化范围很大。水库水位介于241.5 m247.5m，库容 21000m390200m 3。排土场区及其附近地段地下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云9斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度 2.04.9m 不等，
18、平均厚度约3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，地下水迳流速度较慢，且岩石裂隙多发育呈闭合状。因此，降水入渗后使地下水富集，形成潜水。地下水主要补给来源为大气降水渗入补给，其沿浅层中(微)风化岩界面动移赋存，地下水迳流方向由南向北坡麓地带迳流，部分浅层地下水以小股泉或湿地形式排泄，人为开采地下水活动微弱，开采量小。1.6 场地土类型与地震动参数排土场地土类型为中软坚硬土，场地覆盖层厚度5.0m，场地类别为类。按建筑抗震设计规范排土场区抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度值为 0.05g，设计地震分组为第一组；场地设计特征周期为
19、 0.35s。1.7 排土场区不良地质条件分析(1) 破碎带排土场区存在两个破碎带，自南向北分别叙述如下：F1 破碎带：位于水库南侧上游(见排土场工程地质平面图)，走向近于东西向,倾角约 50, 见硅化及褐铁矿化现象 ,节理裂隙发育，局部有松动的岩体崩积物。F2 破碎带：位于水库南侧上游(见排土场工程地质平面图),走向10近于南北向，长约 20m，宽约 5m，见硅化及褐铁矿化现象，受构造动力挤压,岩体破碎，有松动孤石向山下倾斜，稳定性较差。(2) 地貌特征根据上述调查排土场区山高坡陡谷深，局部出现掉块现象，有少量河谷堆积物，为洪水季节泥石流的形成提供了物质条件，但区内无山崩、大型滑坡以及泥石流
20、等地质灾害记载。水库下游以下坡度较缓，坡度约 45%，沟谷宽度一般在 50100m 之间。(3) 地震液化据本次勘查成果，排土场区范围内，表层为 25m 冲洪积及残坡积土，下伏地层依次为全风化、强风化、中等风化的黑云斜长片麻岩岩体，且密实度较高，无液化土层分布，因此，工程建设施工引发场地土液化的可能性小。1.8 研究依据1、岩土工程勘察规范（GB50021-2001）2、 工程岩体试验方法标准GB/T50266-19993、 土工试验方法标准GB/T50123-19994、河南省信阳工程地质勘察院 2007 年 3 月编制的排土场工程地质勘察报告 ；5、南昌有色冶金设计研究院编制的河南矿业有限
21、公司钼矿（10000t/d） ；6、冶金部马鞍山矿山研究院， 攀钢（集团）矿业公司石灰石矿排土场合理结构参数研究 ，1997.12。117、马鞍山矿山研究院， 福建紫金矿业股份有限公司紫金山金矿江山岽排土场稳定性研究报告 ，2001.4。8、 采矿手册 ，冶金工业出版社，1991 年 5 月。9、 水文地质学的数值法 ，煤炭工业出版社，1980 年。1.9 本章小节（1）排土场位于商城县达权店乡香子岗村，为深切割陡窄地形，沟谷发育，山谷多呈“V”型，坡度为 30-50左右。海拔高度介于200-500 米。（2）排土场属于桐柏-大别变质核杂岩隆起带。地表出露的地层为元古界大别片麻杂岩（PtDog
22、）黑云斜长片麻岩、斜长角闪片岩，第四系（Q）砂质粘土、粘土、砂砾石等。（3）排土场面积约为 1 km2，流域内植被覆盖较好，据估算，植被覆盖率约为 7080%。（4）勘察场地地下水属孔隙潜水，水质较好，对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；（5）勘察场地的抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计特征周期为 0.35s,场地地基土类型为中软-中硬土，场地类别为类。属建筑抗震不利地段，场地内无液化土层分布。12第二章 排土场渗流场分析研究2.1 概述影响排土场稳定性的因素有内在因素和外在因素两个方面。内在因素有组成排土场散体物料的力学性质等，它们常常
23、起着主要的控制作用。外在因素有地表水和地下水的作用、地震、工程荷载等，其中，地表水和地下水是影响边坡稳定性最重要、最活跃的外在因素。地下水位及变动幅度，含水层与隔水层的分布及组合关系，散体物料渗透性强弱、富水性、地下水的补给、径流、排泄条件等等，对排土场稳定性起着决定性作用。地下水渗流对排土场稳定性的影响，主要表现在：地下水在排土场的散体物料中通过孔隙中的渗透形成孔隙水压力存在于排土场之中，对排土场产生静、动水压力。静水压力常使散体物料重度减少（浮重度） ，从力学角度讲，它降低了岩土体的有效应力，从而减少了坡体的抗滑能力；而动水压力则通过渗透作用增加了坡体的下滑力。两者均使排土场稳定性降低。因
24、此，任何赋存有地下水的排土场稳定性研究，都必须进行地下水渗流场的分析计算，为排土场稳定性分析提供基础依据。2.2 排土场区水文地质特征了解场区水文地质情况，含水层结构及其与隔水层的组合关系，以及水文气象关系，对研究地下水补给、径流、排泄具有十分重要的意义。本节重在对排土场区水文地质特征进行论证。2.2.1 排土场区气象水文条件13商城县属亚热带北部大陆性季风气候，其特点是四季分明，气候温和；春季多风，降雨量一般；夏季炎热，暴雨集中，易发生洪水；秋季天高气爽，温降较慢；冬季较寒冷干燥，晴天多，降雨少。降雨量较充沛，年降雨量 1225.9mm，夏季暴雨集中，多发生在 7、8 月份，每年 68 月份
25、的降雨量占年降雨量的 40%以上。年平均气温 15.4，最冷月（1 月）平均气温 2.0，极端最低气温-20。最热月（7 月）平均气温 27.6，极端最高气温 39.7。年降雨量 1241.4 毫米，分布趋势由南向北递减。年平均降雨日数 125.8 天。年均日照 1763.1小时，日照率 44%。太阳总辐射量平均为 111.37 千卡/平方厘米，光合有效辐射量 54.57 千卡/平方厘米，年均无霜期 222 天。在排土场区域内，溪由南向北流过，源头高程大于 400 米，河谷两岸为陡峭的山体，高差近 200m，落差大，汇水面积约 1km2，上游水流量 0.44l/s1m3/s， ，水量受降水控制
26、，变化范围很大。汇入水库，水库水位介于 241.5 m247.5m，库容约 21000m390200m3。排土场区及其附近地段地下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度 2.04.9m 不等，平均厚度约 3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，地下水迳流速度较慢，且岩石裂隙多发育呈闭合状。因此，降水入渗后使地下水富集，形成潜水。地下水主要补给来源为大气降水渗入补给，其沿浅层中(微)风化岩界面动移赋存，地下水迳流方向由南向北坡麓地带迳流，部分浅层地下水以小股
27、泉或湿地形式排泄，人为开采地下水活动微弱，开采量小。排土场位于水库所处位置，规划中，水库将为排土场侵占，排土14场坡脚将延伸至库坝位置。排土场三面环山一面出口的漏斗状沟谷中,周围山高坡陡，便于水流的汇集。地下水的补给以大气降水为主，以地表水沟渠和泉排泄。2.2.2 排土场区水文地质条件排土场区属侵蚀低山丘陵地貌，毗邻江淮分水岭是区域地下水的补给迳流区，总体地势南高北低，最高海拔高 522.8 米（郑彭坳） ，最低侵蚀基准面 154.0 米（马大沟西清水河河床） ，相对高差 368.8米.1、含水层与隔水层（1）含水层矿区主要分布着黑云斜长片麻岩、花岗斑岩、斜长角闪（片）岩以及第四纪松散堆积物，
28、依据赋水岩石的水文地质特征，将其划分为孔隙潜水含水层、基岩风化裂隙潜水含水层、基岩构造裂隙含水层等三类含水层。 孔隙潜水含水层赋水岩性第四纪松散堆积的砂、砾砂、卵砾石、含砾亚砂土等沿沟谷或河床呈带状分布，厚 23 米，粒度一般下粗上细、结构松散。 风化裂隙含水层排土场区出露岩石主要为花岗斑岩及黑云斜长片麻岩，岩石裂隙较发育，具褐色、褐红色铁锰质沉淀薄膜。处于高地势的风化裂隙接受降水及地表迳流的入渗，使得在低洼地带适当部位的风化层底部赋15存有微量裂隙潜水，形成风化裂隙含水层。根据钻孔揭露，矿区风化带下限深度范围为 3.6568.60 米，含水层水位埋深 0.0065.70 米，随季节变化幅度大
29、。该含水层主要补给来源是降水入渗补给，但由于风化裂隙多属闭合型且山体坡度大，不利于降水入渗补给，致使含水层赋水性、富水性差。 构造裂隙含水层矿区构造裂隙较发育，遍布各类岩石。由于裂隙开启性差，且又多被后期充填，再加上补给来源贫乏，因而很难形成规模含水层。（2） 隔水层矿区广泛分布的新鲜二长花岗斑岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩均属隔水岩层，岩石裂隙虽然发育，但由于部分裂隙被石英细脉或黄铁矿细脉充填，裂隙紧密闭合，岩体隔水性能良好。（3） 地下水的补给、迳流、排泄大气降水及地表水的垂向入渗是矿区地下水的主要补给来源，由于地形坡度大、岩石裸露、风化层厚度小、裂隙开启性差，致使补给强度非常微弱。地下水
30、的迳流是由正地形向负地形沿斜坡地带缓慢运移。地下水主要通过谷底湿地微渗、蒸发及迳流、泉等途径进行排泄。3、矿区地表水溪：发源于矿区南部，汇水面积约 1 平方千米，自南向北流经矿体东侧，汇入清水河，上游测站流量 0.44 升/秒大于 1m3/秒，明显16受降水控制,变化范围很大。在矿区东南部溪流上游建一小型水库，最低水位 241.50 米,最小库容 21000 m3；最高水位 247.50 米，最大库容 90200 m3。2.3 地下水渗流场有限元分析原理地下水渗流计算的目的在于求得渗流场内的渗流要素，为排土场边坡结构参数的确定和边坡稳定性分析提供可靠依据。目前所广泛采用的渗流计算方法，可分为流
31、体力学解法和水力解法两类，更广泛的概念还包括图解法、数值计算及各种试验法等。但理论的流体力学解法仅对少数简单的情况有效，在实际多介质复杂边界条件的渗流问题中，采用数值计算法则更能符合和满足工程条件和需要。2.2.1 渗流计算模型地下水在排土场填土层中的运动变化基本上符合渗流的有关规律，即水文地质模型可假定为非均质各向异性的连续介质，这时稳定渗流的控制方程为：（21） 333 222 11,0, ,coscos, 0zxnHkzxHzxqxkzzzRkx式中：H为水头函数；k 、k 分别为 x、方向的主渗透系数；17已知水头边界， 为 上的水头分布；1zxH,11已知流量边界， 为 的法线方向，
32、 为上 的流量2 2nzxq,2分布（不透水基面为 0） ；渗流自由面边界， 为 的法线方向；33nR 为源、汇补给量（包括降雨入渗） 。2.2.2 有限单元法渗流场数值模拟1、有限元基本原理有限元法是一种分块近似里兹（R iz ）法的应用，它首先把连续体或研究区域离散划分成有限个单元体，称为基本单元，单元的角点称为结点，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各结点把单元与单元连结起来，集会为整体，形成代数方程组在计算机上求解。经常求解渗流场中的水头函数 H 的方程，其一般形式为：KH=F （22）式中：K为总体渗透矩阵；H为水头列向量；F为自由项列向量。这样，就以代数方程组的求解
33、代替了原来偏微分方程的求解。这种划分单元求得的代数方程或计算公式可称为解题的离散数学模型，而原始的偏微分方程可称为基本数学模型。因此，有限元法可概括为一种划分单元来模拟实物或场域去进行物理量分析上的近似，以计算机为工具在矩阵分析和近似计算的基础上去进行所欲精度的数值计算18方法。有限元法实施渗流问题计算的步骤如下：1）将概化的偏微分方程的定解问题划为相应的变分问题。2）离散化：将求解域划分为具有一定的几何形状的单元，进行单元编号并确定插值函数，对结点进行总体编号和单元上的局部编号，并建立两者之间的对应关系。3）单元分析：单元划分后，分别按单元分片插值，以单元结点水头函数值的插值函数来逼近变分泛
34、函方程中的水头函数，得出单元上以结点水头值为未知量的代数方程组，从而导出单元渗透矩阵。4）总体渗透矩阵合成：由单元渗透矩阵合成总体渗透矩阵，并以定解条件代入，从而得出整个求解区域上的总体有限元方程。5）求解线性代数方程组，求解各结点的未知水头值。6）结果分析及其他相应的所需物理量计算。2、伽辽金法方程转换1）伽辽金有限元支配方程伽辽金法（Galerkin Method）是加权余量法（Method of Weighted Residuals）的一种。它是将试函数 Ni作为权函数进行加权计算。一般定义试探解 （x，）H（23）Niiz1),(19式 中 ： N 为 研 究 区 结 点 总 数 ，
35、Hi为 相 应 结 点 的 水 头 值 。 用（ x， z）代替式（21 ）中的 H，并使控制方程（ 21）在整个研H究区域内的加权余量等于零，即：（24）0),()()( dzxNzkxki利用分部积分和格林定理，可将上式化为：（250)()( dqdzHkxNk iizix）采用四节点四边形单元离散定解域。如图 2.1 所示，局部坐标与整体坐标的对应关系。图 2.1 局部坐标变换则（23）式可以写成：41)(i iieHN（26）其中 Ni（ ， ） （i=1，2，3，4）是形函数，它由下列条件唯一确定，N i（ ， ）在节点 i 上其值为 1，其余节点 j（ji）其值为z200，即有：i
36、，j=1,2,3,4 （27）)(0),(1jNji其中（ i， i）是节点 i 的局部坐标，则形函数可以写成：（28）4,321)1(4)( iii 其中4141)()(iii iii iiN（29）整体坐标与局部坐标可由形函数表示为：（210）41)(i iii iizNzxx其中（x i，z i） （i1，2，3，4）是已知的节点整体坐标。由局部坐标变换成整体坐标的 Jacob 矩阵为：（211） 2121),( zxNzxJ所以21iiiiNJzx1（212）根据等参单元的概念，渗流方程可写为：（213） dNqdzHkxNk iieziexe ee 将 代入上式，即可建立渗流有限元支
37、配方程为：41iiHN（214）41i ejiejiFk其中 dxzNkzxk jjzxiieije 0将其转化为高斯积分式： dJNJkJNk jjzxTiieij 111 0其中 为 Jacob 逆矩阵。xzJ1对单元渗流方程（214）进行整体组装，即可得到整个渗流问题的代数方程组KH=F （215）式中：K为整体渗透矩阵；H为节点水头列阵；22F为自由项列阵。（2）高斯积分公式上述在应用等参单元推导有限元方程过程中需要求诸如的积分。由于被积函数复杂，只能用数值积分手段求此1),(df积分。一般均采用精度较高的高斯积分法。二维高斯求积公式可写成（216） nij jijiHfdf11 ),
38、()(其中 i， j均为表 22 中的高斯求积节点，Hi， Hj（i，j1，2n）为相应的求积系数，此时，二维平面上的求积点数为 n2个。表 2-2 常用高斯积分的节点积求积系数N 节点 k 系数 Hk2 0.5773502692 130.744596669200.55555555560.888888888940.86113631160.33998104360.34785484510.652145154950.90617984590.538469310100.23692688510.47262867050.5688888889在实际工程计算中，为了保证必要的精度，且不过分增加工作量，通常可根据
39、等参数单元的节点个数来选取合适的积分高斯点数。积分点数 n 不需取得过大。通常渗流数值计算中常用的高斯23点数目如表 23 所示。表 23 渗流计算常用高斯点数计算维数 二 维 三 维2 四节点 八节点n 3 八节点 二十节点3、确定浸润面和渗出面对如图 2.2 所示的边坡渗流问题，存在有渗流自由面和渗出面。如果不考虑毛细管水，局部饱和区及水的蒸发等现象对渗流的影响，则整个边坡可分成渗流饱和区 1（渗流实区 AOBCDA） ，无渗流区 2（渗流虚区 ADEFA） 。图 2.2 渗流自由面在进行渗流计算时，对整个区域采用四边形等参单元离散，对渗流自由面以上的单元和节点称之为虚单元和虚节点，以下的
40、称为实单元和实节点。如果事先知道了自由面 AD 和渗出面 DC 的确切位置，则由渗流方程引入边界条件后，就可以求得问题的唯一解。但事实上事先 不知道 AD和 DC的具体位置，因此，本节采用节点虚流量法处理该问题。因边界 AD 为渗流自由面，是区域 1和 2的分界面，其上水压24强 P=0，测压管水头等于位置水头 H=Z；自由面以下的点有 HZ，以上的点有 HZ，区域 1和 2之间无流量交换。但实节点的流量连续性条件是建立在来自渗流虚区 2的虚流量贡献上求解的结果，在 1和 2两域的分界面 AD 上必有越流现象。对此，采用逐步迭代计算的基本思想，在前一步近似解的基础上，对渗流方程的左边扣除节点虚
41、流量贡献 后，得到新的求解方程组：q（217）*FHM其中 TnqqF,21* n 为虚节点总数，可根据 H Z 的条件判断。求解该方程组，得一新的近似解H。如果各水头分量满足沿自由面任一点法向无流量交换现象，则该解答为所求。如果最大交换值小于某一事先给定的允许精度，则迭代计算也就结束，得到满足工程精度要求的近似解。计算表明，也可以用下列式作为节点虚流量法收敛的准则，即：（218）NiHjiji ,211N 为自由面节点总数， 为允许误差，j 为迭代次序号。2.4 渗流场边界条件处理排土场区及其附近地段地下水类型主要为基岩风化裂隙、孔隙潜水。含水层主要赋存于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云
42、斜长片麻岩层的风化裂隙中，厚度 2.04.9m 不等，平均厚度约 3.6m。由于冲洪积砂、碎石层及全风化强风化的黑云斜长片麻岩层中，碎粒间多被粘性土充填，渗透系数小，属弱含水层。中风化及新鲜基岩裂隙虽然发育，但由于部分裂隙被石英细脉或黄铁矿细脉充填，裂隙25紧密闭合，岩体隔水性能良好，本次研究作为相对隔水岩层处理。排土场下游边界为定水头边界，由水库水位资料，水头取值为排土场坡脚标高。排土场表面上承受降水入渗补给，入渗补给系数根据排土场面积以及场区气象水文资料来确定，具体做法如下：从年平均来看，排土场年降雨入渗补给地下水量 Q 补 几近等于排土场地下水年排泄量 Q 排 ，即：Q 补 Q 排 （2
43、19）这里 Q 补 和 Q 排 只对排土场而言，坡面汇水对排土场地下水产生的补给和因此而引起的那部分排泄量不包括在内，因此排土场地下水年排泄量 Q 排 与排土场坡脚实测年泄流量 Q 的关系为：（220）F汇坡汇排排 式中 F 排 为排土场表面积，F 汇 为整个排土场场区的汇水面积，F 坡为排土场汇水面积中的坡面汇水面积， 即为坡面年汇入排土场的汇坡水量。由上述公式可算出排土场面积上的年降水入渗补给量 Q 补，则降雨入渗补给系数为：WFQ排 补（221）式中 W 为年降雨量，这样可算出降雨入渗补给系数 。排土场因尚未启用，故没有针对排土场的地下水排泄量观测资料，26但根据排土场未来物料性质及场地
44、地形地貌条件，以及借鉴地质条件相似的其它排土场资料，最后确定排土场降雨入渗补给系数为 0.5。2.5 渗流场计算结果及分析根据地质模型的概化及数学方法的实现，对排土场三个工程地质勘察剖面-剖面、-剖面、-剖面通过渗流场分析模拟，综合分析得出各剖面的地下水浸润线形态，如图 2.3 至图 2.5 所示。从图中可以看出，地下水埋深较深，这主要是由于排土场排弃物料主要以碎石为主，土质及细颗粒物料含量不大，散体物料渗透性较好所致。地下水埋深较深，这有利于新建排土场边坡的稳定性。由于排土场尚未启用，其散体物料性质存在很大不确定性，在考虑到后期物料固结，孔隙率变小，导致物料渗透性变差，将直接影响地下水渗流场的形态。因此，本次研究只作为排土场前期稳定性分析的参考依据，在排土场使用中后期，建议根据排土场实际地下水渗流场情况，进行排土场稳定性较核。27图 2.3 I-I 剖面渗流场浸润线位置图28图 2.4 II-II 剖面渗流场浸润线位置图图 2.5 III-III 剖面渗流场浸润线位置图
