尾礦壩穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)研究*

張敏哲 金愛兵 王志凱 張?jiān)荷?/p>

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

作為礦山開采控制性工程之一，尾礦庫(kù)能否正常運(yùn)營(yíng)，不僅關(guān)系到礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且還影響到庫(kù)區(qū)下游居民生命財(cái)產(chǎn)的安全及周圍生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定［1］。尾礦壩作為尾礦庫(kù)的主體工程，是一個(gè)具有高勢(shì)能泥石流的巨大污染源和危險(xiǎn)源，存在潰壩的危險(xiǎn)。在礦山由于尾礦壩工程失效潰壩而造成重大事故的事例屢見不鮮［2］。因此，對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性研究就顯得尤為重要。

物理模型試驗(yàn)即為保持工作規(guī)律相似的模擬試驗(yàn)，按照力學(xué)相似原理和異構(gòu)同功原理，復(fù)演與原型相似邊界條件、相似力學(xué)條件或相似變化過程的模型試驗(yàn)，能夠直觀、清晰地將物理現(xiàn)象展現(xiàn)出來［3-4］。作為工程科學(xué)研究的一種重要手段，已在巖土工程研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于各種原因，通過物理模型試驗(yàn)來模擬尾礦壩穩(wěn)定性的研究少之又少。

基于上述情況，在相關(guān)研究基礎(chǔ)上［5-10］，以西石門鐵礦生產(chǎn)的尾礦砂為試驗(yàn)材料，通過自行研制的尾礦壩物理模型試驗(yàn)裝置，按照室內(nèi)小比尺堆積尾礦壩體模型。試驗(yàn)研究了加壓過程中壩體內(nèi)孔隙水壓力以及浸潤(rùn)線的分布規(guī)律，同時(shí)監(jiān)測(cè)了壩體坡面標(biāo)志點(diǎn)位移與荷載的關(guān)系，并應(yīng)用高速數(shù)碼攝像技術(shù)捕獲了加壓過程中壩體的破壞情況。

1 尾礦壩物理模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)裝置及材料

模型試驗(yàn)裝置主要由主體模型箱、加壓系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3部分組成。模型箱尺寸為3.5 m×1.5 m×1.4 m(長(zhǎng)×寬×高)，考慮到方便觀察以及記錄尾礦壩體的破壞過程和破壞面，模型箱側(cè)面采用厚度為10 mm的透明有機(jī)玻璃。模型箱內(nèi)部布設(shè)排水管和排水井，以保證飽水過程中及時(shí)排水，同時(shí)設(shè)置?10 mm的透明鋼化玻璃管測(cè)量地下水位變化情況。加壓系統(tǒng)由反力支架、油壓千斤頂以及承壓鋼板組成，反力支架固定在模型箱上，加壓采用10 t立式油壓千斤頂逐級(jí)施加垂直荷載，承壓剛板尺寸為700 mm×500 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和全站儀組成，DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)孔隙水壓力的變化規(guī)律，全站儀監(jiān)測(cè)壩體坡面標(biāo)志點(diǎn)位移變形情況。

試驗(yàn)材料取自西石門鐵礦生產(chǎn)的尾礦砂，其顆粒大小和各種粒組所占比例與其物理力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切，對(duì)壩體穩(wěn)定性有很大的影響。隨機(jī)選取4組尾礦砂試樣進(jìn)行顆粒分析，試樣顆粒主要為砂粒(2～0.075 mm)，此類顆粒含量占到總量的72.1%左右;其次為粉粒(0.075～0.005 mm)，占到總量的26.5%左右;而黏粒(＜0.005 mm)含量只占到總量的1.4%左右。中值粒徑d50為0.16 mm。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)研究的內(nèi)容主要有:①以西石門鐵礦尾礦壩為研究背景，按照1∶100的比尺縮小，堆積尾礦壩體模型，并測(cè)試其穩(wěn)定性;②監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)孔隙水壓力隨著不同荷載的變化規(guī)律，同時(shí)測(cè)量地下水位變化情況，獲得不同荷載下浸潤(rùn)線分布特點(diǎn);③監(jiān)測(cè)壩體坡面標(biāo)志點(diǎn)位移與荷載的關(guān)系，并通過高速數(shù)碼攝像技術(shù)來捕獲加壓過程中壩體的變化情況。

尾礦壩初期壩采用透水堆石壩，主要起排除壩內(nèi)滲水和降低后期尾礦堆積壩浸潤(rùn)線的作用。初期壩壩底標(biāo)高為350.0 m，壩頂標(biāo)高為375.0 m，壩高為25.0 m，壩頂寬約4.0 m，內(nèi)坡比為1∶1.8，外坡比為1∶2.0。堆積壩采用上游法堆壩，從壩頂標(biāo)高375.0 m開始利用尾礦堆壩，最終堆壩標(biāo)高為435.0 m，總壩高為85.0 m。按照1∶100的比尺縮小，堆積尾礦壩體模型。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，布設(shè)排水井和排水管，同時(shí)布置地下水位測(cè)量管，并選用碎石堆筑初期壩。

(2)逐級(jí)堆積壩體，在壩體內(nèi)埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，坡面布置彩色大頭針作為位移標(biāo)志點(diǎn)，并記錄各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)。

(3)堆置好壩體后，在壩體的頂部(干灘面處)加水至飽和，浸泡2 d以上，排除壩體內(nèi)所含氣體，并觀察加水飽和后的尾礦壩體穩(wěn)定性狀況。

(4)在壩體頂部施加垂直荷載，每施加1級(jí)荷載，觀察壩體穩(wěn)定情況并記錄每一級(jí)荷載下壩體內(nèi)孔隙水壓力、地下水位變化情況以及壩體坡面標(biāo)志點(diǎn)位移變形情況，并重新記錄各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，卸載采取1次性卸載。

(5)試驗(yàn)完成后，將模型箱內(nèi)的尾礦砂清空，整理試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在加壓過程中，根據(jù)不同荷載大小，監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)孔隙水壓力以及地下水位的變化情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)壩體坡面標(biāo)志點(diǎn)位移的變形特點(diǎn)，并應(yīng)用高速數(shù)碼攝像技術(shù)捕獲壩體的破壞情況。

(1)通過試驗(yàn)獲得了壩體內(nèi)孔隙水壓力變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2可知:加壓使得壩體內(nèi)孔隙水壓力迅速增大，增加的幅值不單是由于地下水位上升引起的，主要是加壓使得壩體內(nèi)水承受了比較大的壓力，導(dǎo)致壩體內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，易造成堆壩材料強(qiáng)度降低或完全消失。

(2)根據(jù)不同荷載大小地下水位測(cè)量結(jié)果獲知了浸潤(rùn)線的變化規(guī)律，見圖3。從圖3中可看出:隨著荷載增加，壩體浸潤(rùn)線逐漸升高，前期上升較快，后期上升較慢，主要是由于加壓使得壩體內(nèi)部的水通過初期壩滲透出來，從而水位上升的幅度比較小，表明由于壩體繼續(xù)堆高使壩體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)不大。

圖2 孔隙水壓力變化

圖3 壩體浸潤(rùn)線變化曲線

(3)壩體坡面位移變形曲線如圖4所示。從圖4中可看出:逐級(jí)增加荷載，壩體坡面變形隨之增大。壩體頂部呈壓密狀態(tài)，中部受壓外凸顯著，底部受到影響很小。其中，4、5、6 3個(gè)最大位移變形標(biāo)志點(diǎn)影響范圍反映在圖3中的不穩(wěn)定區(qū)域?yàn)閴误w堆高46～63 cm位置，該區(qū)域?yàn)槲驳V壩體失穩(wěn)及采取工程措施的關(guān)鍵部位。同時(shí)，當(dāng)荷載為20 kN時(shí)，位移發(fā)生突變，導(dǎo)致變形急劇增大，通過將荷載20 kN轉(zhuǎn)換成堆高可得其臨界高度為125 cm，當(dāng)超過這個(gè)臨界高度時(shí)，變形會(huì)急劇增大，進(jìn)而引起壩體失穩(wěn)。通過高速數(shù)碼攝像技術(shù)捕獲此時(shí)壩體破壞情況，從中可看出壩體出現(xiàn)裂縫，見圖5。

圖4 位移變形曲線

圖5 壩體坡面變形

3 結(jié)論

(1)加壓會(huì)使壩體內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，究其原因，一方面地下水位的上升使得孔隙水壓力增大;另一方面加壓使得壩體內(nèi)水承受比較大的壓力。

(2)壩體的浸潤(rùn)線隨著荷載增加而逐漸升高，但上升的幅度及影響范圍比較小，表明由于壩體繼續(xù)堆高使壩體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)不大。

(3)整個(gè)壩體有向下、向前移動(dòng)的趨勢(shì)，中部外凸顯著，位移變化明顯，可見尾礦壩中部變形量最大，該區(qū)域?yàn)槲驳V壩體失穩(wěn)及采取工程措施的關(guān)鍵部位。

(4)尾礦壩體穩(wěn)定存在一個(gè)臨界高度，當(dāng)超過其臨界高度會(huì)導(dǎo)致變形急劇增大，引起壩體失穩(wěn)，因此在實(shí)際工程中應(yīng)充分重視這一臨界高度，并采取相應(yīng)的工程措施。

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