尾礦庫(kù)壩基管涌破壞試驗(yàn)

魏 勇 趙安文 許開(kāi)立

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)，621010；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

尾礦庫(kù)壩基管涌破壞試驗(yàn)

魏 勇1趙安文1許開(kāi)立2

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)，621010；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

以綿陽(yáng)市平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)資料為依托，利用尾礦壩潰壩致災(zāi)模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)尾礦壩壩基進(jìn)行了滲流破壞(管涌)的砂槽模型試驗(yàn)；觀察并分析了滲流破壞(管涌)發(fā)生、發(fā)展并導(dǎo)致潰決的過(guò)程，即壩基管涌破壞可概化為無(wú)明顯滲透變形階段、形成階段、發(fā)展階段和整體破壞階段等4個(gè)階段；揭示了滲流破壞(管涌)的演化機(jī)理：當(dāng)壩基水平平均水力梯度低于臨界水力梯度時(shí)，管涌溝槽向上游僅在壩基一定范圍內(nèi)發(fā)展并最終停止，一旦超過(guò)該臨界值后，管涌溝槽持續(xù)發(fā)展并最終與上游連通，連通管流的強(qiáng)力沖刷最終導(dǎo)致壩基整體結(jié)構(gòu)失效和潰決。試驗(yàn)結(jié)果表明：①尾礦庫(kù)壩基管涌破壞僅發(fā)生在砂層頂部的淺層區(qū)域；②壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

壩基 滲流破壞 管涌 演化機(jī)理 臨界梯度

尾礦庫(kù)作為礦山企業(yè)生產(chǎn)的三大控制性建設(shè)工程之一，尾礦壩的運(yùn)行狀況不僅關(guān)系到礦山的生產(chǎn)建設(shè)，而且關(guān)系到庫(kù)區(qū)下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及周邊環(huán)境[1-7]。就壩體穩(wěn)定而言，涉及的影響因素很多，但無(wú)論從理論研究或是工程實(shí)踐所展示的資料分析，滲流的影響都是一個(gè)重要的因素，其中管涌是滲透破壞的主要形式之一。

目前針對(duì)管涌破壞過(guò)程及機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用的研究方法主要包括理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)等方面。在理論分析方面，分析和推導(dǎo)了管涌破壞的臨界水力梯度Jcr的計(jì)算公式[8-9]；在室內(nèi)試驗(yàn)研究方面，主要采用模型試驗(yàn)研究了堤(壩)基管涌破壞的發(fā)生、發(fā)展并導(dǎo)致潰堤的機(jī)理和過(guò)程[10-15]。

前人從多個(gè)角度探討了管涌破壞發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程及機(jī)理，研究對(duì)象主要是堤(壩)基，而針對(duì)尾礦庫(kù)壩基管涌破壞的相關(guān)研究鮮有報(bào)告。因此，在前人研究基礎(chǔ)之上，開(kāi)展研究尾礦庫(kù)壩基管涌破壞的發(fā)生、發(fā)展并導(dǎo)致潰壩的過(guò)程和機(jī)理，對(duì)于指導(dǎo)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行以及庫(kù)區(qū)下游防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 砂槽模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

四川省綿陽(yáng)市平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫(kù)為一座山谷型尾礦庫(kù)，采用上游法堆壩，初期壩為堆石壩，初期壩壩頂高程為1 285 m，壩高30 m(不含清基深)，有效庫(kù)容為17.68萬(wàn)m3。堆壩從1 285 m開(kāi)始按照1：3.5的堆壩外坡用尾砂堆壩，最終堆壩標(biāo)高 1 365 m，堆高75 m，總壩高107 m，尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容為589.13萬(wàn)m3，服務(wù)年限為12 a。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)該尾礦壩局部滲漏現(xiàn)象，并有逐年加重的趨勢(shì)。

1.2 模型設(shè)計(jì)

本次按照1∶250比例尺縮小，對(duì)于模型比尺為λ的物理模型，原型與模型主要物理量間的關(guān)系如表1所示。砂槽模型的尺寸為1.6 m×0.33 m×1.07 m(長(zhǎng)×寬×高)，整個(gè)模型如圖1所示。擋水板(簡(jiǎn)稱(chēng)“插板”)右側(cè)尾礦砂樣上面覆蓋1 cm厚的有機(jī)玻璃板，僅在距擋水板0.62 m的中心位置開(kāi)一直徑4 cm的圓孔，模擬下游壩基存在的薄弱環(huán)節(jié)和管涌口。在砂槽模型下游一側(cè)開(kāi)鑿2排孔安裝測(cè)壓管，用于觀測(cè)管涌破壞過(guò)程的水頭變化。

表1 各物理量的物理模型和原型的相似關(guān)系

圖1 壩基模型示意

1.3 試驗(yàn)材料

本次模型砂采用平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫(kù)堆壩用尾礦砂，其顆粒組成及分布情況如圖2所示。該尾礦砂的不均勻系數(shù)Cu(=D60/D10)為20.2，根據(jù)Istomina的不均勻系數(shù)法進(jìn)行判斷，該尾礦砂材料為管涌型土，即容易發(fā)生管涌。

圖2 尾礦砂的顆粒組成及分布

通過(guò)對(duì)該隨機(jī)采取的5組尾礦砂試樣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，得到其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)

1.4 試驗(yàn)步驟

(1)試樣制作。首先將擋水板插入到砂槽一定深度，往砂槽內(nèi)注入自來(lái)水，采用水下拋填方法制作壩基試樣，以模擬壩基天然沉積過(guò)程。將壩基砂層鋪設(shè)至要求厚度，用刮刀抹平壩基表面，用海綿吸盡上面的水。

(2)上膠。將有機(jī)玻璃板蓋在壩基表面，使有機(jī)玻璃板與尾礦砂層緊貼，有機(jī)玻璃板與砂槽及擋水板之間用玻璃膠密封。上膠完成后，再次檢查玻璃膠密封處是否完好，以確保整個(gè)試驗(yàn)成功。

(3)試驗(yàn)過(guò)程水頭控制。在完成上述試驗(yàn)步驟后，靜止一段時(shí)間，使尾礦壩基砂層有一定的固結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，緩慢增加水頭，使尾礦砂層達(dá)到飽和，之后逐級(jí)增加水頭進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，管涌口處渾水和清水會(huì)交替出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)清水時(shí)，說(shuō)明壩基滲透破壞處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)記錄下相應(yīng)的水頭、滲流量、砂環(huán)直徑、測(cè)壓管水頭等參數(shù)。

2 試驗(yàn)過(guò)程及分析

各級(jí)水頭的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，壩基水平平均水力梯度定義為

(1)

其中，H為進(jìn)水室與管涌口水位差；L為管涌口到進(jìn)水室的距離。

(1)無(wú)明顯滲透變形階段。當(dāng)H=7 cm時(shí)，有少許清水從管涌口滲出(見(jiàn)圖3)，無(wú)其他現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)H=10 cm，管涌口出現(xiàn)渾水，管涌口裸露砂層出現(xiàn)幾處較明顯的砂眼，少許細(xì)砂粒被水流帶出管涌口，并堆積在管涌口四周形成小砂環(huán)；當(dāng)H=13 cm，“砂沸”

表3 壩基管涌破壞試驗(yàn)結(jié)果

逐漸擴(kuò)大到整個(gè)管涌口裸露砂層，砂環(huán)直徑略有增加。此階段僅管涌口裸露砂層出現(xiàn)“砂沸”現(xiàn)象，無(wú)明顯滲透變形，水平平均水力梯度和滲流量基本呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖4所示。

圖3 水從管涌口滲出

圖4 水平平均水力梯度和滲流量的關(guān)系

(2)形成階段。當(dāng)H=16 cm時(shí)，管涌口裸露砂層“砂沸”持續(xù)加劇，緊靠管涌口壩腳處出現(xiàn)局部滲透破壞，持續(xù)一段時(shí)間后，壩基內(nèi)部(有機(jī)玻璃板下)出現(xiàn)水平長(zhǎng)度約為2 cm的窄淺溝槽狀通道，水平平均水力梯度和滲流量開(kāi)始偏離線(xiàn)性關(guān)系(見(jiàn)圖4)。

(3)發(fā)展階段。以后逐級(jí)增加水頭，當(dāng)壩基管涌通道最前端臨空面砂層中的細(xì)砂粒受到的滲透力大于周?chē)傲?duì)其約束力時(shí)，細(xì)砂粒就會(huì)失穩(wěn)、起動(dòng)，在水流作用下向下游管涌口方向輸移，管涌溝槽呈蜿蜒河曲狀向上游水平延伸發(fā)展(見(jiàn)圖5)。當(dāng)H=21 cm，壩基內(nèi)形成的管涌溝槽水平長(zhǎng)度約為25 cm。此階段壩基內(nèi)部滲透破壞持續(xù)并穩(wěn)定發(fā)展，水平平均水力梯度和滲流量嚴(yán)重偏離線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 管涌溝槽呈河曲狀向上游發(fā)展

(4)整體破壞階段。當(dāng)H=30 cm時(shí)，水平平均水力梯度達(dá)到臨界水力梯度，管涌口滲流量和出砂量加速遞增，管涌溝槽快速向上游臨水側(cè)延伸發(fā)展，如圖6所示。經(jīng)過(guò)114 min后，管涌溝槽前端發(fā)展至上游進(jìn)水室，上下游連通，壩基整體結(jié)構(gòu)失效，在連通水流的強(qiáng)力沖刷下，最終導(dǎo)致壩基潰決(見(jiàn)圖7)，最終壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

圖6 末級(jí)水頭管涌溝槽長(zhǎng)度與歷時(shí)的關(guān)系

圖7 管涌破壞

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 管涌破壞位置分析

尾礦壩基管涌破壞僅發(fā)生在砂層頂部的淺層區(qū)域，主要原因是：①由于壩基砂層固結(jié)作用，砂層頂部的淺層區(qū)域固結(jié)強(qiáng)度(力)比深部區(qū)固結(jié)強(qiáng)度(力)小，并且固結(jié)強(qiáng)度(力)水平方向又比垂直方向?。虎趬位皩禹斆媸菨B徑最短、曲率最大的一條流線(xiàn)，沿此流線(xiàn)的水平水力梯度最大，即水平滲透力最大。

3.2 管涌發(fā)展過(guò)程及機(jī)理分析

當(dāng)壩基管涌通道最前端臨空面砂層中的細(xì)砂粒受到的滲透力大于周?chē)傲?duì)其約束力時(shí)，細(xì)砂粒就會(huì)失穩(wěn)、起動(dòng)，在水流作用下向下游方向輸送，部分砂粒會(huì)被水流帶出管涌口形成砂環(huán)。管涌通道周?chē)纳傲?包括管涌通道前端細(xì)砂粒移除后起支撐骨架作用的粗砂粒)也會(huì)在水流沖刷作用下起動(dòng)，向管涌口方向輸送。

在整體破壞階段之前，管涌通道向上游發(fā)展并最終停止，主要原因是：當(dāng)進(jìn)水室水頭增加到某級(jí)時(shí)，管涌通道最前端臨空面砂層中的細(xì)砂粒就會(huì)失穩(wěn)、起動(dòng)，隨著管涌通道的延伸發(fā)展，管涌通道前端臨空面砂層受到的水平滲透力逐漸降低，并最終等于砂層的局部固結(jié)強(qiáng)度(力)。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)粒度分析和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，本試驗(yàn)用尾礦砂為管涌型土，即容易發(fā)生管涌。

(2)尾礦庫(kù)壩基管涌破壞僅發(fā)生在砂層頂部的淺層區(qū)域，壩基管涌破壞可概化為4個(gè)階段：無(wú)明顯滲透變形階段、形成階段、發(fā)展階段和整體破壞階段。

(3)該尾礦庫(kù)壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Ping Damage Expriment in Dam Foundation of Tailing Reservoir

Wei Yong1Zhao Anwen1Xu Kaili2

(1.SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang，621010，China；2.SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

Based on design data of a Pingwu tailing reservoir of lead-zinc concentrator in Mianyang city，a series of flume model experiments were conducted to study seepage damage (piping) of tailing dam foundation by simulation experiment platform of tailing dam-break.The whole development process from seepage damage (piping) incipit to dam failure was observed and analyzed，and it means that piping damage of tailing dam foundation can be generalized into four stages:no seepage deformation stage，forming stage，development stage and overall damage stage.Evolution mechanism of seepage damage (piping) was revealed:piping channel towards the upstream develops only within a certain area and eventually stops when horizontal average hydraulic gradient is under critical hydraulic gradient.Piping channel will persistently propagate towards the upstream and finally cause dam foundation structure to fail or break as the horizontal average gradient exceeds the critical value.The experiment result showed that piping damage of tailing dam foundation only occurs in shallow area at the top of tailings; Horizontal average critical hydraulic gradient of piping damage is 0.484.

Dam foundation，Seepage damage，Piping，Evolution mechanism，Critical gradient

2015-06-23

四川省安全監(jiān)管局安全生產(chǎn)科技項(xiàng)目(編號(hào)：scaqjgjc_stp_20150011)，西南科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目(編號(hào)：11ZX7116)。

魏 勇(1980—)，男，講師，博士。

X928.03

A

1001-1250(2015)-09-157-04