細粒砂尾礦壩滲透試驗及有限元分析

彭 成 諶 偉 陳 雙

(1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院；2.南華大學(xué)巖土工程研究所)

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細粒砂尾礦壩滲透試驗及有限元分析

彭 成1，2諶 偉1陳 雙1

(1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院；2.南華大學(xué)巖土工程研究所)

通過對湖南某尾礦壩細粒尾砂的常水頭滲透試驗，進行了細粒尾砂孔隙比與滲透系數(shù)常用對數(shù)的擬合分析，建立了二者之間的數(shù)學(xué)表達式，對不同孔隙比的細粒尾砂尾礦壩進行了滲流數(shù)值模擬分析，得出孔隙比與尾礦壩浸潤線埋深之間的關(guān)系，提出了該尾礦壩在滲流作用下安全運行的最優(yōu)孔隙比范圍。

細尾砂 孔隙比 滲透系數(shù) 浸潤線埋深 尾礦壩

從尾礦壩失事來看,滲流是影響尾礦壩穩(wěn)定性的主要因素之一。幾乎尾礦壩所有的事故都與水有關(guān),這是由于尾礦壩儲存著大量的尾礦和水,形成一個人工“尾礦湖”[1],是處于高勢能位量的“泥石流形成區(qū)”,而且滲流的存在使尾礦壩的穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜。據(jù)美國的調(diào)查統(tǒng)計，在美國破壞的206座土壩中有39%是由于滲流引起的。著名的弟頓壩(Teton),1976年由于滲流破壞而引起垮壩，總損失2.5億美元。1998年長江洪水期間，堤壩出險5 000 余處，其中60%～70%是由于管涌等滲流變形引起的。堤壩工程中的主要險情，如管涌、散浸、脫坡及崩岸等都與滲流有關(guān)。

目前的研究主要集中在粗粒土、軟土、黏性土、粗砂尾礦壩上，對細粒尾砂壩的滲流穩(wěn)定性研究還很少。隨著科學(xué)技術(shù)的進步及對資源的充分利用，各種礦物將會被加工的越來越細。當(dāng)尾礦粒徑越來越小時，尾礦壩的滲透系數(shù)也會越來越小，同時尾礦壩的浸潤線將會越來越高，在洪水等工況下細粒尾礦壩更有可能由于滲流而發(fā)生破壞。因此，本文圍繞細粒砂尾礦壩的滲透規(guī)律展開研究，為尾礦壩的安全運行與維護提供理論參考。

1室內(nèi)滲流試驗分析

1.1 滲流原理與試驗裝置

在尾礦砂樣兩端施加恒定壓力差ΔP,如果通過尾礦砂樣的流量為Q，氣流溫度為T時，根據(jù)達西定律，該尾礦砂的滲流系數(shù)為

(1)

式中,kT為水溫T℃時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q為時間t內(nèi)的滲透水流量，cm3；A為試樣斷面積，cm2；H為平均水頭差，cm；t為時間,s;L為兩側(cè)壓孔中心的試樣長度，L=10 cm。

本試驗采用的實驗裝置為70型滲透儀，因所選砂樣顆粒極細，為防止砂樣堵塞測壓管，影響水頭差，在測壓管上套一層滲透系數(shù)遠大于砂樣的紗布，通過控制供水瓶管的流量來保證試樣處于恒水頭作用下，然后記錄調(diào)節(jié)管在不同位置時測壓管的水位和相同時間流入量筒的水量，計算出該砂樣的滲透系數(shù)，見圖1。

圖1 常水頭滲透裝置

1.2 試樣制備

試驗砂樣來自于湖南某尾礦庫，為擾動砂樣。尾礦庫尾礦砂均處于不斷被壓實的狀態(tài)，越在底層壓縮量越大，孔隙比越小。經(jīng)初步試驗發(fā)現(xiàn)：不經(jīng)壓實的砂樣滲透系數(shù)大，難以準確記錄水頭差和滲流量，試驗結(jié)果不準確。因此本試驗通過控制壓縮量和試驗質(zhì)量，把試樣壓縮成5種不同孔隙比。另外，為防止細顆粒砂樣被水沖走，在試樣底部和頂部分別放2～3 cm厚、滲透系數(shù)遠大于該砂樣的粗砂和礫石層。

1.3 結(jié)果分析

影響細尾砂滲透系數(shù)的因素有：砂粒組成、砂的狀態(tài)、砂的結(jié)構(gòu)、滲透流體等。為研究孔隙比與細粒砂滲透系數(shù)的關(guān)系，選取同一種細粒砂和純水，排除砂粒組成、砂的結(jié)構(gòu)、滲透流體等因素的影響。根據(jù)相關(guān)土工試驗得到砂樣的相關(guān)系數(shù)，如表1。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，擬合出不同試驗孔隙比與滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖2所示。

尾礦堆積是一個隨機的過程，其干密度和空隙比在試驗過程中存在一定誤差，可忽略不計，因此試樣滲透系數(shù)只與試驗孔隙比有關(guān)。砂樣的三相組成中，在壓縮過程只有固體顆粒間的空隙被壓縮。在常水頭條件下，砂樣中的空隙越小，固體顆粒和砂樣中的水對在砂樣中流動的水阻礙作用就越大，水在砂樣中的流動速度越小，則滲透系數(shù)越小。從圖2可以看出，e′與lgk擬合，表明在一定范圍內(nèi)e′與lgk成線性關(guān)系。

表1 不同試驗孔隙比下尾細砂的相關(guān)參數(shù)

圖2 不同試驗孔隙比與滲透系數(shù)的擬合曲線

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 工程概況

某尾礦壩為上游式山谷型尾礦壩，初期壩為透水堆石壩，滲透系數(shù)為5×10-2cm/s，壩頂標高108.0 m，壩高13 m，壩頂寬4 m，壩頂軸線長80.5 m，上游及下游坡比為1∶2；尾礦堆積壩為細尾砂，其坡比為1∶3，堆積壩下面為中分化基巖，滲透系數(shù)為4.63×10-5cm/s，最終尾礦堆積壩標高設(shè)計為143.1 m，壩高48.1 m，庫容5.24萬m3,屬于Ⅲ級尾礦壩。該細尾砂尾礦壩的概化剖面如圖3所示。

2.2 數(shù)值模型的建立

在細粒砂尾礦壩的滲流變形分析中，浸潤線的影響十分突出。為了進一步研究孔隙比變化對細粒砂尾礦壩浸潤線的影響，對該細粒砂尾礦壩的堆積壩分別采用表1中的1#～5#試樣進行有限元數(shù)值模擬,對尾礦壩進行有限元分析時采用四邊形單元和三角形單元，對該模型進行網(wǎng)格劃分，共劃分為6 529 個節(jié)點，6 376個單元，模型網(wǎng)格劃分情況如圖4。

圖3 某細尾砂尾礦壩的概化剖面

圖4 某細尾砂尾礦壩的模型網(wǎng)格劃分

2.3 計算結(jié)果

5種試樣的浸潤線對比如圖5所示。

根據(jù)圖5,以堆積壩與初期壩交界處的浸潤線水位為該尾礦的浸潤線,得到不同孔隙比下浸潤線埋深間的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

通過圖5及表2分析可知：①在一定范圍內(nèi)，細尾砂尾礦壩的浸潤線埋深隨孔隙比的增大而增大；②當(dāng)孔隙比為0.309～0.452時，該尾礦壩的浸潤線埋深變化僅為1.2%。一般來說孔隙比越大，尾礦壩的浸潤線埋深就越大，尾礦壩在滲流作用下就越安全；但當(dāng)孔隙比過大時，尾礦壩的穩(wěn)定性卻會降低。為了保證該尾礦壩的安全運行，孔隙比建議在0.309～0.452選擇。

圖5 某細尾砂尾礦堆積壩5種試樣的浸潤線對比

試樣號孔隙比e浸潤線埋深h/m相鄰試樣埋深差值Δh/m差值與較大試樣浸潤線的埋深比/%10．1324．5480．3357．120．2524．8940．64411．630．3095．5380．0681．240．4525．6060．84113．050．5636．448

3 結(jié) 論

(1)試驗測得該砂樣的滲透系數(shù)為2.84×10-3～4.82×10-3cm/s，根據(jù)《尾礦庫手冊》，細尾砂滲透系數(shù)為8.4×10-3～1.91×10-4cm/s，該數(shù)據(jù)真實有效。

(2)在一定范圍內(nèi)尾礦壩細尾砂的滲透系數(shù)隨孔隙比的減小而減小，同時lgk與e′成線性關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系式為lgk=0.512 4e′-2.595 2。

(3)在一定范圍內(nèi)細尾砂尾礦壩的浸潤線埋深隨孔隙比的增大而增大。為了保證該細粒砂尾礦壩在滲流作用下安全運行，建議其孔隙比控制在0.309～0.452。

[1] 張世文,王紅艷.影響尾礦壩安全穩(wěn)定性因素分析及對策[J].礦業(yè)工程,2004(2):61-63.

Seepage Test and Finite Element Analysis of Fine Grained Milltailings of Tailings Dam

Peng Cheng1,2Chen Wei1Chen Shuang1

(1.School of Civil Engineering,University of South China;2.Institute of Geotechnical Engineering,University of South China)

Taking a tailings dam in Hunan province as the study example,the constant heat permeability test of fine grained milltailings is conducted,and fitting analysis between void ratio of fine grained milltailings and common logarithm of permeability coefficient is done,the numerical simulation seepage analysis of the tailings dam with fine grained milltailings with different void ratio is done,the relationship between void ratio and the saturation line depth of tailings dam is analyzed,besides that,the optimal scope of void ratio of the tialing dam under the action of seepage is obtained.

Fine grained milltailings,Void ratio,Permeability coefficient,Saturation line depth，Tailings dam

諶 偉(1989—)，男，碩士研究生。

2016-09-23)

彭 成(1983—),男，講師，421001 湖南省衡陽市。