凍融循環(huán)作用下尾礦壩的力學(xué)響應(yīng)特征

金佳旭，李世旺，梁冰，張二軍，張平怡

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.力學(xué)與工程學(xué)院；c.機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

尾礦壩是金屬、非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源[1-8]。它不僅給生態(tài)環(huán)境的治理帶來(lái)困難，更會(huì)威脅到附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的季凍區(qū)面積約占全國(guó)面積的55%，而凍融循環(huán)是季凍區(qū)尾礦壩穩(wěn)定性的重要影響因素之一，直接影響尾礦砂物理力學(xué)性質(zhì)變化[9-10]。同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壩體內(nèi)孔隙壓力等力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦壩壩體變形，即穩(wěn)定性發(fā)生變化。而尾礦壩穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)工程是否安全的關(guān)鍵指標(biāo)，故研究?jī)鋈跅l件下尾礦壩力學(xué)響應(yīng)特性具有重大意義。

目前，針對(duì)凍融循環(huán)作用下尾礦砂物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究。Beier等[11]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室冷凍試驗(yàn)，結(jié)果表明，凍融是提高尾礦強(qiáng)度和表面穩(wěn)定性的一種有效方法。Maria[12]等研究了毛細(xì)作用對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響。張二軍等[13]使用高低溫試驗(yàn)箱和應(yīng)變控制式三軸剪力儀對(duì)處于不同初始條件下的尾礦砂進(jìn)行不排水、不固結(jié)試驗(yàn)；彭成等[14]研究了細(xì)粒尾砂孔隙比與滲透系數(shù)常用對(duì)數(shù)的擬合規(guī)律；但是，這些研究多涉及凍融循環(huán)條件下的尾礦砂物理力學(xué)特性，而關(guān)于凍融循環(huán)條件下尾礦壩變形規(guī)律的研究卻很少，相關(guān)機(jī)理也不甚清晰，因此，有必要開(kāi)展不同凍結(jié)溫度對(duì)尾礦壩變形、內(nèi)力、孔隙水壓力的影響規(guī)律研究，明晰尾礦壩穩(wěn)定性的影響因素，進(jìn)而為提高季凍區(qū)尾礦壩的穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料。

1 尾礦壩凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 相似模型定律

模型試驗(yàn)以內(nèi)蒙古玉龍礦業(yè)股份有限公司花敖包特銀鉛礦新建尾礦庫(kù)為原型，該尾礦庫(kù)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗巴彥花鎮(zhèn)，庫(kù)內(nèi)尾礦壩采用上游式筑壩法，且設(shè)置有兩級(jí)子壩，各級(jí)子壩壩坡比均為1∶3?？紤]到模型試驗(yàn)的可行性和可操作性，選取尾礦壩初期壩、一級(jí)、二級(jí)子壩作為模型試驗(yàn)研究對(duì)象，用相似模擬試驗(yàn)理論[15-16]確定模型試驗(yàn)的幾何、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。

1.1.1 幾何相似 根據(jù)試驗(yàn)條件，結(jié)合實(shí)際情況，選擇試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋壤秊?∶250，各物理量關(guān)系為

(1)

式中：αL為相似長(zhǎng)度比尺。LM和LH分別表示模型和原型的長(zhǎng)度，m。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)相似 要求模型與原型的對(duì)應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況相似，即要求各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、加速度等都成比例。

(2)

式中：αt為時(shí)間比；tM和tH分別為模型和原型的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

1.1.3 動(dòng)力相似 在考慮重力的情況下，要求重力相似。在幾何相似的前提下，對(duì)重力相似的要求還有γH和γM的比尺αγ為常數(shù)，即

(3)

(4)

式中：γM和γH分別為模型和原型的視密度，g/m3；αγ為視密度比尺；σH和σM分別為原型和模型的單向抗壓強(qiáng)度，MPa；ασ為抗壓強(qiáng)度比尺。

由式(4)可得模型相應(yīng)的參數(shù)量

(5)

(6)

1.1.4 邊界相似 考慮到尾礦壩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模型的邊界條件設(shè)置為：左右界面全約束，上表面為自由面，后表面有水平方向約束，前表面為自由面。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一種基于凍融循環(huán)作用的尾礦壩模型試驗(yàn)箱”，該設(shè)備密封性良好，溫度模擬準(zhǔn)確，同時(shí)，輔以溫度傳感器(GYH-2型)、土壓力傳感器(BX-1型)、激光位移傳感器(FT50220型)等，能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度條件下對(duì)模型壩體內(nèi)部應(yīng)力和各級(jí)子壩位移變形的監(jiān)測(cè)。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀選用靖江泰斯特電子有限公司生產(chǎn)的TST5912動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)(圖1)；試驗(yàn)選用美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的5TM孔隙水壓力傳感器。

圖1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀Fig.1 Dynamic data acquisition

1.3 試驗(yàn)材料

選用粉細(xì)砂狀的鉛礦砂為試驗(yàn)材料，風(fēng)干，過(guò)2 mm 篩，取其細(xì)粒部分進(jìn)行試驗(yàn)。依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，測(cè)得尾礦砂平均比重為3.21、天然含水率為16.8%、干密度為1.77 g/cm3，液限WL為34.6%，塑限Wp為17.3%。主要物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 尾礦砂的主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Main physical property indexes of tailings sand

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

因尾礦壩潰壩形式多為壩基及各級(jí)子壩發(fā)生橫向位移，即失穩(wěn)破壞，因此，需監(jiān)測(cè)初期壩及各級(jí)子壩處的橫向位移，以及在各級(jí)子壩及后方庫(kù)區(qū)內(nèi)布置土壓力及孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置按照工況要求，總體依照平均分布各點(diǎn)的思路，以便觀察和總結(jié)凍融循環(huán)作用下尾礦壩各位置的應(yīng)力、孔隙水壓的變化情況。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處均設(shè)置有土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，模型外部共布置3個(gè)激光位移傳感器，分別對(duì)準(zhǔn)初期壩、一級(jí)子壩、二級(jí)子壩中部，用于監(jiān)測(cè)各級(jí)子壩水平向的變形位移情況。模型內(nèi)，等間距設(shè)置有3根測(cè)壓管，保證能夠?qū)崟r(shí)確定浸潤(rùn)線的位置。

綜合前人研究成果[18-19]，并根據(jù)礦區(qū)所在地區(qū)氣候變化特征以及試驗(yàn)的可行性，最終確定凍融循環(huán)次數(shù)為8次，凍結(jié)溫度分別為-5、-25、-45 ℃，融化溫度均設(shè)定為25 ℃，每個(gè)循環(huán)凍結(jié)和融化時(shí)間均為12 h，保證模型內(nèi)尾礦砂能夠完全凍透和融透。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring points

1.5 尾礦壩相似模型的建立

1.5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備 試驗(yàn)選用外徑32 mm、壁厚2 mm的高密聚乙烯(HDPE)管作為放礦管。尾礦砂漿采用攪拌機(jī)攪拌至均勻，按照實(shí)驗(yàn)方案控制攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，使尾礦砂漿能夠順利地通過(guò)放礦管。

1.5.2 模型制作

1)將自制的放礦管架設(shè)在尾礦壩模型的初期壩上，調(diào)整管道傾角，使尾礦砂能夠順利地通過(guò)放礦管流入至壩體模型中。

2)待尾礦砂鋪滿模型箱底部，按照實(shí)驗(yàn)方案埋設(shè)第1層土壓力傳感器(編號(hào)分別為1～3)后，用尾礦砂將傳感器上部鋪平，以保證試驗(yàn)過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

3)待模型箱內(nèi)堆積尾礦砂高度增加之后，按照設(shè)計(jì)資料筑造一、二級(jí)子壩，同時(shí)，分別在一、二級(jí)子壩內(nèi)部及庫(kù)區(qū)埋設(shè)4、5號(hào)和6、7號(hào)土壓力傳感器。

4)將各傳感器與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連通，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要不斷地將流入模型箱后方的水清除，定時(shí)檢查放礦管是否堵塞，以保證尾礦砂的順利流入。

6)當(dāng)壩體模型堆積完成后，靜置24 h，將模型箱放入主箱體內(nèi)，反復(fù)進(jìn)行8次凍融循環(huán)。圖3為堆壩完成后尾礦壩模型全貌。

圖3 尾礦壩模型全貌Fig.3 Complete view of tailings dam

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以初期壩(2#監(jiān)測(cè)點(diǎn))、一級(jí)子壩(4#監(jiān)測(cè)點(diǎn))、二級(jí)子壩(7#監(jiān)測(cè)點(diǎn))為例，對(duì)比分析凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化對(duì)各關(guān)鍵位置應(yīng)力、孔隙壓力、變形量的影響規(guī)律。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值分析

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖4所示。凍融循環(huán)初期(前5次凍融循環(huán))，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后3次凍融循環(huán)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)，凍結(jié)溫度越低，壩體內(nèi)應(yīng)力越大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間越早，這是凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)耦合作用的結(jié)果。此外，在凍融循環(huán)前期，各位置應(yīng)力增長(zhǎng)速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段，這是因?yàn)椋瑑鋈谘h(huán)前期，尾礦壩內(nèi)的溫度梯度大，凍融循環(huán)作用明顯，應(yīng)力增長(zhǎng)速率大。通過(guò)上述分析可知，在解決凍融循環(huán)作用下尾礦壩失穩(wěn)或承載能力降低的實(shí)際工程問(wèn)題上，要重點(diǎn)關(guān)注凍融循環(huán)前期的作用，即在凍融循環(huán)開(kāi)始前就做好對(duì)策。具體可采取的措施包括：在一定程度上阻隔或降低溫度傳遞，避免出現(xiàn)較大的溫度梯度，降低冰水的轉(zhuǎn)化速率。

圖4 初期壩及各級(jí)子壩應(yīng)力變化曲線Fig.4 Stress variation curves of initial dam and sub

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力值分析

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置孔隙水壓力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力呈先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)，且凍融循環(huán)前期的衰減幅度較大，同時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力隨凍結(jié)溫度的降低也呈減小趨勢(shì)，凍結(jié)溫度越低，經(jīng)歷8次凍融循環(huán)后的孔隙水壓力衰減幅度越大。凍結(jié)溫度的不同會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力產(chǎn)生周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦砂內(nèi)冰水相變效果不同，即孔隙水壓力出現(xiàn)差異。溫度降低過(guò)程中，孔隙水的吸附作用和毛細(xì)作用逐漸減小，孔隙水壓力下降，當(dāng)溫度達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)時(shí)，水逐漸凍結(jié)。其中，冰水界面曲率半徑、毛細(xì)勢(shì)和孔隙水壓力三者的大小成正相關(guān)關(guān)系，隨著溫度的降低，冰水界面的曲率半徑逐漸減小，導(dǎo)致毛細(xì)勢(shì)和水壓力逐漸減?。晃磧鏊ず穸戎饾u變小，導(dǎo)致吸附勢(shì)變小，孔隙水壓力也隨之變小。

圖5 凍融循環(huán)作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of pore pressure under freezing

此外，孔隙水壓力的大小和壩體深度也有一定的關(guān)系。在同一凍結(jié)溫度條件下，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力的變化幅度要大于其他兩處，且周期性更強(qiáng)，也更具有規(guī)律性。在凍融循環(huán)過(guò)程中，孔隙水的深度和凍結(jié)速率會(huì)影響孔隙水壓力，越深或者凍結(jié)速率越小，越有利于孔隙水壓力的發(fā)育。在單向凍結(jié)過(guò)程中，較淺處的尾礦砂溫度梯度較大，其溫度變化也很快，因此，尾礦砂的凍結(jié)速率較快。而較深處的尾礦砂溫度梯度較小，溫度變化速率也較緩慢，因此，凍結(jié)速率也相對(duì)較小。凍融循環(huán)作用會(huì)改變尾礦砂的結(jié)構(gòu)，從而影響孔隙水壓力，較淺處的尾礦砂凍結(jié)速率較大，凍融循環(huán)對(duì)其影響程度更大，尾礦砂結(jié)構(gòu)的改變也更嚴(yán)重，此處的孔隙水壓力變化比較雜亂，很難得出明顯規(guī)律。而較深處的尾礦砂凍結(jié)速率小，凍融循環(huán)對(duì)其影響程度也不大，尾礦砂結(jié)構(gòu)幾乎保持不變，此處孔隙水壓力的變化規(guī)律性比較明顯。

2.3 不同凍結(jié)溫度下尾礦壩的位移變化規(guī)律

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置的位移變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。在凍融循環(huán)過(guò)程中，一、二級(jí)子壩變形均呈現(xiàn)先突然增大后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，凍結(jié)溫度越低，變形幅度越大。原因在于，凍融循環(huán)前期，模型內(nèi)未凍結(jié)水較多，溫度降低凍結(jié)后，由于膨脹導(dǎo)致子壩變形大幅增大。在融化階段，凍結(jié)的冰開(kāi)始融化，膨脹力減小，使得壩體變形減小，繼續(xù)凍結(jié)，由于此時(shí)尾礦砂傳遞熱量變慢，即使在相同的凍結(jié)溫度下，融化的水分也不會(huì)快速凝結(jié)成冰，尾礦砂內(nèi)的冰-水轉(zhuǎn)換趨于平衡，因此，出現(xiàn)尾礦壩變形繼續(xù)降低的現(xiàn)象。此外，凍融循環(huán)和凍結(jié)溫度具有明顯的位置效應(yīng)，越靠近尾礦壩，溫度梯度越大，凍融速度越快，進(jìn)而導(dǎo)致變形量越大，變形速率越大。因此，可以得出溫度是影響凍融循環(huán)作用的關(guān)鍵因素，壩體變形實(shí)際上同時(shí)受凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度的影響，在一定條件下，凍結(jié)溫度比凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)壩體變形的作用更為明顯，特別是在凍融循環(huán)后期，凍結(jié)溫度往往發(fā)揮主要作用。

圖6 凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形規(guī)律曲線Fig.6 Curves of deformation law of tailings dam

3 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展不同凍結(jié)溫度作用下尾礦壩的凍融循環(huán)試驗(yàn)，基于對(duì)壩體關(guān)鍵位置處的應(yīng)力、孔隙水壓力、位移等數(shù)據(jù)的分析，得到尾礦壩的應(yīng)力-變形演化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)凍融循環(huán)初期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均不斷增長(zhǎng)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值開(kāi)始趨于穩(wěn)定；凍結(jié)溫度越低，壩體內(nèi)的應(yīng)力越大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)越早，在凍融循環(huán)前期，尾礦壩及尾礦庫(kù)各位置的應(yīng)力增長(zhǎng)速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，壩體及庫(kù)區(qū)孔隙水壓力先降低后趨于穩(wěn)定，孔隙水壓力在凍融循環(huán)前期衰減速度較快；凍結(jié)溫度越低，孔隙水壓力越小，孔隙水壓力衰減速度越大。在負(fù)溫情況下，孔隙水壓力隨凍融循環(huán)的溫度改變呈規(guī)律性變化。

3)在凍融循環(huán)前期，一、二級(jí)子壩變形均呈現(xiàn)先突然增多后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，凍結(jié)溫度越低，變形幅度越大；凍融循環(huán)和凍結(jié)溫度具有明顯的位置效應(yīng)，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

4)通過(guò)進(jìn)行不同凍結(jié)溫度下尾礦壩凍融循環(huán)試驗(yàn)，為凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供重要參考，實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán)過(guò)程中尾礦壩結(jié)構(gòu)性演化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。