尾礦庫(kù)槽孔管外包土工布徑向滲流試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌錆B透特性分析

楊春波，王樹(shù)和，王 媛,2，李慶文，黃景琦，吳 龍

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

尾礦庫(kù)作為儲(chǔ)存礦山生產(chǎn)中排棄尾礦的設(shè)施，主要通過(guò)筑壩[1]攔截谷口或圍地形成。目前，我國(guó)各類尾礦庫(kù)8 000多座，在我國(guó)礦山生產(chǎn)中起到重要作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約1/4尾礦庫(kù)潰壩事故是滲流控制失效[2]、浸潤(rùn)線位置過(guò)高引起的。因此，開(kāi)展尾礦庫(kù)中排滲體系的排滲特性研究具有重要的工程意義。

目前，我國(guó)尾礦庫(kù)多采用鋪設(shè)多層土工布作為排滲措施。在初期壩上、每級(jí)子壩上都會(huì)鋪設(shè)一層或多層土工布起到排水反濾作用[3-6]。土工布作為工程中重要的排滲材料，很多學(xué)者對(duì)其滲透特性開(kāi)展了研究。胡珺[7]研究了土工布無(wú)負(fù)荷時(shí)垂直滲透特性得到了土工布滲透系數(shù)的不確定性；王向欽等[8]研究了長(zhǎng)絲針刺土工布垂直滲透系數(shù)隨壓強(qiáng)和孔徑的變化。但在尾礦壩中，隨著選礦技術(shù)的提升，尾礦砂的顆粒變得越來(lái)越細(xì)[9]，尾礦砂中包含的固體顆粒粒徑變得越來(lái)越小，絕大多數(shù)屬于細(xì)粉粒組、黏土粒組和膠體粒組。因此，尾礦砂顆粒間孔隙很小，細(xì)粒尾礦介質(zhì)滲透性微弱，導(dǎo)致尾礦壩浸潤(rùn)線偏高，筑壩排滲困難。目前，槽孔管排滲體系作為尾礦壩新型的排滲技術(shù)，在細(xì)粒尾礦壩中具有廣泛的應(yīng)用，能夠有效地降低尾礦壩的浸潤(rùn)線，其良好的排滲效果已在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證。槽孔管基本構(gòu)造如圖1所示，沿PE塑料管軸向均勻的開(kāi)鑿若干個(gè)矩形槽，槽內(nèi)開(kāi)通直徑為8 mm的圓孔，外包土工布或白鋼網(wǎng)，起到排滲與反濾的雙重作用。

圖1 槽孔管的構(gòu)造Fig.1 Slot tube construction

目前，很多學(xué)者對(duì)槽孔管的排滲機(jī)理和孔管外包白鋼網(wǎng)的排滲方式進(jìn)行了研究。金松麗等[10-11]在細(xì)粒尾礦壩的基礎(chǔ)上進(jìn)行了槽孔管排滲機(jī)理及其計(jì)算方法和反濾半徑的計(jì)算，并進(jìn)行了槽孔管外包白鋼網(wǎng)的排滲機(jī)理及其排滲效果的分析與計(jì)算；彭海洋等[12]進(jìn)行了槽孔管滲流理論的分析與計(jì)算；翟超等[13]進(jìn)行了黏性土的一維室內(nèi)模擬試驗(yàn)。相對(duì)于外包白鋼網(wǎng)，槽孔管外包土工布更加適用于超細(xì)尾礦壩的情況，但目前對(duì)槽孔管外包土工布滲透特性的研究相對(duì)較少，且大多數(shù)研究停留在一維試驗(yàn)的方式上。

本文自主研發(fā)一套二維徑向流試驗(yàn)裝置，并據(jù)此開(kāi)展槽孔管外包土工排滲體系的二維徑向流試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究槽孔管外包土工布排滲體系的滲透特性，分析壓力水頭、外包土工布層數(shù)對(duì)整體滲透系數(shù)[14-15]的影響規(guī)律。

1 徑向流試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)原理

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文自主研發(fā)的二維徑向流試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。該試驗(yàn)設(shè)備的主體是不銹鋼外桶、槽孔管和溢流管，槽孔管和外桶底部中心處有一個(gè)20 mm的圓孔，溢水管穿過(guò)槽孔管和外桶底部中心的圓孔，將三者通過(guò)螺栓連接起來(lái)，組成一個(gè)完整徑向流系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)溢水口來(lái)控制內(nèi)外水頭差穩(wěn)定。

圖2 二維徑向流試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Two-dimensional radial flow device

1.1.2 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)裝置要在槽孔管內(nèi)外形成一個(gè)穩(wěn)定的水頭差，在較小水頭差下可以認(rèn)為水流為層流狀態(tài)，符合達(dá)西定律。因此，由平面徑向流公式推導(dǎo)可獲得整體等效滲透系數(shù)K，見(jiàn)下式。

式中：Q為滲流量(指單位時(shí)間內(nèi)從溢流管流出的水的體積)；re為外桶半徑；rw為槽孔管半徑；L為土工布高度；Δh為溢水口與溢流管的高度差。

1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)步驟

1.2.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)材料：土工布：400 g短線針刺土工布，每層土工布厚度為0.32 cm；槽孔管：直徑d=100 mm的PE材料槽孔管。

試件制備：根據(jù)試驗(yàn)要求，分別裁剪寬和長(zhǎng)為20 cm×38 cm、20 cm×76 cm、20 cm×114 cm、20 cm×152 cm、20 cm×190 cm，20 cm×228 cm的6種土工布，并在水中浸泡24 h，在研制裝置內(nèi)部貼上標(biāo)有刻度的80 cm的軟尺用于讀取水頭高度。

1.2.2 試驗(yàn)工況

本次研究共進(jìn)行36組試驗(yàn)，分別為相同水頭差，不同土工布層數(shù)下和相同土工布層數(shù)，不同水頭差下槽孔管外包土工布試驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1 不同層數(shù)條件下滲透系數(shù)隨水頭差變化

1.2.3 試驗(yàn)步驟

第一步：用密封塑料將槽孔管包裹住，然后裝到自制的設(shè)備中，在槽孔管外側(cè)和外桶內(nèi)部的中間位置，加入高度為30 cm的水，放置0.5 h，用于檢測(cè)槽孔管的密封性，若無(wú)漏水現(xiàn)象，則取出密封的槽孔管，用剪刀在槽孔管外側(cè)距離底部10 cm的位置上裁出一個(gè)高度為2 cm的圓，用做土工布滲透系數(shù)測(cè)定。

第二步：將裁剪好的土工布纏繞在第一步中已經(jīng)裁出的口周圍，然后用密封塑料再次將土工布包裹起來(lái)，再次裝到自制的設(shè)備中，重復(fù)第一步中測(cè)試密封性的步驟，若無(wú)漏水現(xiàn)象，取出槽孔管，用剪刀在土工布外側(cè)距離底部10 cm的位置上裁出一個(gè)高度為2 cm的圓，與內(nèi)部的圓重合，然后將槽孔管裝到自制的設(shè)備中。

第三步：向自制的設(shè)備中加水直至出水口有水流出為止，然后靜置一段時(shí)間，直到出水口不再出水，讀取水頭高度，記錄作為起始水頭。

第四步：再次向設(shè)備中加水，每次增加水頭為一個(gè)溢水口的高度，然后測(cè)出出水口一段時(shí)間的出水量，記錄水頭高度，出水時(shí)間及出水量。

第五步：當(dāng)水頭增加至1號(hào)溢水口時(shí)停止加水，拆卸槽孔管，更換土工布重復(fù)第二～四步驟，直到6種土工布全部測(cè)完。

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)步驟對(duì)槽孔管外包土工布的滲透特性進(jìn)行研究，分析水頭差、土工布層數(shù)等因素對(duì)槽孔管外包土工布滲透系數(shù)的影響。

2.1 水頭差對(duì)槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響

本文選取土工布層數(shù)為1層、2層、3層和4層時(shí)，不同水頭差條件下槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象，一是當(dāng)進(jìn)行同一種土工布的重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)，槽孔管外包土工布的滲透系數(shù)在同一層數(shù)和同一水頭差條件下表現(xiàn)為具有一定的離散性，如圖3(a)和圖3(b)所示。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是短線針刺無(wú)紡?fù)凉げ际欠强椩焱凉げ?，由若干纖維逐層鋪疊并加以機(jī)械或化學(xué)固結(jié)，再經(jīng)機(jī)械反復(fù)壓實(shí)而組成的纖維集合體，其厚度和孔隙的分布具有離散性[16-17]，如圖4所示。當(dāng)水流穿過(guò)不同位置的土工布時(shí)，其孔隙數(shù)量和土工布厚度會(huì)不同，表現(xiàn)為單位時(shí)間內(nèi)溢水管的出水量不同，即滲透系數(shù)[7]不同，具有一定的離散性。二是同一層數(shù)的條件下，槽孔管外包土工布的滲透系數(shù)隨著水頭差的增加有輕微上升，但上升趨勢(shì)不明顯，如圖3(c)和圖3(d)所示。原因是水頭差增加，水的流速增加，對(duì)土工布的沖擊增加，在土工布厚度方向上會(huì)出現(xiàn)凹槽，如圖5所示，使土工布纖維拉伸，孔隙增大，滲透系數(shù)輕微增加[18]。

2.2 土工布層數(shù)對(duì)槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響

本文選取水頭差m為2、3、4和5時(shí)，不同土工布層數(shù)條件下槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)如圖6所示。從圖6(a)～(d)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)，槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)在土工布層數(shù)由一層增加到兩層，即厚度由0.32 cm增加到0.64 cm時(shí)，滲透系數(shù)迅速下降，在不同水頭差條件下均表現(xiàn)出此現(xiàn)象，但隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，滲透系數(shù)有輕微上升，當(dāng)增加到六層土工布時(shí)，滲透系數(shù)上升趨勢(shì)不明顯且趨于穩(wěn)定。

圖3 不同層數(shù)土工布滲透系數(shù)隨水頭差變化Fig.3 Different layers of geotextile permeability coefficient change with water head difference

圖4 土工布孔隙分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of pore distribution of geotextile

圖5 土工布凹槽示意圖Fig.5 Geotextile groove diagram

圖6 不同水頭差下滲透系數(shù)隨土工布層數(shù)的變化Fig.6 The variation of permeability coefficient with the number of geotextiles under different head differences

從上文分析可以發(fā)現(xiàn)，土工布層數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)具有一定影響，具體表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)隨土工布層數(shù)的增加而具有先迅速減小然后輕微上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是當(dāng)槽孔管外包土工布中的兩側(cè)水位差一定時(shí)，沿土工布厚度方向上的滲透系數(shù)應(yīng)維持穩(wěn)定，即滲透系數(shù)與土工布層數(shù)無(wú)關(guān)，但土工布上的孔隙分布是不均勻的[16-17]，當(dāng)兩層土工布自由疊合在一起，層與層之間的孔隙不能完全重合，即孔隙不能完全匹配，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)層與層之間的界面時(shí)，如圖7所示，由于阻力的作用，出現(xiàn)水流變緩的現(xiàn)象，所以當(dāng)土工布層數(shù)由一層變?yōu)閮蓪訒r(shí)，槽孔管外包土工布滲透系數(shù)迅速減小。但由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知兩層之后，滲透系數(shù)又隨著層數(shù)的增加輕微上升，原因可能是土工布不僅具有垂直方向的滲透特性，在水平方向上也具有一定的滲透特性[19]，隨著層數(shù)增加(三層之后)，即厚度的增加，有效過(guò)水面積增加，如圖8所示，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水的體積增加且對(duì)滲透系數(shù)的影響大于層與層之間孔隙不匹配因素的影響，更深層次的原因需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合以上原因，槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)會(huì)隨著層數(shù)的增加表現(xiàn)為先迅速減小再輕微上升的趨勢(shì)。

圖7 水流穿過(guò)土工布示意圖Fig.7 Water flow through the geotextile

圖8 有效過(guò)水面積增加示意圖Fig.8 Schematic diagram of effective water area increase

3 結(jié) 論

本文首先自主研發(fā)一套二維徑向流試驗(yàn)裝置，并據(jù)此開(kāi)展槽孔管外包土工排滲體系的二維徑向流試驗(yàn)。對(duì)不同水頭差條件下和不同土工布條件下的槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：當(dāng)土工布層數(shù)不變時(shí)，同一水頭差條件下的槽孔管外包土工布的滲透系數(shù)具有一定的離散性且滲透系數(shù)隨著水頭差的增加有輕微上升的趨勢(shì)；當(dāng)水頭差不變時(shí)，槽孔管外包土工布整體結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)隨著土工布層數(shù)的增加表現(xiàn)為先迅速減小后輕微上升的趨勢(shì)。