淺談尾礦庫潰壩室外模型試驗(yàn)及災(zāi)害預(yù)測

杜研巖

（遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013）

在滲流力的作用下，壩體出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。隨著水流的不斷沖刷，壩體的滲透力、浮升力、浮力和孔隙水壓力增大，抗阻力減弱，壩體穩(wěn)定性降低。潰壩后，潰壩處的沉降位移最大，除潰壩外，沉降位移主要發(fā)生在壩肩處。外部膨脹主要發(fā)生在中壩。研究成果對(duì)尾礦壩潰壩機(jī)理分析和降雨災(zāi)害防治提供了有價(jià)值的指導(dǎo)和參考。

1 尾礦庫潰壩原理

尾礦庫是高勢能人為泥石流的危險(xiǎn)來源。各種自然因素和人為不利因素威脅其安全，尾礦往往含有有害物質(zhì)。在尾礦庫潰壩的觸發(fā)因素中，事故的主要原因是降雨異常和管理不善。尾礦液化是地震期間強(qiáng)烈震動(dòng)引起的。水的滲流和遷移是影響尾礦壩穩(wěn)定性的重要因素之一。大氣降雨對(duì)大壩滲流的影響明顯，降雨越大，入滲線越高，對(duì)大壩穩(wěn)定性的影響越大。尾礦是非粘性或不粘性的塊狀土壤，容易被液化。在尾礦庫潰壩過程中，尾礦壩的破壞模式和破壞機(jī)理存在塊狀效應(yīng)。尾礦壩的破壞屬于反潰壩。電流牽引模型，大壩的破壞一般包括三個(gè)階段。尾礦壩破壞模式一般為逆流漸進(jìn)、破壞優(yōu)先。發(fā)生在腳上，然后進(jìn)化到上游。它顯示牽引式發(fā)展。潰壩初期泄洪流量隨著水庫水位的降低而增加，尾礦庫潰壩發(fā)生的時(shí)間與上游水流有關(guān)。如果入滲線過高，會(huì)使壩體、壩肩和不同部位的支座與水流的組合產(chǎn)生管道，最終導(dǎo)致大壩潰壩。細(xì)粒尾礦的入滲線通常高于砂尾礦，而且細(xì)粒尾礦的滲流能力較差。此外，尾礦壩的位移也與壩體的飽和程度有關(guān)。入滲線越高，尾礦壩的滑動(dòng)位移越大，潰壩的破壞程度與壩蝕程度有關(guān)。尾礦壩的研究涉及土力學(xué)、水力學(xué)和沉積動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，給尾礦壩潰壩機(jī)理的研究帶來了困難。尾礦壩潰壩模型試驗(yàn)結(jié)果不僅彌補(bǔ)了潰壩數(shù)據(jù)分析的數(shù)量和可靠性，而且為數(shù)值計(jì)算提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)。模擬，以及在潰壩機(jī)理數(shù)值模擬研究和潰壩數(shù)據(jù)分析中具有不可替代的作用[1]。同時(shí)，對(duì)降雨引起尾礦壩潰壩機(jī)理的模型試驗(yàn)研究較少。

2 尾礦庫潰壩室外模型試驗(yàn)及災(zāi)害預(yù)測

對(duì)尾礦庫潰壩進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，主要內(nèi)容如下：監(jiān)測得到潰壩前入滲線的變化規(guī)律，探討尾礦壩潰壩的發(fā)展過程和機(jī)理，得出潰壩后壩體位移的規(guī)律。以上游尾礦壩為研究對(duì)象，將模型按1：50比例縮減。壩體為混合土石，壩體長3m，高0.08m，壩頂寬0.12m，底部寬0.47m，壩坡比為1：1.25，外坡比為1：3.125。蓄積壩的大小與初始?jí)蜗嗤?，尾礦壩模型如圖1所示[2]。

圖1 尾礦壩模型

流體力學(xué)、土力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)等類似問題，從各個(gè)方面推導(dǎo)出的相似關(guān)系往往是不相容的。測試模型不能滿足所有相似條件。忽略一般相似，放寬相似準(zhǔn)則，滿足原型的主要參數(shù)，建立相似模型，給出模型砂的粒度分布[3]。

3 模型試驗(yàn)裝置

室內(nèi)尾礦壩模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要包括：降雨裝置該降雨裝置采用噴霧式降雨模式，采用直徑為16 mm的PVC直管作為水管；PVC管孔內(nèi)每8cm鉆一次直徑為0.5 mm的水；從洞中噴出的水模擬降雨。可以記錄降雨隨時(shí)間的變化規(guī)律。監(jiān)測系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由入滲線監(jiān)測系統(tǒng)、水庫水位監(jiān)測系統(tǒng)、位移監(jiān)測系統(tǒng)和攝像機(jī)組成。大壩入滲線和水庫水位在降雨過程中的變化規(guī)律，是通過入滲線監(jiān)測系統(tǒng)和水庫水位監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。位移監(jiān)測系統(tǒng)可以測量潰壩前后壩體的位移，攝像機(jī)可以記錄尾礦壩的潰壩和壩體位移。監(jiān)測線設(shè)置在各壩頂.每條監(jiān)測線設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，4個(gè)大壩設(shè)置24個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，4個(gè)大壩共設(shè)置24個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)，位移參考線布置在墻體上，崩塌前后測得[4]。

4 入滲線的變化規(guī)律

了解入滲線的變化規(guī)律是影響尾礦壩安全的重要因素。大壩入滲線的變化一般取決于水庫水位變化的速度、滲透系數(shù)和土體的供水程度等因素，入滲線的變化是水庫水位變化最敏感的觸發(fā)因素。在降雨過程中，每10分鐘測量一次水位高度和入滲線高度。這個(gè)由于尾礦庫排水設(shè)施存在問題，水庫內(nèi)的水不能向外排放。水位變化與降雨時(shí)間幾乎呈線性關(guān)系。水庫水位隨降雨時(shí)間的增加而增加。隨著水位的升高，J1、J2、J3和J4的入滲線高度逐漸增大，說明水庫水位的變化對(duì)入滲線的變化有明顯的影響。降雨開始時(shí)，JL、J2、J3和J4的入滲線分別為6.1cm、2.5cm、0cm、0cm。隨著降水的持續(xù)，J1和J2的入滲線受到水位上升的明顯影響，J1 WALS的上升速率與水位上升速率基本相同。在放礦試驗(yàn)完成后，提前進(jìn)行了降雨模擬試驗(yàn)，堆積壩尾砂含水量較高。干灘面上的雨水不僅不斷匯入水庫，而且有一部分雨水直接從干灘面緩慢滲透到貯器內(nèi)，靠近水庫尾端，水滲透越多。由于水庫尾中尾礦飽和度較高，降雨初期，JL和J2向JL和J2滲透的推進(jìn)速度較快，J1和J2處的拐線高度滯后于水位。由于水庫尾部滲漏到大壩外坡的水需要一定的時(shí)間，J3和J4的入滲線不隨水位的增加而變化。J3和J4的過濾線高度滯后于水位高度，J4的滯后時(shí)間比J3明顯，滯后時(shí)間主要與滲透系數(shù)、含水率、孔隙壓力和尾礦顆粒間松散度的差異有關(guān)，當(dāng)水庫水流向水庫尾壩坡時(shí)，J3和J4的滲透線高度開始上升，上升速度加快，與水位上升速度基本一致。水庫水位的變化對(duì)入滲線有很大的影響，入滲線將隨著水庫水位的增加而逐漸上升，滲透管線影響尾礦壩安全運(yùn)行的生命線。當(dāng)入滲線增加10%時(shí)，大壩穩(wěn)定安全系數(shù)將降低0.02左右。因此，當(dāng)暴雨和洪水發(fā)生時(shí)，如果不采取相應(yīng)的有效措施，入滲線將隨著水庫水位的升高而增加。它不僅會(huì)縮短尾礦壩的滲流路徑，而且會(huì)直接影響尾礦壩的滲流場邊界，不利于壩體的穩(wěn)定。壩體位移沉降值在1-1～1-4(這里為裂縫)達(dá)到最大值，水流沖刷最強(qiáng)，尾砂被排水量沖走到大壩下游，導(dǎo)致壩體沉降值達(dá)到最大值，從裂縫的差異可以看出，潰壩后壩上安置最大，壩肩次之，下部和腳最小。隨著水位的上升，入滲線也在逐漸上升，從壩腳上升到壩體中段，導(dǎo)致壩體中間的靜水壓力和滲流壓力增大，容易導(dǎo)致流砂或管道的出現(xiàn)，壩體在此過程中膨脹。壩體失穩(wěn)后，壩體的外部膨脹更為明顯。壩體位移包括水平沉降和外膨脹。本實(shí)驗(yàn)利用激光測距儀測量了壩體壁面不動(dòng)點(diǎn)與壩體坡面上各點(diǎn)之間的距離。如果潰壩后的距離小于潰壩前的距離，就意味著發(fā)生了外膨脹。如果潰壩后的距離大于潰壩前的距離，則表明發(fā)生了潰壩。潰壩后，由激光測距儀測量墻上的固定點(diǎn)與大壩坡度上的測點(diǎn)之間的距離。指壩體失效后的距離與潰壩前的距離相減。壩體膨脹也主要發(fā)生在壩體的中段和壩腳。從潰壩過程中可以看出，溢流崩塌現(xiàn)象發(fā)生在大壩潰壩前的壩體中部。進(jìn)一步解釋了壩肩上尾砂的滲透壓力越大，尾砂的重量也隨之增加，壩體有一定的外部膨脹，導(dǎo)致壩肩傾斜后沉降更加明顯。根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)過程，大壩滲流破壞的全過程可分為以下幾個(gè)階段[5]。

壩面出現(xiàn)滲流破裂。隨著水庫水位的升高，入滲線也逐漸上升，水在起升過程中不斷滲入尾礦，并對(duì)尾礦顆粒施加滲透力。滲流力的方向如圖2所示。假定滲流力方向與潛在滑移面一致，而潛在滑移面與飽和面平行。當(dāng)單元壩被劃分成片狀時(shí)，它將等電位面作為界面。

圖2 潰壩過程

本文通過尾礦壩模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)尾礦庫在降雨條件下尾礦庫潰壩模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，水位的變化對(duì)入滲線的變化有明顯的影響，而入滲線的變化滯后于水位的變化。水位對(duì)水庫中、尾入滲線的影響比壩前和壩外更為明顯。尾礦壩潰壩過程中，尾礦庫外坡面發(fā)生尾礦滲漏和溢流，并發(fā)生局部塌陷。隨著水流流過壩頂，壩體不斷侵蝕，導(dǎo)致大壩潰壩[6]。隨著水流的不斷侵蝕，滲流力、浮力和孔隙水壓力增大，抗阻能力減弱，壩體穩(wěn)定性降低。潰壩后，壩體沉降最大，除裂縫外，沉降位移主要發(fā)生在壩肩處，壩體的外部膨脹主要發(fā)生在中壩和壩腳部位[7]。

5 結(jié)語

本文在水庫降雨條件下進(jìn)行了室內(nèi)尾礦模型試驗(yàn)。分析了壩體滲透線的變化規(guī)律、溢流潰壩的過程和機(jī)理、潰壩后壩體的位移等，研究結(jié)果對(duì)了解尾礦壩潰壩的機(jī)理和預(yù)警具有重要意義。