尾礦壩地震液化潰壩研究進(jìn)展

張文輝， 潘建平

(1.江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦， 江西 德興市 334224；2.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000)

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)化對(duì)礦產(chǎn)資源需求的日益增加，開(kāi)采出來(lái)的礦石經(jīng)破碎、磨礦、分選等多道工序才能選出精礦，在此過(guò)程中排出大量尾礦。我國(guó)尾礦年產(chǎn)達(dá)3億t以上，除少數(shù)被利用外，大部分以尾礦壩攔截儲(chǔ)存，現(xiàn)有尾礦庫(kù)約8540座，累積堆存尾礦超80億t[1￣2]。

尾礦壩是一種特殊的土工構(gòu)筑物，其筑壩材料、施工工藝、建筑工期、服務(wù)功能、靜動(dòng)力特性、壩體結(jié)構(gòu)形式、服務(wù)期和環(huán)境安全要求均不同于一般的水工土石壩。上游法尾礦壩后繼斷面較小及占地較少，且工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，在我國(guó)大多數(shù)尾礦壩中得到采用。然而，尾礦顆粒較細(xì)，比重較大，親水性弱，飽和疏松的尾礦是非常敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而上游法尾礦壩容易形成復(fù)雜、混合的壩體結(jié)構(gòu)，許多壩體的排水系統(tǒng)不完善或易淤堵，致使壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線抬高甚至從壩面溢出，大部分壩體處于飽和狀態(tài)且比較疏松，容易引起壩體產(chǎn)生滲透破壞或滑坡、垮塌，在動(dòng)荷載條件下強(qiáng)度低，動(dòng)剪應(yīng)力比變化范圍小，地震時(shí)更易發(fā)生液化破壞[3￣4]。

在地震作用下，傾斜土體內(nèi)或其下部土層中如果發(fā)生液化，整個(gè)土體就可能流動(dòng)或向沒(méi)有支撐的一邊作側(cè)向移動(dòng)[5]，最終導(dǎo)致壩體發(fā)生流滑破壞。如1978年日本的Mochikoshi尾礦壩發(fā)生地震液化破壞，其中1號(hào)尾礦壩在地震結(jié)束時(shí)發(fā)生破壞，而2號(hào)尾礦壩則在震后約24 h垮塌，近80000 m3的尾礦水合物瞬間流向下游[6]。1985年智利Veta de Agua尾礦壩地震液化潰壩，向下游釋放了280000 m3尾礦，覆蓋長(zhǎng)達(dá)5 km區(qū)域(見(jiàn)圖1)[7]。1994年加州地震中，Tapo Canyon尾礦壩發(fā)生了流滑破壞，也給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大的生態(tài)環(huán)境災(zāi)難[8]。我國(guó)1976年唐山地震中，大石河尾礦壩沉積灘發(fā)生大量噴水冒砂，且有明顯朝庫(kù)區(qū)滑移現(xiàn)象，在外坡第二級(jí)子壩上出現(xiàn)平行于壩軸線的裂縫，而在遠(yuǎn)離水邊線的沉積灘上也出現(xiàn)了眾多的微、小裂縫，后來(lái)實(shí)地勘察和計(jì)算分析都表明壩體確實(shí)曾有液化和局部滑移發(fā)生[9]。

試驗(yàn)研究已揭示了地震中砂土變形、孔壓上升、飽和砂土液化的特征，但是關(guān)于砂土液化的機(jī)理、強(qiáng)度降低以及液化砂土的性質(zhì)仍不是很清楚。另一方面，以位移為準(zhǔn)則來(lái)衡量巖土建筑物的抗震性能在近年來(lái)逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)，這種方法考慮的是建筑物在地基液化中發(fā)生的位移量，用改善壩體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[10]，從而提高壩體的抗震能力。

1 尾礦靜力和動(dòng)力特性

材料特性試驗(yàn)是研究尾礦壩抗震性能的重要環(huán)節(jié)之一，目前關(guān)于尾礦材料特性研究主要分為兩大類，一類是靜載試驗(yàn)，另一類是動(dòng)載試驗(yàn)。

Qiu等[11]通過(guò)對(duì)4種尾礦進(jìn)行試驗(yàn)，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)，顯示有效應(yīng)力隨孔隙率的增大而降低，透水性隨孔隙率的增大而增大，近似線性關(guān)系；Fourie等[12]分析細(xì)粒含量對(duì)強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)線位置高低的影響，表明較大細(xì)粒含量的尾礦強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)線均高于較低含量者，意味著其需要較大的相對(duì)密度才不發(fā)生剪縮性，避免液化的發(fā)生。

阮元成等[13]對(duì)一種鐵尾礦的靜、動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)力變形特性進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明尾礦料不僅在往返加載條件下動(dòng)強(qiáng)度低，動(dòng)剪應(yīng)力比變化范圍小，容易發(fā)生液化和破壞，而且，當(dāng)尾礦的密度小于某一臨界值時(shí)，靜力條件下也會(huì)發(fā)生流滑而進(jìn)入破壞狀態(tài)。張超等[14]根據(jù)銅尾礦動(dòng)力特性試驗(yàn)分析，指出當(dāng)細(xì)顆粒含量占到總量的35 %時(shí)其抗液化性能最佳。參考建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果，提出適用于尾礦細(xì)粒含量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的修正式。陳存禮等[15]在不同固結(jié)狀態(tài)下對(duì)銅尾礦砂進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，認(rèn)為均壓固結(jié)和偏壓固結(jié)時(shí)孔壓增長(zhǎng)曲線形態(tài)不同。均壓固結(jié)時(shí)，可用修正后的Seed應(yīng)力孔壓模型表達(dá)式來(lái)描述；偏壓固結(jié)時(shí)，可用指數(shù)函數(shù)來(lái)模擬。尹光志等[16￣17]利用尾礦細(xì)微觀力學(xué)與形變觀測(cè)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行尾礦細(xì)觀觀測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明受荷載作用，充水條件下各層尾礦顆粒沉降位移顯著大于未充水條件下相同位置顆粒的沉降位移。潘建平等[18]通過(guò)配置三組不同級(jí)配尾砂試樣，在不同圍壓下分別進(jìn)行不同孔隙比的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，指出低圍壓時(shí)，各級(jí)配下飽和松散尾砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型，平均粒徑越小的尾砂，其峰值強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度越小，有必要加強(qiáng)細(xì)粒尾砂堆筑體液化勢(shì)的評(píng)估，以防液化潰壩災(zāi)難的發(fā)生。

2 尾礦壩模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)的基本思想是采用不同比尺，按照工作規(guī)律相似，對(duì)事物原型的現(xiàn)象或本質(zhì)進(jìn)行定性研究，再現(xiàn)或超前預(yù)測(cè)原型中已經(jīng)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的一些情況，以驗(yàn)證和解決實(shí)際工程問(wèn)題。近年來(lái)隨著激振技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)己逐步成為巖土工程研究領(lǐng)域的重要手段。

Zeng等[19]通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)，指出下游法修筑尾礦壩較上游法具有較高的抗震能力；盡管底部尾礦經(jīng)多年沉降固結(jié)，但細(xì)尾礦含水量仍高于液限值，說(shuō)明尾礦具有較低強(qiáng)度。

陳建斌等[20]以某粉煤灰壩為研究對(duì)象，采用大型振動(dòng)臺(tái)作為試驗(yàn)手段，分別對(duì)不同高程灰壩的模型進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究。尹光志等[21]進(jìn)行細(xì)粒尾礦堆積壩加筋加固模型試驗(yàn)，通過(guò)研究獲知是否加筋的不同破壞模式。鄧濤等[22]通過(guò)室內(nèi)堆積壩模型試驗(yàn)，獲得壩體堆積過(guò)程中尾礦顆粒在庫(kù)內(nèi)沉積分布特征、浸潤(rùn)線的變化規(guī)律。敬小非等[23]進(jìn)行尾礦壩在洪水情況下發(fā)生垮塌破壞的模型試驗(yàn)。結(jié)果表明壩體浸潤(rùn)線變化存在滯后性；洪水導(dǎo)致壩坡尾礦砂所受的滲透力、上浮力、重力以及孔隙水壓力增大，削弱了壩體材料的黏聚力，并加大了自身荷載，降低了壩體的穩(wěn)定性。張興凱等[24]基于非恒定水流泥沙非平衡非飽和沖刷機(jī)理，根據(jù)模型相似理論和潰決侵蝕模型原理，模擬尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩過(guò)程，建立尾礦庫(kù)漫頂潰壩演化模型。劉磊等[25]以洛陽(yáng)市欒川縣水露溝尾礦庫(kù)為工程背景，利用尾礦庫(kù)模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法建立了尾礦庫(kù)物理模型試驗(yàn)。在根據(jù)模型試驗(yàn)獲得的尾礦庫(kù)漫頂潰壩物理圖形基礎(chǔ)上，引入非平衡輸沙理論及潰口發(fā)展變化過(guò)程，建立了尾礦庫(kù)漫頂潰壩洪水預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并利用試驗(yàn)資料對(duì)比計(jì)算模型結(jié)果。

3 尾礦壩地震液化和穩(wěn)定性分析

Seid等[26]用商用軟件模擬Mochikoshi尾礦壩的地震反應(yīng)，并對(duì)密實(shí)、反壓和穩(wěn)定柱三種抗震措施進(jìn)行簡(jiǎn)單分析；Prodromos等[27]用有限元軟件對(duì)上游法、中線法和下游法三種壩型進(jìn)行動(dòng)力分析，指出場(chǎng)地條件、材料非線性和地震動(dòng)特征對(duì)尾礦壩動(dòng)力特性和內(nèi)部破壞都有影響。

柳厚祥等[28]采用有效應(yīng)力法，探討了高尾礦壩地震過(guò)程中和地震后孔隙水壓力的產(chǎn)生、擴(kuò)散和消散規(guī)律及其加速度、動(dòng)應(yīng)力和孔隙水壓力的響應(yīng)值。王飛躍等[29]將模糊可靠度理論應(yīng)用到尾礦壩的穩(wěn)定研究中，既考慮破壞事件的模糊性，又考慮主要變量和參數(shù)的模糊性，將模糊性和隨機(jī)性相結(jié)合，研究尾礦壩的模糊隨機(jī)可靠度分析方法?？讘椌┑萚30]用商用軟件分析尾礦壩地震液化流動(dòng)變形，發(fā)現(xiàn)壩體在不同條件下發(fā)生液化流動(dòng)變形的一些規(guī)律。結(jié)果表明增加灘長(zhǎng)、降低水位線的高度，將有助于減小壩體液化流動(dòng)變形，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性；壩基土發(fā)生液化流動(dòng)將導(dǎo)致尾礦壩整體發(fā)生流滑破壞。蔡嗣經(jīng)等[31￣32]對(duì)尾礦庫(kù)地震潰壩機(jī)理進(jìn)行了初步分析，建立評(píng)估尾礦庫(kù)抗震能力和地震潰壩可能性的指標(biāo)體系，并采用數(shù)值方法模擬得出尾礦壩易發(fā)生液化的區(qū)域主要在灘面水邊線部位、壩體中下部超孔隙水壓力較大部位、尾礦壩下游坡浸潤(rùn)線溢出等部位。董隴軍等[33]針對(duì)尾礦壩地震穩(wěn)定的極限平衡分析問(wèn)題，提出一種計(jì)算尾礦壩安全系數(shù)的新方法。結(jié)果表明運(yùn)用盲數(shù)運(yùn)算法可以計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)在不同取值區(qū)間內(nèi)的可信度，克服了傳統(tǒng)方法描述過(guò)于絕對(duì)化的問(wèn)題。潘建平等以測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，應(yīng)用一次二階矩法建立尾礦壩地震液化分析可靠度模型，可靠度理論在液化分析中能更好地考慮計(jì)算參數(shù)的變異性，不僅能判斷液化的發(fā)生與否，還能給出液化發(fā)生的概率。

4 尾礦壩地震液化潰壩研究方向

綜合上述研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外針對(duì)尾礦壩的研究主要以靜力為主，動(dòng)力方面的研究相對(duì)較少，尾礦液化后力學(xué)特性、尾礦壩地震液化細(xì)觀破壞機(jī)制及流滑運(yùn)移特征方面的研究則更少。因此，探明尾礦液化過(guò)程中的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變形特征，對(duì)于研究尾礦壩的地震液化破壞機(jī)制具有重要的實(shí)際意義。

隨著剪應(yīng)變的發(fā)展，液化后尾礦呈現(xiàn)出流態(tài)化運(yùn)動(dòng)特征，其運(yùn)動(dòng)、變形的性質(zhì)與黏性流體相似，不能再視其為固態(tài)。為此，基于流體力學(xué)理論，從流動(dòng)破壞角度分析尾礦液化后的變形特性是很有必要的。針對(duì)這方面的問(wèn)題開(kāi)展研究，可以為尾礦壩抗震設(shè)計(jì)和防災(zāi)減災(zāi)決策提供理論依據(jù)。

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