尾礦庫壩基管涌破壞試驗

魏 勇 趙安文 許開立

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽，621010；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

尾礦庫壩基管涌破壞試驗

魏 勇1趙安文1許開立2

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽，621010；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

以綿陽市平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫設計資料為依托，利用尾礦壩潰壩致災模擬試驗臺，對尾礦壩壩基進行了滲流破壞(管涌)的砂槽模型試驗；觀察并分析了滲流破壞(管涌)發生、發展并導致潰決的過程，即壩基管涌破壞可概化為無明顯滲透變形階段、形成階段、發展階段和整體破壞階段等4個階段；揭示了滲流破壞(管涌)的演化機理：當壩基水平平均水力梯度低于臨界水力梯度時，管涌溝槽向上游僅在壩基一定范圍內發展并最終停止，一旦超過該臨界值后，管涌溝槽持續發展并最終與上游連通，連通管流的強力沖刷最終導致壩基整體結構失效和潰決。試驗結果表明：①尾礦庫壩基管涌破壞僅發生在砂層頂部的淺層區域；②壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

壩基 滲流破壞 管涌 演化機理 臨界梯度

尾礦庫作為礦山企業生產的三大控制性建設工程之一，尾礦壩的運行狀況不僅關系到礦山的生產建設，而且關系到庫區下游人民群眾的生命財產安全及周邊環境[1-7]。就壩體穩定而言，涉及的影響因素很多，但無論從理論研究或是工程實踐所展示的資料分析，滲流的影響都是一個重要的因素，其中管涌是滲透破壞的主要形式之一。

目前針對管涌破壞過程及機理，國內外學者采用的研究方法主要包括理論分析和室內試驗等方面。在理論分析方面，分析和推導了管涌破壞的臨界水力梯度Jcr的計算公式[8-9]；在室內試驗研究方面，主要采用模型試驗研究了堤(壩)基管涌破壞的發生、發展并導致潰堤的機理和過程[10-15]。

前人從多個角度探討了管涌破壞發生、發展的過程及機理，研究對象主要是堤(壩)基，而針對尾礦庫壩基管涌破壞的相關研究鮮有報告。因此，在前人研究基礎之上，開展研究尾礦庫壩基管涌破壞的發生、發展并導致潰壩的過程和機理，對于指導尾礦庫安全運行以及庫區下游防災減災具有重要意義。

1 砂槽模型試驗

1.1 工程概況

四川省綿陽市平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫為一座山谷型尾礦庫，采用上游法堆壩，初期壩為堆石壩，初期壩壩頂高程為1 285 m，壩高30 m(不含清基深)，有效庫容為17.68萬m3。堆壩從1 285 m開始按照1：3.5的堆壩外坡用尾砂堆壩，最終堆壩標高 1 365 m，堆高75 m，總壩高107 m，尾礦庫的有效庫容為589.13萬m3，服務年限為12 a。近年來發現該尾礦壩局部滲漏現象，并有逐年加重的趨勢。

1.2 模型設計

本次按照1∶250比例尺縮小，對于模型比尺為λ的物理模型，原型與模型主要物理量間的關系如表1所示。砂槽模型的尺寸為1.6 m×0.33 m×1.07 m(長×寬×高)，整個模型如圖1所示。擋水板(簡稱“插板”)右側尾礦砂樣上面覆蓋1 cm厚的有機玻璃板，僅在距擋水板0.62 m的中心位置開一直徑4 cm的圓孔，模擬下游壩基存在的薄弱環節和管涌口。在砂槽模型下游一側開鑿2排孔安裝測壓管，用于觀測管涌破壞過程的水頭變化。

表1 各物理量的物理模型和原型的相似關系

圖1 壩基模型示意

1.3 試驗材料

本次模型砂采用平武縣某鉛鋅礦選礦廠尾礦庫堆壩用尾礦砂，其顆粒組成及分布情況如圖2所示。該尾礦砂的不均勻系數Cu(=D60/D10)為20.2，根據Istomina的不均勻系數法進行判斷，該尾礦砂材料為管涌型土，即容易發生管涌。

圖2 尾礦砂的顆粒組成及分布

通過對該隨機采取的5組尾礦砂試樣的物理力學性質進行測試，得到其物理力學性質見表2。

表2 尾礦砂的物理力學性質

1.4 試驗步驟

(1)試樣制作。首先將擋水板插入到砂槽一定深度，往砂槽內注入自來水，采用水下拋填方法制作壩基試樣，以模擬壩基天然沉積過程。將壩基砂層鋪設至要求厚度，用刮刀抹平壩基表面，用海綿吸盡上面的水。

(2)上膠。將有機玻璃板蓋在壩基表面，使有機玻璃板與尾礦砂層緊貼，有機玻璃板與砂槽及擋水板之間用玻璃膠密封。上膠完成后，再次檢查玻璃膠密封處是否完好，以確保整個試驗成功。

(3)試驗過程水頭控制。在完成上述試驗步驟后，靜止一段時間，使尾礦壩基砂層有一定的固結強度。試驗開始時，緩慢增加水頭，使尾礦砂層達到飽和，之后逐級增加水頭進行試驗。試驗過程中，管涌口處渾水和清水會交替出現，當出現清水時，說明壩基滲透破壞處于穩定狀態，此時記錄下相應的水頭、滲流量、砂環直徑、測壓管水頭等參數。

2 試驗過程及分析

各級水頭的試驗結果如表3所示，壩基水平平均水力梯度定義為

(1)

其中，H為進水室與管涌口水位差；L為管涌口到進水室的距離。

(1)無明顯滲透變形階段。當H=7 cm時，有少許清水從管涌口滲出(見圖3)，無其他現象發生；當H=10 cm，管涌口出現渾水，管涌口裸露砂層出現幾處較明顯的砂眼，少許細砂粒被水流帶出管涌口，并堆積在管涌口四周形成小砂環；當H=13 cm，“砂沸”

表3 壩基管涌破壞試驗結果

逐漸擴大到整個管涌口裸露砂層，砂環直徑略有增加。此階段僅管涌口裸露砂層出現“砂沸”現象，無明顯滲透變形，水平平均水力梯度和滲流量基本呈線性關系，如圖4所示。

圖3 水從管涌口滲出

圖4 水平平均水力梯度和滲流量的關系

(2)形成階段。當H=16 cm時，管涌口裸露砂層“砂沸”持續加劇，緊靠管涌口壩腳處出現局部滲透破壞，持續一段時間后，壩基內部(有機玻璃板下)出現水平長度約為2 cm的窄淺溝槽狀通道，水平平均水力梯度和滲流量開始偏離線性關系(見圖4)。

(3)發展階段。以后逐級增加水頭，當壩基管涌通道最前端臨空面砂層中的細砂粒受到的滲透力大于周圍砂粒對其約束力時，細砂粒就會失穩、起動，在水流作用下向下游管涌口方向輸移，管涌溝槽呈蜿蜒河曲狀向上游水平延伸發展(見圖5)。當H=21 cm，壩基內形成的管涌溝槽水平長度約為25 cm。此階段壩基內部滲透破壞持續并穩定發展，水平平均水力梯度和滲流量嚴重偏離線性關系。

圖5 管涌溝槽呈河曲狀向上游發展

(4)整體破壞階段。當H=30 cm時，水平平均水力梯度達到臨界水力梯度，管涌口滲流量和出砂量加速遞增，管涌溝槽快速向上游臨水側延伸發展，如圖6所示。經過114 min后，管涌溝槽前端發展至上游進水室，上下游連通，壩基整體結構失效，在連通水流的強力沖刷下，最終導致壩基潰決(見圖7)，最終壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

圖6 末級水頭管涌溝槽長度與歷時的關系

圖7 管涌破壞

3 試驗結果與分析

3.1 管涌破壞位置分析

尾礦壩基管涌破壞僅發生在砂層頂部的淺層區域，主要原因是：①由于壩基砂層固結作用，砂層頂部的淺層區域固結強度(力)比深部區固結強度(力)小，并且固結強度(力)水平方向又比垂直方向小；②壩基砂層頂面是滲徑最短、曲率最大的一條流線，沿此流線的水平水力梯度最大，即水平滲透力最大。

3.2 管涌發展過程及機理分析

當壩基管涌通道最前端臨空面砂層中的細砂粒受到的滲透力大于周圍砂粒對其約束力時，細砂粒就會失穩、起動，在水流作用下向下游方向輸送，部分砂粒會被水流帶出管涌口形成砂環。管涌通道周圍的砂粒(包括管涌通道前端細砂粒移除后起支撐骨架作用的粗砂粒)也會在水流沖刷作用下起動，向管涌口方向輸送。

在整體破壞階段之前，管涌通道向上游發展并最終停止，主要原因是：當進水室水頭增加到某級時，管涌通道最前端臨空面砂層中的細砂粒就會失穩、起動，隨著管涌通道的延伸發展，管涌通道前端臨空面砂層受到的水平滲透力逐漸降低，并最終等于砂層的局部固結強度(力)。

4 結 論

(1)通過粒度分析和物理力學性質測定，本試驗用尾礦砂為管涌型土，即容易發生管涌。

(2)尾礦庫壩基管涌破壞僅發生在砂層頂部的淺層區域，壩基管涌破壞可概化為4個階段：無明顯滲透變形階段、形成階段、發展階段和整體破壞階段。

(3)該尾礦庫壩基管涌破壞的水平平均臨界水力梯度為0.484。

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(責任編輯 徐志宏)

Ping Damage Expriment in Dam Foundation of Tailing Reservoir

Wei Yong1Zhao Anwen1Xu Kaili2

(1.SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang，621010，China；2.SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

Based on design data of a Pingwu tailing reservoir of lead-zinc concentrator in Mianyang city，a series of flume model experiments were conducted to study seepage damage (piping) of tailing dam foundation by simulation experiment platform of tailing dam-break.The whole development process from seepage damage (piping) incipit to dam failure was observed and analyzed，and it means that piping damage of tailing dam foundation can be generalized into four stages:no seepage deformation stage，forming stage，development stage and overall damage stage.Evolution mechanism of seepage damage (piping) was revealed:piping channel towards the upstream develops only within a certain area and eventually stops when horizontal average hydraulic gradient is under critical hydraulic gradient.Piping channel will persistently propagate towards the upstream and finally cause dam foundation structure to fail or break as the horizontal average gradient exceeds the critical value.The experiment result showed that piping damage of tailing dam foundation only occurs in shallow area at the top of tailings; Horizontal average critical hydraulic gradient of piping damage is 0.484.

Dam foundation，Seepage damage，Piping，Evolution mechanism，Critical gradient

2015-06-23

四川省安全監管局安全生產科技項目(編號：scaqjgjc_stp_20150011)，西南科技大學博士基金項目(編號：11ZX7116)。

魏 勇(1980—)，男，講師，博士。

X928.03

A

1001-1250(2015)-09-157-04