渾水滲流試驗研究

李曉丹　樊疆星　張潛　施禹行

摘 要：現實中常常面臨渾水滲流問題，而這方面的理論卻并不多。渾水滲流具有隨時間增長，滲流水中懸浮物不斷沉積，導致地層滲透系數和整體滲透系數都不斷變化的特點。渾水滲流是一個變水頭非穩定滲流過程，尤其在黃河灌區，這類工程問題有長期渾水灌溉對土壤滲透性的影響，還有渾水在壩前淤積對繞壩滲流的影響。通過試驗，測定了尾礦砂的顆粒級配曲線。開展了相同入滲水頭，相同渾水含沙量，相同級配尾礦砂條件下渾水滲流試驗研究。分析了滲流量隨時間的變化情況以及渾水滲流對尾礦壩的影響。

關鍵詞：顆粒級配 渾水滲流 滲流量

中圖分類號：TV641 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0043-02

Abstract：During the experiments； we determined the grain grading curve of the last placer. The muddy water infiltration sand column pores experiment is under the condition of the same infiltration head， the same muddy sediment concentrations and using last placer of the same grading. We analyzes the head height change with time variation and the influence of the tailings dam which is caused by muddy water seepage.

Key Words：Grain grading；Muddy water seepage

常見的穩定滲流和非穩定滲流都已經有了成熟的滲流理論，但這些理論都是清水滲流的基礎上成立的。現實中常常面臨渾水滲流問題，而這方面的理論卻并不多。渾水滲流具有隨時間增長，滲流水中懸浮物不斷沉積，導致地層滲透系數和整體滲透系數都不斷變化的特點。渾水滲流是一個變水頭非穩定滲流過程，尤其在黃河灌區，這類工程問題有長期渾水灌溉對土壤滲透性的影響，還有渾水在壩前淤積對繞壩滲流的影響。因此，對渾水滲流理論的研究對生產時間具有重要的理論價值和應用價值。

1 試驗概況

1.1 試驗實施方案

試驗所用尾礦砂取自首鋼集團典型的尾礦庫，試驗前先后完成了尾礦砂的顆粒分析試驗和礦物成分的分析試驗，對尾礦砂的顆粒級配以及礦物組成進行分析，并在力學試驗中心完成了不同固結狀態下尾礦砂的三軸應力應變試驗，得到了尾礦壩的基本模型參數。

1.2 試驗步驟

（1）安裝試驗儀器，檢查裝置氣密性沒有問題后即開始試驗。自動攪拌系統準備完畢，將其中的清水排盡后注入渾水直至溢流口有水均勻流出，同時打開試驗砂柱上下端的閥門，并以此作為計時零點。

（2）當一個試驗結束后，換一個砂柱，改變試驗條件再進行上述（1）步驟，做平行試驗。

（3）整理試驗數據，分析渾水滲流量隨時間的變化。

1.3 試驗說明

渾水入滲試驗結束時，在砂柱上端出現沉積現象，并且隨著渾水濃度的增大而愈發明顯。在試驗過程中，雖然各層土間水頭差在逐漸增大，但是側管中的水頭高度在試驗過程中也在逐漸降低，同時上水頭高度卻恒定不變，這說明在砂柱上表面出現了沉積導致的於堵，且隨濃度的增大而愈發明顯。

上述現象說明，渾水入滲作用下，表面於堵伴隨著內部於堵同時發生。導致表面於堵最主要的原因是渾水中粗顆粒的沉積，影響了砂柱的滲透性及結構特征，形成的新的入滲土體使得入滲路徑增長，引起小顆粒滯留，進而造成於堵。

2 試驗結果和分析

2.1 試驗結果

2.1.1 用篩析法測得結果。

（1）各層篩子上土粒質量，如表1。

（2）該土的顆粒級配曲線如圖1。

2.1.2 試驗渾水顆粒的確定

經過多年發展，現在的選礦工藝已經得到大幅度提高，尾礦漿中顆粒粒徑不斷減小，因此選擇150目以下粒徑顆粒作為渾水顆粒（表2）。

2.2 試驗結果和分析

與清水單項滲流不同的事，渾水入滲過程中，因為有固體顆粒的存在，其入滲過程實際上是固液兩相入滲。正因為此，在滲流量、側管水頭、渾水顆粒沉積滯留分布特征方面也與清水滲流有所不同。

2.2.1 滲流量隨時間變化的情況（圖2）

從變化曲線可以看出，渾水入滲過程中，滲透系數并不是保持恒定不變，而是隨著時間的增長出現一定幅度的降低，并且開始時降低得比較快，然后逐漸變緩，最后趨于穩定。這是因為入滲初期，顆粒較分散，孔隙較大，滲透系數也較大；隨著時間的變化到了入滲的中期，大顆粒逐漸沉積，孔隙減小，小顆粒沉積，孔隙進一步減小，滲透系數出現一定幅度的降低；入滲后期，顆粒已基本沉積完全，孔隙無法通過滲流進一步減小，因此滲透系數最終趨于穩定。

2.2.2 不同顆粒粒徑對滲流的影響

試驗根據尾礦壩實際情況，選用經加工后的尾中砂和尾粗砂進行試驗，考慮砂柱粒徑大小對渾水入滲的影響，對比了0.5～1 mm粒徑和0.25～0.5 mm粒徑砂柱在相同濃度和相同水頭高度下的入滲情況。試驗表明，顆粒粒徑越大的，顆粒骨架間形成的孔隙空間也越大，在孔隙通道處的水動力也越大，渾水顆粒在水流作用下在砂柱骨架中更方便運移。因此，顆粒越大的，渾水顆粒在砂柱中分布越均勻。

由以上試驗結論分析尾礦壩中的滲流。渾水入滲作用下，首先會因為渾水顆粒與尾礦顆粒形成的孔隙之間的相對作用發生顆粒分選，顆粒比較大的被滯留在壩體表面形成表面的初步顆粒骨架，顆粒小的進入壩體中繼續發生運移。在壩體內部運移的小顆粒，一部分運移到比自身粒徑小的孔隙時在壩體內部發生滯留堵塞，從而形成新的土體骨架；一部分顆粒則會因水力和自身重力以及范德華力等因素在壩體多孔介質中發生沉積和滯留而降低壩體滲透性。隨著渾水顆粒逐漸增多，孔隙空間不斷減少，淤堵逐步加強，會出現局部水力增大的情況，這部分渾水顆粒則會在水流的作用下繼續發生運移，往壩體深部繼續運動。這樣就發生了渾水入滲作用下，在壩體內部滯留量隨深度的增加而減少的分布情形。在尾礦壩中就體現為：日積月累，逐漸形成了上粗下細的分布情況。

3 結論

根據上述試驗，可得到如下結論：

尾礦壩的淤堵情況與壩體顆粒的大小、以及渾水濃度有密切關系。

參考文獻

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