尾礦庫潰壩研究進展

姜清輝,胡利民,林 海

(1.南昌大學建筑工程學院,江西 南昌 330031; 2.武漢大學土木建筑工程學院,湖北 武漢 430072)

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尾礦庫潰壩研究進展

姜清輝1,2,胡利民1,林 海1

(1.南昌大學建筑工程學院,江西 南昌 330031; 2.武漢大學土木建筑工程學院,湖北 武漢 430072)

總結分析了近年來國內外尾礦庫潰壩致災機理、尾砂力學性質及潰壩流體性質、潰壩影響范圍和預警及防治措施等領域的研究進展。總體而言,尾礦庫潰壩研究方面已積累了一定的基礎和經驗,然而在許多領域有待進一步深入系統的研究;尾砂不同于常規土料,相關研究目前多針對具體工程,尾砂的力學性質的系統研究有助于提升尾礦庫潰壩安全評價水平;物理模型試驗法和數值模擬方法是目前預測尾礦庫潰壩影響范圍的主要手段。指出了當前尾礦庫潰壩研究及災害防治方面的幾個關鍵問題,建議從新試驗技術、尾砂及潰壩流體性質和筑壩工藝等方面突破研究。

尾礦庫;潰壩;尾砂;災害防治

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的,用以貯存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所,由于其存在潰壩危險,會對下游居民及設施的安全造成威脅,導致很多環境和災害問題[1]。截至2014年底,全國共有尾礦庫11 359座,其中絕大部分采用上游法堆筑,這些尾礦庫潛在風險高,其安全形勢不容樂觀[2]。尾礦庫潰壩事故時有發生,加之礦企及相關部門對尾礦庫潰壩機理和致災因素認識不足,最終導致的結果令人觸目驚心。與攔水壩等結構不同,尾礦庫的筑壩材料性質、筑壩方式和潰壩機理等方面更為復雜[3]。根據《國家安全監管總局等七部門關于印發深入開展尾礦庫綜合治理行動方案的通知》(安監總管一[2013]58號)的要求,尾礦庫區大都需要通過潰壩模擬試驗研究來對尾礦庫區下游村莊的潰壩淹沒范圍和影響程度進行評估,而尾礦庫的潰壩研究涉及土力學、水力學和泥水動力學等相關學科,這使得相關研究具有一定難度。本文從尾礦庫工程潰壩安全評價的角度對相關研究進展進行了綜述,指出了我國尾礦庫工程理論研究中存在的不足。

1 尾礦庫潰壩致災機理

國內外曾多次發生尾礦庫潰壩的重大事故,表1為一些典型的尾礦庫潰壩事件。從表1可以發現,導致尾礦庫潰壩的原因很多,并且事實上往往是多個致災因素共同作用的結果。尾礦庫潰壩的致災機理主要包括滲透破壞、洪水漫頂、地震液化、壩坡過陡、滑坡和尾礦壩裂縫演化等[4]。

表1 國內外尾礦庫潰壩事故

1.1 滲流作用

長期以來,尾礦庫滲流問題一直是研究的一個難點,也是礦山安全領域一直研究的熱點。浸潤線被譽為尾礦庫的“生命線”,其位置反映了壩體排水的綜合性能,浸潤線的埋深是影響尾礦壩穩定性的主要因素之一[5]。超標準暴雨、洪水和排水設施失效等常常使得尾礦壩內浸潤線升高,進而誘發滲流破壞。對于尾礦壩而言,當滲透變形條件滿足后,在尾礦壩體內將發生管涌。而發生管涌后尾砂的材料性質將發生變化,導致尾砂的滲透性增強,同時抗剪強度和變形模量降低。目前,工程中考慮滲流問題首先要確定壩體內部浸潤線的位置。浸潤線以下的尾砂固結速度緩慢,近乎飽和狀態的尾砂使得壩體自重增加、抗剪強度降低和有效應力減小等,對壩體的穩定性極為不利。此外,在外力作用下,滲流場中會發生水力坡降,導致壩體應力重分布,當滿足適宜條件后,壩內逐漸形成滲流通道,尾砂顆粒被滲流帶走,導致壩體內部發生破裂或局部塌陷從而形成管涌,最終尾礦庫大幅度塌陷從而潰壩。

由滲流引起的尾礦庫潰壩引起了工程人員和學者們的重視。采用現場排放的尾砂為試驗材料,敬小非等[6-7]通過堆壩試驗研究了尾礦堆積壩在洪水情況下發生垮塌破壞機制和尾礦沉積分布特征,試驗著重分析了尾礦壩內浸潤線的變化和潰決過程中壩坡的位移矢量演化、壩體滲透破壞的發展過程等。張力霆等[8]采用自行研發的尾礦庫模型試驗平臺,分析了由于壩體排滲系統失效導致浸潤線持續升高而誘發的尾礦庫潰壩機制。由于細粒尾砂的滲透性要低于粗粒尾砂,細粒尾砂堆積壩內的浸潤線要高于粗粒尾砂堆積壩,這樣一來不同粒度尾礦壩的滲透安全性存在差異[5]。長時間暴雨會升高尾礦壩內的浸潤線,有研究[9]表明降雨量與壩體穩定性近似呈線性關系。尾礦庫中的滲流問題非常復雜,已有的試驗研究多局限于定性層面上。由于縮尺土力學試驗很難實現較好的相似性,關于尾礦庫滲透的試驗研究成果能否反映工程實際情況值得商榷。數值分析方法是尾礦庫滲流分析的重要手段,常以實際工程為依托,將分析結果與實際勘測值進行對比分析[10-11]。考慮尾礦性質變化的耦合滲流模型及參數設定是尾礦庫數值分析的難點,準確而實用的數值模型將大幅度提升尾礦庫工程的評估水平。

和尾礦庫滲流相關的理論和試驗研究仍有許多方面值得不斷深入開展。Yin等[12]采用自行研發的試驗觀測設備,對滲流作用下尾礦微觀結構變化進行了研究,認為尾砂的滲透破壞過程類似于土體,即微小顆粒被滲透水流沖走后使得尾砂承重骨架發生松動,進而導致尾砂內部發生明顯的沉降或失穩。尾砂加筋料在一定程度上會改變尾砂的滲透性,但對于其微觀機理尚不明確[13]。關于尾礦庫滲流的研究取得了一定的成果,但也有很大的局限性。影響尾礦庫滲流的因素很多,現有的研究多考慮比較單一的因素,考慮多因素耦合作用(例如考慮應力、變形和滲透的動態耦合)的尾礦庫滲流分析將是未來的主要研究方向之一。另外,尾礦庫滲流的動力學參數及其環境效應等方面有待深入研究。

1.2 洪水漫頂

尾礦庫多依山而建,遇到強降雨或大量水流匯聚時,庫內水位短時間上升,加之壩體滲透性低，雨水來不及排出,造成洪水漫頂而嚴重影響壩體穩定性。尾礦壩可以完全是土石壩(一次筑壩),也可以由尾砂分期堆筑形成。根據我國1954—2000年間水庫大壩的潰決統計情況和尾礦庫事故統計分析,漫頂是導致潰壩事故的主要原因之一[14]。

對于一次筑壩類型的尾礦庫,其漫頂潰壩研究可以參照一般土石壩。一次筑壩的尾礦庫與水庫有一定的相似性,由于此類尾礦庫中的存水量遠小于一般水庫,因此參照水庫進行設計管理更偏于安全。在過去的幾十年中,世界各國先后進行了大量不同尺度的土石壩潰決模型試驗，這其中既包括大尺度的野外模型試驗,也包括在實驗室內進行的小尺度潰決模型試驗。考慮到潰壩模型試驗的難度較大,數值模擬成為潰壩研究的重要手段,但如果缺少實測資料和模型試驗的驗證,數值模擬的可信度難以保證。無論何種材料構筑的堤壩,在發生漫頂情況下,其下游壩面的沖刷在開始階段是緩慢漸進的。當沖刷最終發展到壩頂上游邊緣后,潰決過程將十分迅速劇烈,并且首先向下發展到壩腳,隨后才向兩側發展,潰口邊壁在潰決過程中幾乎垂直。壩體形式、筑壩材料、施工工藝及潰口位置都對潰口發展過程有較大影響。有研究成果[14]表明壩體材料的性質是影響潰決發生時間、潰口發展速率的重要因素。

20世紀我國針對一些具體工程(如三峽工程、板橋水庫等)開展了相關的潰壩模型試驗研究,同樣近年來我國在土石壩漫頂破壞機理研究方面也取得了一定的成果。我國學者通過試驗總結出了一些經驗公式,壩體材料性質的差異使得大部分經驗公式的應用有較大的限制。“陡坎”沖刷機制在由黏性混合土料填筑的堤壩潰決過程中扮演著非常重要的角色;對于砂質堤壩,其潰決過程主要由水流剪切沖刷主導,砂-粉砂-黏土混合料中的黏性土部分極大地減緩了堤壩潰決沖刷的速度[15-16]。Zhang等[17]依據我國均質黏性土壩一般黏粒含量范圍,在世界上首次開展了尺度最大、涵蓋黏粒粒徑范圍最廣的均質黏性土壩漫頂潰決試驗(最大壩高達9.7 m,壩體黏聚力范圍為7.5～39.5 kPa)。壩體填筑材料黏性很大時(如黏聚力大于40 kPa)時,漫頂潰決過程非常緩慢且潰口規模和潰口峰值流量相對較小,壩體潰決方式以“多級陡坎”發展為主要特征。壩體填筑材料黏性較小時,下游壩坡很快沖蝕下切、后退,迅速形成單級大陡坎,潰決過程迅速,潰口規模相對較大,流量很快可達到峰值。試驗發現潰口形態與壩體黏性有很大關系。在土石壩漫頂潰壩過程中,首先在下游壩坡形成臺階狀“陡坎”,隨后陡坎合并成一個“大陡坎”,并逐漸向上游溯源沖刷[18]。

不同于黏土型壩,由尾砂堆筑的尾礦壩發生漫頂后更容易發生侵蝕破壞。以Merriespruit尾礦庫為例,洪水漫頂導致尾礦庫失穩的大致過程為:暴雨作用下在尾礦壩上形成小的沖溝;尾礦壩邊坡下部的松散尾砂發生侵蝕,并誘發下部壩體發生局部失穩;水流持續侵蝕尾礦壩體,尾礦壩中部的邊坡局部失穩;沖蝕后的尾礦壩開始整體失穩,尾砂大量下泄[19]。漫頂水流的流速大于尾砂的起動流速后,會對尾砂壩不斷產生向下和兩側的侵蝕;水力侵蝕使得尾砂壩的漫頂潰口不斷擴大和坡度變陡,進而使得尾砂壩發生局部或整體失穩坍塌。劉磊等[20]引入非平衡輸沙理論及河流動力學輸沙公式并結合試驗手段,建立了預測尾礦庫潰壩洪水流量及潰口變化過程的數學模型。Chen等[21]通過室外2組大規模潰壩試驗,模擬了大壩洪水漫頂的破壞情況,結果表明,潰口發展速率與單位流量有關,單位流量越大,潰口發展速率越大。Sun等[22]基于非恒定水流泥沙非飽和非平衡侵蝕理論以及模型相似理論,采用粗尾礦建立物理模型模擬尾礦庫洪水漫頂過程,研究顯示,壩體位移取決于漫頂過程中壩體的飽和程度,浸潤線越高,壩體滑動位移越大,潰口破壞程度與溢流對壩體沖刷有關,降低浸潤線高度和提高尾礦壩的干灘長度可以減小潰壩帶來的危害。Yang等[23]通過水槽試驗模擬了尾礦壩洪水漫頂的破壞過程,整個破壞過程可分為5個階段:滲流侵蝕階段、初始潰口形成階段、潰口逆向侵蝕階段、潰口發展階段以及潰口重新平衡階段。壩體一旦產生潰口,潰口發展就會連續不斷,直到下游重新達到平衡,表明壩體初始潰口對壩體后續變形有重大影響。初始潰口最有可能發生在下游邊坡上,靠近滲流面的上邊緣,該試驗結果表明了尾礦壩潰口破壞的“陡坎”機制。

1.3 地震作用

尾礦壩地震安全問題一直是科技工作者和政府部門關注的焦點。由于我國尾礦庫普遍采用上游法筑壩,而按照AQ 2006—2005《尾礦庫安全技術規程》規定,對于抗震設防烈度為7度以下地區宜采用上游法筑壩,而對于8～9度地區宜采用中線法或下游法,可知上游法尾礦庫抗震能力較差,一旦發生地震,其安全性得不到保障。地震作用導致尾礦壩潰壩的主要原因是尾砂液化。影響尾砂液化的主要因素有尾砂顆粒組成、形狀、大小、級配、排列情況、密實度以及浸潤線埋深、地震烈度等。根據尾砂堆壩的施工特點,壩中尾砂一般處于欠密實狀態,在地震作用下,壩內超靜孔隙水壓力迅速增加,當孔壓達到臨界狀態時,尾砂產生液化。當尾礦壩內開始出現液化后,易形成裂隙滲流通道并造成局部塌陷,同時地震作用下會使得壩體的滑動力或力矩增加,從而引起壩體滑移直到壩體整體失穩破壞,典型案例如日本Kayakari尾礦壩[24]。

潘建平等[25-26]介紹了尾礦庫地震液化評價及穩定性分析研究情況,并在前人基礎上對地震液化時的孔壓和應變進行簡化分析后用于擬靜定法分析。王文星等[27]以某工程為背景,采用擬靜定法分析其在地震作用下的穩定性,并用相應軟件進行了驗證。孔憲京等[28]基于雙線性模型分析方法,利用商業軟件對某尾礦庫進行了地震液化變形分析。孫恩吉等[29]在離心振動機上模擬了尾礦壩在強震作用時的動力反應及演變規律,并測量了其加速度、孔壓、壩體變形等情況。雖然學者對尾礦壩安全問題做了一定的研究,但是有關尾礦壩抗震安全評價體系尚沒有統一的標準。張超等[30]分析了不同細粒含量對尾礦材料動力液化特性的影響,并結合標準貫入試驗分析了不同細粒含量對尾礦材料抗液化強度的影響,研究成果對尾礦庫抗震設計具有一定的參考價值。杜艷強等[31]用動三軸試驗系統分析了尾砂粉土液化后變形特性與孔隙水壓力間的關系。目前尾礦壩地震破壞研究多集中在擬靜力法,今后可以從尾砂的動力特性方面進行研究(例如尾砂動強度和動本構方程等),提出尾礦壩的動穩定分析方法及相應的數值計算模型。

1.4 壩基或壩坡失穩

尾礦壩失穩潰壩的另一致災因素為壩基失穩,如加拿大Mount Polley金銅礦潰壩事故(表1)。西班牙阿斯納科利亞爾尾礦庫潰壩是由于壩基失穩導致潰壩的典型事件,整個壩體發生了深層滑移并使得庫區內部形成了巨大的豎直和近似水平的滑移面,滑動破壞過程中壩體類似剛體滑動而沒有發生大的變形。Gens等[32]詳細分析了該尾礦庫的潰壩特點,并采用強度折減法和極限平衡法解釋了該尾礦庫的破壞機理。尾礦壩壩基失穩通常是由于地質勘察不明或設計失誤導致,根據詳實的地質資料進行相應的地基處理能防止出現壩基失穩現象。

由于漫頂水流作用或壩體長期浸泡軟化的影響,會使得尾礦壩的壩坡變陡或筑壩材料的抗剪強度降低,進而出現壩坡局部或整體失穩破壞。尾礦壩邊坡穩定性分析一般采用極限平衡法或強度折減法。極限平衡法理論較成熟,但在應用過程中滑移面的形狀和位置難以確定。壩坡失穩破壞通常與水力作用等伴隨出現,盡管強度折減法在一定程度上可以避免滑移面的選擇難題和考慮流固耦合作用[33],但由于缺乏完善的尾礦壩失穩判斷準則,使得強度折減法的工程應用受到了限制。

2 尾砂力學性質及潰壩流體性質

2.1 尾砂力學性質

尾砂的力學性質是影響尾礦壩邊坡穩定性的關鍵。在上游式尾礦壩的工程勘察過程中,尾砂樣品的運輸、存放過程中存在易擾動的特點,獲取與實際情況相符的尾砂抗剪強度指標有利于對尾礦壩進行客觀的安全評估。尾砂的粒徑級配沿尾礦庫縱、橫方向分布不同,而且粒徑、含水率和孔隙比等因素影響尾砂的內摩擦角[34]。與一般砂土不同,尾砂由于獨特的化學環境(顯著的尾礦淋濾固結和化學固結過程)而存在一定的黏聚力[35]。李志平等[36]根據某鉛鋅礦尾砂的大量固結快剪試驗,得出尾砂內摩擦角關于含水率和標準貫入擊數的經驗計算公式。尾砂中含有礦山開采過程中提煉未完全的金屬元素,其土粒比重和抗剪強度等力學特性與常規土料差異較大,粗尾砂力學特性呈現出剪脹性和軟化性,而細尾砂無明顯剪脹性[37]。Bedin等[38]對某尾砂進行了大量的單軸加壓不排水和動三軸試驗,根據試驗結果建立了單軸加壓作用下尾砂的不排水臨界狀態線,發現此狀態線具有高度的非線性。Schnaid等[39]在經過一系列的排水與不排水三軸壓縮試驗和拉伸試驗后,以試驗結果建立了某黃金尾礦材料的臨界狀態線,證實了在臨界狀態下可采用對小應變狀態下的剪切強度與剪切模量進行耦合的方法來估算主要狀態參數。

張超等[40]進行了銅礦尾砂的共振柱試驗,對銅尾砂的動孔隙水壓力、動剪切模量和阻尼比等進行了研究。當相對密度大于70%時,尾砂抗液化能力隨著相對密度增大而提高的趨勢不太明顯,而當相對密度小于70%時,抗液化能力隨著相對密度的增大而明顯提高。飽和尾砂具有敏感的不穩定結構,密度對尾砂的應力應變關系和抗剪強度影響顯著,在很小的密度變化范圍內飽和尾砂甚至會從不液化轉變為完全液化[41]。毛細水帶內尾砂的內摩擦角隨含水率的增大呈先增大后減小、最后基本穩定的變化規律[42]。尾礦壩中存在粗細顆粒分層結構或透鏡體結構,這些結構的分布狀況和力學性質對尾礦壩的穩定性會造成影響[43]。尾礦壩中的分層結構體或透鏡體表現出較弱的力學性質,進行尾礦壩安全評價時應特別注意其分布狀況[44]。

有關尾砂力學特性的研究成果多基于某特定的尾砂,一些規律尚不能確定是否為不同尾砂的共有規律,并且不同種類尾砂之間的力學性質差異有待深入系統的研究。利用先進的觀測設備,從微細觀角度去解釋尾砂或尾砂結構體宏觀力學特性的機理,或許會有新的發現。

2.2 潰壩流體性質

尾礦庫潰壩對下游的影響程度與潰壩流體的力學特性密切相關。流變性是潰壩流體最重要的力學特性,在結合理論與試驗分析的基礎上,已提出多種流變模型[45-47]。近幾年,基于尾砂料漿在礦山管道運輸的需要,漿體的不同配比、濃度、黏度等對其流變特性和強度的影響研究取得了一定的成果[48]。3種不同濃度尾砂漿體進行的流變試驗表明,以細顆粒為主的尾砂漿體,其剪應力與剪切速率呈正相關性;而以粗顆粒為主的尾砂漿體,其剪應力會呈現先減小后增大的趨勢;對于同種試樣,在剪切速率相等的情況下,濃度高的漿體剪應力更大,對尾礦壩下游的影響范圍更小[49]。尾礦庫潰壩流體含有大量的尾砂,其流變性質與泥石流具有一定的相似性,根據流變儀對泥石流的流變特性分析得到,在同種剪切速率下,黏粒含量和容重越大,漿體剪應力越大[50]。目前對含尾砂漿體流變性的研究很少,而且尾砂漿體的流體參數選取和數值模型沒有統一的標準。

3 尾礦庫潰壩影響范圍

工程中常常需要對尾礦庫區下游村莊的潰壩淹沒范圍和影響程度進行評估,目前預測尾礦庫潰壩影響范圍的主要方法為模型試驗法和數值模擬法。

3.1 模型試驗法

模型試驗法在潰壩演進過程中可以很好地考慮地形等因素,是目前研究尾礦庫潰壩影響范圍的主要手段。Rico等[51]收集了歷史上尾礦壩潰壩事故的信息,通過分析比較建立了尾礦壩幾何參數(壩高、庫容等)與潰壩下泄尾砂水力特性之間的統計關系,指出了尾礦壩庫容與尾礦溢流量之間的冪函數經驗關系。Zhang等[52]通過13組水槽漫頂潰壩模擬試驗表明,泥沙峰值速率隨壩頂加寬和壩坡變緩而變小,從而延長了泥沙峰值速率到達的時間。尹光志等[53-54]以云南某尾礦庫為研究背景,進行了不同壩高和不同潰口形態(1/4、1/2和全部瞬潰)的潰壩試驗,結果表明,壩高和潰口形態對下游泥漿淹沒厚度和范圍有較大影響,隨著壩高和潰口的增大,下泄泥漿到達同一斷面的沖擊力和泥深成非線性增大的趨勢,而且到達時間也相應縮短,因此潰壩災情會加重。王永強等[55]以四川某尾礦庫為依托,采用模型比尺1∶400進行了尾礦壩全潰壩試驗,分析了在某一高度和庫容情況下,潰壩泥漿的沖擊力、淹沒深度及流速的變化規律,沖擊壓力、泥深和流速在達到峰值后會隨著距離延伸而減小,直到平穩停止運動,局部地形對這3個指標的波動具有影響。

尾礦庫潰壩過程的模擬涉及巖土力學、水力學與河流動力學等多個專業學科,綜合多方面的相似關系在理論和技術上存在相當的難度。盡管可以查到少量尾礦庫潰壩試驗研究資料,然而在物理模型的相似性設計方面缺乏可靠的依據。尾礦庫潰壩物理模擬嚴格意義上應包含幾個方面:壩體和下游地形的相似、尾礦壩潰壩過程相似、尾礦庫內尾砂的起動和沉積相似等。對于一次筑壩的土石壩尾礦庫,通常采用與原型相近的壩料、級配及壩體施工質量,然而縮尺效應嚴重影響模型試驗結果與原型間的相似性[56]。尾礦壩的相似材料目前主要憑借經驗選取或采用原型尾砂,尚缺乏完備的理論支撐。在潰壩洪水的演進過程相似方面,壩體的潰口發展和下游河道的糙率模擬成為試驗的關鍵。張紅武等[57]借鑒溝道高含沙洪水及淤地壩潰壩模型研究成果,基于尾砂顆粒尺寸相似和侵蝕率方面的考慮對模型尾礦壩材料的選擇提出了建議。然而,在尾砂的起動和沉積方面的相似模擬,仍有較長的一段路要走。離心模型試驗具有較好保持模型與原型應力相同的特點,從而能較好地模擬壩體自重應力場及其與自重有關的變形過程,合理應用應能夠提升尾礦庫潰壩安全評價水平[56,58]。

相似模型的設計是開展潰壩模型試驗的前提,試驗結果可以根據相似律直觀地預測潰壩演進過程。借助于離心模型試驗系統,有望深入研究各致災因素引發的尾礦庫潰決機理及潰壩過程,建立正確的潰壩動態模擬理論和計算方法。然而尺寸限制和較高投入使得離心試驗在工程服務方面受到制約,例如大型尾礦庫縮尺在離心機中會因縮尺比過小而誤差較大。常重力條件下尾礦庫潰壩模型試驗仍會是工程中的重要評估手段,改進常重力條件下的尾礦庫潰壩相似試驗技術很有必要。

3.2 數值模擬法

隨著數值計算方法不斷發展和計算機運算能力的增強,數值模擬也逐漸成為研究潰壩砂流影響范圍的重要方法。李全明等[59]以潰壩洪水運動和泥漿動力學理論為基礎,建立了尾礦庫潰壩泥漿數值模型,研究了其潰壩影響范圍。胡凱衡等[60]對一些泥石流的數值模型進行了總結,就算法而言主要有:有限元法、有限體積法、有限差分法、SPH法等。Rickenmann等[61]綜合比較了3種常見流變模型對數值模擬結果的影響,雖然結果基本符合實際泥石流的運動范圍,但地形因素對不同模型計算結果的影響較大，因此,流變模型的選擇是數值分析計算的關鍵之一。王純祥等[62]為了模擬復雜地形泥石流的演進規律,假定雨水和泥石組成的混合物為均勻連續不可壓縮非定常的牛頓流體,采用深度積分法,導出了模擬泥石流運動的二維數學模型。劉洋等[63]以實際工程為背景,建立了三維潰壩模型對潰后泥石流演進過程進行模擬分析,得到了流速和淹沒深度隨時間的變化規律以及最終的影響范圍。皇甫凱龍等[64]基于二維潰壩水流及高含沙水流研究成果,建立了尾礦壩潰壩砂流數值模型,分別對某尾礦壩潰決洪水和砂流運動情況進行了分析,結果表明潰壩砂流與潰決洪水過程有著明顯區別,由于泥沙與水的相互作用以及下游地形的影響,潰壩砂流流速及泥漿厚度均比潰決洪水小。

雖然目前對尾礦庫潰壩砂流的研究積累了一定的經驗,但在計算方法上大多還是借鑒水庫潰壩泥石流的相應理論。數值計算中假定尾礦庫的瞬間破壞形式在事實上與尾礦庫逐漸潰壩不符,這勢必會帶來一定的誤差。尾礦庫多為逐漸潰壩破壞模式,采用計算手段模擬出尾礦庫潰決過程并對壩體和潰壩流體分別賦予準確的本構模型和流體參數,將使得計算結果更接近真實工況。

4 尾礦庫潰壩預警機制及防治措施

盡管尾礦庫工程目前在技術層面上存在一定的不足,但潰壩事故的發生卻常因為施工和管理方面的原因(見表1)。勘察和設計不當、施工不良、管理不善和應急處理不當等都是實際工程中造成尾礦庫潰壩災害后果嚴重的原因。梅國棟[65]在分析了國內外160起事故案例的基礎上,提出了尾礦庫潰壩預警監測指標體系,包括浸潤線埋深、降雨強度、泄水量和安全超高等。尾砂的剪切強度會隨著時間而逐漸降低,尾礦壩的變形破壞先后經歷衰減變形、穩定變形和加速變形3個階段,因此變形分級預警機制的建立確有必要。

在建立尾礦庫監測預警機制的同時,仍需改進現有的尾礦筑壩技術和研究潰壩災害防治措施。加筋尾礦壩浸潤線的上升滯后于未加筋情況,筋帶對尾礦壩漫頂破壞發展速度和侵蝕溝加深加寬產生明顯的阻滯作用[66]。土工合成材料在增大尾礦壩邊坡穩定性的同時,使得常規壩坡的圓弧滑動破壞模式發生改變[67]。模袋法是目前尾礦壩上游法筑壩的一種新方法。由于土工布和尾砂的共同作用,充尾砂模袋的極限抗壓強度遠大于單純尾砂的極限抗壓強度[68]。由于模袋具有反濾作用,還能夠減輕漫頂水流對壩體的侵蝕作用。當模袋達到承受的極限荷載時,通常會在模袋邊緣處發生土工布的撕裂破壞,因此在使用模袋筑壩法時需引起注意。另外,采用高濃縮分級尾礦上游法筑壩能夠使得沉積灘顆粒分布均勻,減少互層和細泥夾層的出現,改善壩體內部結構并增強尾礦壩的穩定性[69]。極端情況下尾礦庫的潰決可能無法避免,可以研究采取一定的應急工程措施,以減小潰壩損失或延緩潰壩時間。例如,工程中在尾礦壩下游設置臨時壩體不僅可以對潰壩砂流起到導流的作用,還可以攔蓄一部分砂流,有效地減小尾礦壩潰壩砂流下泄距離[70]。雖然人們對尾礦庫潰壩預警和防治有了一定的認識,但仍有許多需要改進和深入研究的地方。

5 研究展望

尾礦庫潰壩分析在很多時候借鑒了一般水庫和大壩的理論研究和工程經驗,但又與蓄水大壩或水庫存在明顯的區別。雖然人們在尾礦庫潰壩方面做了大量的研究工作,但是在許多關鍵領域的進展較緩慢,建議今后可從以下幾方面開展深入研究:

a. 結合新的試驗技術和觀測手段,深入揭示尾礦庫的潰壩機理。例如從微、細觀角度對尾礦庫的潰壩成因和發展過程進行描述,研究復雜情況下尾礦庫的潰口發展規律和多因素耦合作用下的尾礦庫滲流分析等。

b. 對尾砂料進行系統深入的物理力學性質分析。尾砂不同于一般黏性土和無黏性土,深入分析尾礦料的微細觀結構和組成成分對其物理力學特性的影響,有助于提升尾礦庫潰壩安全評價水平。

c. 開展模擬具體工況下的模型試驗研究和改進現有尾礦庫相似模型試驗技術。采用離心試驗系統來模擬復雜滲流、漫頂和地震等致災因素誘發的尾礦庫的浸潤線抬升、潰決機理及過程。基于尾砂的物理力學性質,從壩體變形、沖刷和強度方面綜合提出改進的常重力下尾礦庫相似模型材料選取辦法,改進尾礦庫潰壩模型試驗技術。

d. 提升尾礦庫潰壩數值模型計算水平。基于尾礦庫潰壩資料分析和物理試驗,研究尾礦庫潰壩流體的性質、演進規律及其與土層、構筑物的相互作用,構建相應的數學計算模型。模擬尾礦庫漫頂逐漸潰決過程,并對壩體和潰壩流體分別賦予準確的本構模型和流體參數,將使得計算結果更接近真實工況。

e. 研究尾礦庫潰壩災害防治措施和完善應急處理預案。隨著土工合成材料在水利和巖土工程中的大量應用,進一步研究土工合成材料加筋尾礦筑壩技術,優化和提升尾礦庫的穩定性。研究潰壩應急處理預案,以便在極端情況下尾礦庫潰決可能無法避免時,能減小潰壩損失,或延緩潰壩時間以贏得應急救援時間。

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Advances in research of tailings dam failures

JIANG Qinghui1,2, HU Limin1, LIN Hai1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Advances in research of mechanisms of tailings dam failure-induced disasters, mechanical properties of tailings and hyperconcentrated flow after dam failures, the range of influence of tailings dam failures, and measures of early-warning and disaster prevention are summarized and analyzed. On the whole, studies on tailings dam failures have made some progress, and certain experiences have been obtained. However, further in-depth and systematic studies are required in many areas.At present, research on tailings is mainly performed on specific projects, in contrast to research on the conventional soil material. Systematic study on mechanical properties of tailings helps to enhance the level of safety evaluation of tailings dams. Physical model tests and the numerical simulation method are the main means to predict the range of influence of tailings dam failures. Some key problems for further research of tailings dam failures and disaster control are pointed out, i.e., seeking breakthroughs with new testing technology, properties of tailings and hyperconcentrated flow after dam failures, and dam construction methods.

tailings pond; dam failure; tailings; disaster control

江西省博士后科研擇優資助項目(2016KY38);江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ150072)

姜清輝(1972—),男,教授,博士,主要從事巖土力學數值方法與邊坡穩定分析研究。E-mail:jqh1972@yahoo.com.cn

林海(1986—),男,講師,博士,主要從事環境巖土工程研究。E-mail:linhai@ncu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.014

TV649

A

1006-7647(2017)04-0077-10

2016-09-11 編輯：熊水斌)