逐級堆排尾礦泥漿排水固結規律試驗

歐孝奪 蘇 建 鐘一和 吳光航 江 杰

（1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004；2.工程防災與結構安全重點實驗室，廣西南寧530004；3.廣西金屬尾礦安全防控工程技術研究中心，廣西南寧530004）

礦石選洗所剩尾礦泥漿經泵送排入尾礦庫中堆儲，具有含水率高、細粒含量多等特點［1］。由于缺乏有效的排水通道，尾礦漿經十幾年時間仍未能完全固結，尾礦庫內積水嚴重，極易引發漫頂、潰壩及庫底泥漿泄漏等事故。通過增設“逐級濕堆尾礦排水裝置”［2］為排水體，可有效加快尾礦泥漿橫縱向排水固結。該排水裝置以排水性能良好且能有效過濾細顆粒尾礦的土工排水材料作為豎向排水通道。排水材料下部固定連接至庫底排水管，上部蜷曲于可隨尾礦堆排同步升高的浮體中。隨著尾礦泥漿的逐級堆排，排水材料自浮體中隨之拉伸，過濕性尾礦上部積水及孔隙水隨著這一排水通道持續性向下排水，最終從庫底排水管集中排出。

尾礦的排水固結與尾礦類型、顆粒粒徑、沉積時間、預壓力施加時間等因素密切相關［3-5］，沉降量與沉降時間基本呈線性正相關關系，且濃度越高，相關系數越小［6］。尾礦泥漿的逐級排放工藝使尾礦土在飽和—非飽和狀態中循環［7］，并在沉積層中形成交錯層理［8］。巫尚蔚［9］將尾礦的一維自重沉積過程分為沉降階段和固結階段。但在增設排水體后，尾礦排水固結過程及滲流計算模型更為復雜，既有研究難以有效描述其在逐級堆排條件下排水固結過程的特性變化規律。

通過等比例模型試驗模擬逐級堆排沉積條件下尾礦泥漿的排水過程，對該條件下尾礦橫縱向固結效果進行了分析，并將尾礦排水固結分為5個階段；進一步建立尾礦理想孔隙滲流模型，計算得到排水體最大影響半徑時序曲線，為排水體作用下逐級堆排尾礦的排水固結提供參考。

1 排水固結模型試驗

1.1 尾礦排水固結物理模型

從單次堆排過程來看，尾礦泥漿通過泵送排放至尾礦庫內，隨后懸浮泥漿通過豎向排水體排出自由水及孔隙水，土顆粒在自重作用下逐步固結，最終轉變為具備結構強度的沉積土。而由于尾礦庫采用間隔式的逐級堆排，故單次泥漿排水固結至一定程度后，下一次泥漿又會重新補充水分，使其固結狀態發生改變。根據逐尾礦逐級堆排特點，建立其排水固結物理模型如圖1所示。（1）分級填入既定厚度尾礦泥漿，排水體持續作業；（2）泥漿僅在自重作用下完成排水固結，故排水口在排水體下方；

（3）表層蒸發面及下端重力排水口為排水面，圓柱其余面為不排水面。

1.2 模型試驗設計

（1）模型設計。根據上述物理模型設計制作等比例試驗裝置（如圖2所示）。試驗箱為高1.8 m，直徑2.0 m的不銹鋼圓筒，底部中心設置砂濾層排水口。排水口連接土工復合排水材料為豎向排水體，排水材料由表面濾網及骨架芯材2部分組成，上端固定在安裝支架中，使排水體保持豎直。

（2）尾礦泥漿制備及堆排。所選尾礦為黏粒含量較大的鋁土尾礦，礦泥取自中國鋁業廣西分公司2#尾礦庫，經室內試驗測試其基本性質如表1所示。

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尾礦土樣經過“曬干—初步粉碎—充分浸泡—攪拌”過程后制成20%濃度分散均勻的泥漿。堆排速率和每級堆排高度根據近2 a中國鋁業廣西分公司2#尾礦庫實際情況，日排泥高度為0.07 m/d，堆排21 d后試驗箱達到飽和。最終泥面高度達到1.475 m，水面高度達到1.747 m（如圖3所示）。試驗共持續125 d，其中前期堆排21 d，停排后繼續測試104 d。

2 雙向排水固結分析

2.1 孔隙水壓力變化分析

試驗布設9個孔隙水壓力計（1#～9#），各位置孔隙水壓力變化時程曲線如圖3所示。孔隙水壓力曲線存在一定波動，但總體上呈現明顯階段性。

（1）尾礦堆積高度每增加0.5 m，孔隙水壓力平均減小約5 kPa；同一高度的各位置孔隙水壓力隨著與排水通道的距離的減小而減小，但減幅逐漸增大。

（2）堆排期孔隙水壓力呈波浪式逐級遞增，停排期孔隙水壓力呈兩段式逐漸減小，在約第35 d后下降速度明顯放緩。孔隙水壓力變化時間拐點與上層覆水排干時間吻合，故認為停排前期（第21～35 d）尾礦主要是在外加水頭下產生滲流排出自由水，而停排后期（第35 d后）尾礦主要為固結過程中產生的滲流，尾礦壓縮后所含的孔隙水被排出，滲透性降低，孔隙水壓力值減幅變小。

2.2 沉降變化分析

試驗共布設沉降標9個（1#～9#），從堆排8 d后（堆填高度0.5 m布設第一層）開始測量，各位置沉降時程變化曲線如圖4所示。

從圖4來看，雙向沉降變化與孔隙水壓力變化并不同步，土體應力變化滯后于應變變化。

（1）對于不同高度的沉降測試點，下層土的沉降很快達到穩定，且單層變形量更大。最終底層（1#～3#）平均單層沉降變形152.6 mm，遠大于上層（7#～9#）的平均單層沉降變形22.7 mm；對同一高度的各沉降值點，隨著滲流路徑增加沉降量越來越接近，且該規律隨深度增加越發明顯，底層距離排水材料0.66 m與0.98 m位置沉降量幾乎相等。

（2）底層及中間層沉降測試點（1#～6#）的沉降曲線可分為2個階段：堆排期（21 d前）逐級堆載與排水同時進行，沉降降幅較大；停排期（21 d后）僅通過排水固結壓縮尾礦體，沉降明顯放緩；尾礦表層沉降測試點（7#～9#）自停排后開始安裝，沉降拐點與底層及中間層不同步，除向下排水外其表面還受到蒸發作用長期影響，試驗后期沉降增幅明顯高于底層及中層。

2.3 逐級堆排尾礦排水過程分析

尾礦在豎向排水體作用下，由完全擾動的水土混合懸浮泥漿轉化為土水分離的結構性沉積土，該沉降及自重固結過程亦是泥土系統（懸浮態泥和沉積態土共存的系統）內顆粒間從無接觸應力到產生有效應力的過程。Imai［10-11］認為固結過程主要存在3個階段：絮凝階段、沉降階段及固結階段，張楠［12］在Imai研究基礎上進一步提出對于“泥—土系統”最終形成沉積土的演化過程。

通過模型試驗模擬分級堆排的簡化過程，基于上述對不同位置孔隙水壓力、沉降時序變化分析，可將尾礦的沉積固結過程劃分為5個階段。

（1）沉降絮凝階段。尾礦漿排放初期，由于水力沖擊、攪動及重力作用，尾礦顆粒產生劇烈運動，此時液面渾濁。但由于土顆粒密度大于水的密度，呈現下沉運動并表現出集合沉降的傾向。當土顆粒間電解質濃度達到臨界絮凝濃度時，土顆粒在布朗運動、不等速沉降、以及水流紊動引起的碰撞作用下會迅速產生絮凝［13］。尾礦漿上下呈現分選沉降層和絮凝沉降層（如圖5所示）。

（2）絮凝壓縮階段。沉降絮凝階段后，絮凝沉降層的尾礦顆粒大多結成絮團并沉底（如圖6所示）。隨著排水的進行，絮團在底部受重力和布朗運動的雙重作用，開始相互緊密接觸，絮團間的毛細水被擠出，膠體顆粒間的電磁力不斷增加，同時也伴隨著孔隙的形成［14］。最終，絮團全部轉換為絮體，沉降區消失。

（3）絮體壓縮固結階段。隨著絮凝壓縮的進行，上部壓力使得絮體距離逐漸減小，絮體區的下部開始固結形成結構性沉積土（如圖7所示），絮體間的電磁力連接開始轉變為土顆粒間有效應力［15-16］。排水通道附近的沉積土在水頭差的作用下開始通過排水體濾膜排水。隨著滲流的進行，尾礦土的孔隙不斷減小，固結程度逐漸提高。

（4）覆水自重固結階段。絮體在上覆壓力及自重作用下全部壓縮并轉化為結構性沉積土（如圖8所示）。尾礦泥漿完成水土分離，上層覆水通過豎向排水體快速排出，超靜孔隙水壓力逐漸消散，尾礦體積不斷壓縮，土顆粒間有效應力逐漸增大。由于排水速率快，該階段尾礦的固結速度最高。

（5）自重壓縮固結階段。上層覆水排干后（試驗中為35 d后），尾礦進入自重壓縮固結階段。隨著水位逐漸降低到尾礦泥表面以下位置，滲流場轉變為以土顆粒中孔隙水滲流為主要滲流形式，滲流速率及土體壓縮速率減緩。隨著排水過程的持續，尾礦上部呈現非飽和土區并逐漸向下加深。最后在自重作用下土體壓縮至穩定，孔隙水壓力及沉降幾乎不變化，自重固結完成（如圖9所示）。

3 滲流模型及最大影響半徑

3.1 尾礦理想孔隙滲流模型建立

水頭差使飽和尾礦泥內水體在尾礦孔隙內流動，水體所受土顆粒浮力的反力與水滲流所受阻力互為作用力與反作用力。沿滲流流線方向取一微分單元體，建立理想孔隙滲流模型（如圖10所示）。

從圖10模型中取獨立圓柱形微分體（下稱微分體）進行受力分析，設滲流起始端a處水頭為h1、面積為A1；滲流終端b處水頭為h2、面積為A2；孔隙流體長度為L。作用在微分體的截面a、b處的邊界壓力（孔隙水壓力）分別為：

式中，γw為水容重；其中PWa方向與滲流同向，PWb方向與滲流反向。

水體自身重力沿ab方向的分力為：

式中，γw為水容重；n為土的孔隙率；l為微分體長度；A為微分體截面積；α為滲流方向與豎直面夾角。

水體所受土顆粒浮力的反力等于與土顆粒同體積水重，其在ab向上的分力為：

水滲流時微分體土顆粒對其施加總阻力為：

式中，T為單位水滲流受到的阻力，其方向與滲流反向。

微分體受力如圖11所示，建立其平衡方程：

引入單位尾礦上的滲透力Gcr，其與阻力T互為作用力與反作用力。同時，將孔隙水壓力u1引入平衡方程式（6），得：

移項整理后，可得孔隙水壓力u1為：

由式（8）可知，滲流起始位置的孔隙水壓力值u1與水位h2、孔隙滲流面積A1及A2、孔隙率n及單位尾礦上的滲透力Gcr各變量呈非線性關系，隨各變量離散性變化而不斷改變。

3.2 孔隙水壓力變化機制分析

尾礦泥漿沉降絮凝初期，懸浮狀顆粒間不產生接觸應力，僅受自身重力及水浮托力γwVS作用并緩慢下沉。沉降過程中，顆粒間由懸浮狀態或邊—邊接觸逐漸過渡為面—邊、面—面形式接觸，同時伴隨著大孔隙和中等孔隙發育；隨著排水固結的持續進行，土顆粒開始接觸，有效應力不斷增加，尾礦顆粒逐漸由蜂窩狀結構向更為致密的絮凝狀結構轉化，土的骨架初步形成，骨架中孔隙構成穩定的滲流通道。

取排水過程的某一時段進行分析，假設該時段的初始孔隙水壓力為u10，結束時的孔隙水壓力為u11。根據式（8）可得孔隙水壓力分別為：

式中符號與式（8）相同。

為方便討論，現做出以下假設：

（1）滲流路徑近似為水平向，即 cosα=0；

（2）所研究的滲流孔隙路徑始于各孔隙水壓力計，終于排水管壁，則式（9）、（10）可簡化為：

由于排水體處于整個尾礦泥中心且上下貫通，孔隙水滲流進入豎直排水體時將由水平運動變為垂向運動，故可用井損折減系數β替代試驗中水流偏轉產生的水頭損失，則滲流末端的水頭高度可表示為：

式中，hw為豎向排水體水位高程。可知，孔隙水壓力變化值為：

由式（14）可見，尾礦孔隙及水位差變化使得孔隙水壓力逐漸消散。

尾礦泥漿堆排初期，豎向排水通道內水位較低，孔隙的兩頭形成水位差，從而使孔隙水沿著孔隙發生滲流。隨著排水過程的進行以及上覆荷載的持續作用，孔隙不斷被壓縮，等效截面積A減小，加上孔隙間水頭hw也同步減小，尾礦滲流越發困難，孔隙水壓力逐漸趨于穩定。

3.3 最大影響半徑確定

最大影響半徑邊界處不發生滲流，即孔隙水壓力變化梯度為0，可表達為：

式中，Δu為孔隙水壓力消散量；l為該位置與豎向排水通道的距離。

將式（14）Δu代入式（15）得：

由2.2節可知，式（16）中孔隙面積A及水位高度均會隨固結過程而逐漸減小，所以最大影響半徑亦是隨時間而變化的函數。根據最大影響半徑定義［17-18］，隨著滲流長度的增加，尾礦孔隙水壓力下降值逐漸變小。當孔隙水壓力下降值不隨距離變化時，該位置與排水體距離即為排水體最大影響半徑。為了解尾礦固結過程中最大影響半徑變化特征，以天為單位對尾礦各個位置孔隙水壓力下降值進行統計分析。考慮到底部尾礦受不透水邊界條件影響，滲流條件與上部不一致，故只對0.5 m及1.0 m堆積高度的4#～9#孔隙水壓力計進行分析。根據之前測試數據，自第35 d后各層孔隙水壓力變化變緩，即影響半徑變化趨于穩定，故僅對堆排期第11～21 d及停排期的第22～35 d進行統計。

通過對試驗箱半徑內的不同位置孔隙水壓力下降值統計分析，將各斷面孔隙水壓力下降值曲線進行擬合預測以確定其最大影響半徑值。選用不同函數擬合后發現，當選用指數函數（y=ae-ex）擬合時R2值最高，各擬合曲線的R2在0.841 8～0.995之間，曲線的擬合值與實際值相關性較好。故選用指數函數擬合每天0.5 m及1.0 m堆積高度斷面孔隙水壓力下降值曲線，得到最大影響半徑，統計后繪于圖12。

由圖12可見，最大影響半徑隨著堆排時間增加，總體上呈逐漸減小趨勢。但由于孔隙水壓力受溫度、大氣壓等因素影響，加上各曲線擬合R2值不一所形成的可靠性差異，最大影響半徑時序變化曲線存在一定波動性。堆排第1 d 0.5 m及1.0 m堆積高度排水體影響半徑分別達到8.34 m及5.46 m，下部最大影響半徑明顯大于上部；之后最大影響半徑迅速衰減，并在第4 d出現明顯拐點，減小速率變緩；堆排完成15 d后，0.5 m及1.0 m堆積高度排水體影響半徑分別穩定在約2.2 m及1.7 m。這印證了排水體最大影響半徑變化主要是受尾礦固結程度的影響。固結前期尾礦孔隙較大，排水體可以通過較長的滲流通道作用；而隨著上覆荷載的增加，尾礦的固結程度不斷提高，骨架被逐漸壓縮，滲流孔隙通道變得狹窄或是被滲流過程土顆粒阻斷，滲流難度增加，滲流場范圍逐漸減小。

4 結論

（1）從縱向上看，孔隙水壓力值、沉降變化與堆積深度成正比，但二者增幅并不相同；從徑向上看，同一高度的孔隙水壓力與沉降值隨滲流路徑增加降幅均逐漸減小，且隨深度增加該規律越發顯著。

（2）停排后（第21 d后）上覆荷載逐漸減小，使下層沉降增幅明顯減小；而孔隙水壓力則是在停排后呈兩段式減小，在上層自由水排干后（第35 d），孔隙水壓力降幅明顯減小。說明孔隙水壓力與沉降在土體排水固結過程中變化并不完全同步，應力變化滯后于應變變化。

（3）根據沉降及孔隙水壓力變化曲線可進一步將逐級堆排尾礦排水過程分為沉降絮凝階段、絮凝壓縮階段、絮體壓縮固結階段、覆水自重固結階段及自重壓縮固結階段5個階段。

（4）建立了尾礦理想孔隙滲流模型，孔隙水壓力與水位、孔隙滲流面積、孔隙率及單位尾礦上的滲透力呈非線性相關，并基于孔隙水壓力數據擬合測算各時期不同高度排水體最大影響半徑。隨著尾礦的固結程度不斷提高，滲流場范圍逐漸減小，影響半徑在約4 d內迅速衰減，第35 d后0.5 m及1.0 m堆積高度影響半徑分別降低至約1.7 m及2.2 m。