凍融循環作用下尾礦壩的力學響應特征

金佳旭 李世旺

摘 要：寒區凍融環境條件下，尾礦砂的凍融、縮脹、損傷破壞給寒區尾礦壩工程造成極大的危害。為探究凍融循環作用下尾礦壩變形規律，揭示其變形機制。采用自主設計的尾礦壩相似模型試驗裝置，開展不同凍結溫度（-5、-25、-45 ℃）條件下，尾礦壩的變形規律模型試驗。借助土壓力、激光位移、孔隙水壓力傳感器，采用動態數據采集儀采集相關數據，分析凍融循環過程中尾礦壩各關鍵位置應力、變形、孔隙水壓力的動態變化規律。試驗結果表明：壩體內應力隨凍結溫度的降低而增大;在凍融循環前期，尾礦壩各關鍵位置應力增長速度明顯高于凍融循環其他階段。壩體內孔隙水壓力隨凍結溫度的降低而減小;壩體越深，孔隙水壓力的變化幅度越大，周期性更強，也更具有規律性。凍結溫度具有明顯的位置效應，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

關鍵詞： 巖土工程;尾礦壩;凍融循環;力學響應特性;變形機制

中圖分類號：TU431? ? 文獻標志碼：A

Abstract：The freezing and thawing， shrinkage， expansion and damage of tailings sand cause great damage to the project of tailing dam in cold regions. In order to explore the deformation law of tailing dam and reveal the deformation mechanism under freeze-thaw cycle，tailings dam of similar model test device was designed and carried out different freezing temperature （5， 25， - 45 ℃） under the condition of the deformation law. By means of soil pressure， laser displacement and pore water pressure sensor， the dynamic data acquisition instrument was used to collect relevant data and analyzed the dynamic change law of stress， deformation and pore water pressure at each key position of tailing dam during the freeze-thaw cycle. The test results show that： The internal stress of dam increases with the decrease of freezing temperature; In the early stage of freeze-thaw cycle， the stress growth rate at each key position of tailing dam is higher than that at other stages of freeze-thaw cycle.The pore water pressure in the dam decreases with the decrease of freezing temperature; the deeper in the dam， the larger the change range of pore water pressure， and the stronger periodicity and more regular.The freezing temperature has obvious position effect. The closer to the tailings dam edge， the larger the deformation amount of dam body， the deformation speed is faster.

Keywords：geotechnical engineering; tailings dam. freeze-thaw cycle; mechanical response characteristics; deformation mechanism

尾礦壩是金屬、非金屬礦山的重大危險源[1-8]。它不僅給生態環境的治理帶來困難，更會威脅到附近居民的生命財產安全。據統計，中國的季凍區面積約占全國面積的55%，而凍融循環是季凍區尾礦壩穩定性的重要影響因素之一，直接影響尾礦砂物理力學性質的變化[9-10]。同時，會導致壩體內孔隙壓力等力學指標發生變化，進而導致尾礦壩壩體變形，即穩定性發生變化。而尾礦壩穩定性是評價項目工程安全是否可靠的關鍵指標，故研究凍融條件下尾礦壩力學響應特性具有重大意義。

目前，針對凍融循環作用下尾礦砂的物理力學性質的變化規律，學者們進行了大量理論和試驗研究。Beier等[11]進行了實驗室冷凍試驗，結果表明，凍融是提高尾礦強度和表面穩定性的一種技術方法。Maria[12]等研究了毛細作用對尾礦壩穩定性的影響。張二軍等[13]使用高低溫試驗箱和應變控制式三軸剪力儀對處于不同初始條件下的尾礦砂進行不排水、不固結試驗;彭成等[14]研究了細粒尾砂孔隙比與滲透系數常用對數的擬合規律;但是，這些研究多涉及凍融循環條件下的尾礦砂物理力學特性，而關于凍融循環條件下尾礦壩變形規律的研究鮮有報道，相關機理不甚清晰，因此，有必要開展不同凍結溫度對尾礦壩變形、內力、孔隙水壓力的影響規律研究，明晰尾礦壩穩定性的影響因素，進而為提高季凍區尾礦壩的穩定性分析提供基礎資料，為保證季凍區尾礦壩的安全運營與科學管理提供重要依據。

1 尾礦壩凍融循環試驗

1.1 相似模型定律

1.1.4 邊界相似 考慮到尾礦壩現場實際情況，模型的邊界條件設置為：左右界面全約束，上表面為自由面，后表面有水平方向約束，前表面為自由面。

1.2 試驗裝置

采用擁有自主知識產權的“一種基于凍融循環作用的尾礦壩模型試驗箱”，該設備密封性良好，溫度模擬準確，同時，輔以溫度傳感器（GYH-2型）、土壓力傳感器（BX-1型）、激光位移傳感器（FT50220型）等，能夠實現不同溫度條件下對模型壩體內部應力和各級子壩位移變形的監測。

動態數據采集儀選用靖江泰斯特電子有限公司生產的TST5912動態信號測試分析系統（圖1）;試驗選用美國Decagon公司生產的5TM孔隙水壓力傳感器。

1.3 試驗材料

選用粉細砂狀的鉛礦砂為試驗材料，風干，過2 mm篩，取其細粒部分進行試驗。依照《土工試驗方法標準》[17]進行土常規試驗，測得尾礦砂平均比重為3.21、天然含水率為16.8%、干密度為1.77 g/cm3，液限WL為34.6%，塑限Wp為17.3%。主要的物理性質指標見表2。

1.4 試驗方案設計

因尾礦壩潰壩形式多為壩基及各級子壩發生橫向位移，即失穩破壞，因此，需監測初期壩及各級子壩處的橫向位移，以及在各級子壩及后方庫區內布置土壓力及孔隙水壓力監測點。各監測點布置位置按照工況要求，總體依照平均分布各點的思路，以便觀察和總結凍融循環作用下尾礦壩各位置的應力、孔隙水壓的變化情況。具體監測點布置見圖2。如圖2所示，7個監測點處均設置有土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，模型外部共布置3個激光位移傳感器，分別為對準初期壩、一級子壩、二級子壩中部，用于監測各級子壩水平向的變形位移情況。模型內，等間距設置有3根測壓管，保證能夠實時確定浸潤線的位置。

綜合前人研究成果[18-19]，并根據礦區所在地區的氣候變化特征以及試驗的可行性，最終確定凍融循環次數為8次，凍結溫度分別為-5、-25、-45 ℃，融化溫度均設定為25 ℃，每個循環凍結和融化時間均為12 h，保證模型內尾礦砂能夠完全凍透和融透。

1.5 尾礦壩相似模型的建立

1.5.1 試驗準備 試驗選用外徑32 mm，壁厚2 mm的高密聚乙烯（HDPE）管作為放礦管。尾礦砂漿采用攪拌機攪拌至均勻，按照實驗方案控制攪拌機轉速，使尾礦砂漿能夠順利地通過放礦管。

1.5.2 模型制作 ①將自制的放礦管架設在尾礦壩模型的初期壩上，調整管道傾角，使尾礦砂能夠順利地通過放礦管流入至壩體模型中;②待尾礦砂鋪滿模型箱底部，按照實驗方案埋設第1層土壓力傳感器（編號分別為1～3）后，用尾礦砂將傳感器上部鋪平，以保證試驗過程能夠順利進行;③待模型箱內堆積尾礦砂高度增加之后，按照設計資料筑造一、二級子壩，同時，分別在一、二級子壩內部及庫區埋設4、5號和6、7號土壓力傳感器;④將各傳感器與動態數據采集儀連通，實時監測試驗數據;⑤實驗過程中，需要不斷地將流入模型箱后方的水清除，定時檢查放礦管是否堵塞，以保證尾礦砂的順利流入;⑥當壩體模型堆積完成后，靜置24 h，將模型箱放入主箱體內，反復進行8次凍融循環。圖3為堆壩完成后尾礦壩模型全貌。

2 試驗結果分析

以初期壩（2#監測點）、一級子壩（4#監測點）、二級子壩（7#監測點）為例，對比分析凍結溫度與凍融循環次數的變化對各關鍵位置應力、孔隙壓力、變形量的影響規律。

2.1 監測點應力值分析

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置應力變化趨勢見圖4。凍融循環初期（前5次凍融循環），各監測點應力值呈增長趨勢，后3次凍融循環，各監測點應力值逐漸趨于穩定。同時，凍結溫度越低，壩體內應力越大，應力峰值出現的時間越早，這是凍結溫度和凍融循環次數耦合作用的結果。此外，在凍融循環前期，各位置應力增長速度明顯高于凍融循環其他階段，這是因為，凍融循環前期，尾礦壩內的溫度梯度大，凍融循環作用明顯，應力增長速率大。通過上述分析可知，在解決凍融循環作用下尾礦壩失穩或承載能力降低的實際工程問題上，要重點關注凍融循環前期的作用，也即在凍融循環開始前就做好對策。具體可采取的措施包括：在一定程度上阻隔或降低溫度傳遞，避免出現較大的溫度梯度，降低冰水的轉化速率。

2.2 監測點孔隙水壓力值分析

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置孔隙水壓力變化趨勢見圖5。隨著凍融循環次數的增加，各監測點孔隙水壓力呈先降低后穩定的趨勢，且凍融循環前期的衰減幅度較大;同時，各監測點孔隙水壓力隨凍結溫度的降低也呈減小趨勢，凍結溫度越低，經歷8次凍融循環后的孔隙水壓力衰減幅度越大。凍結溫度的不同會導致孔隙水壓力產生周期性變化，進而導致尾礦砂內冰水相變效果不同，即孔隙水壓力出現差異。溫度降低過程中，孔隙水的吸附作用和毛細作用逐漸減小，孔隙水壓力下降，當溫度達到凍結點時，水逐漸凍結。其中，冰水界面曲率半徑、毛細勢和孔隙水壓力三者的大小成正相關關系，隨溫度的降低，冰水界面的曲率半徑逐漸減小，導致毛細勢和水壓力逐漸減小;未凍水膜厚度逐漸變小，導致吸附勢變小，孔隙水壓力也隨之變小。

此外，孔隙水壓力的大小和壩體深度也有一定的關系。在同一凍結溫度條件下，2#監測點處孔隙水壓力的變化幅度要大于其他兩處，且周期性更強，也更具有規律性。在凍融循環過程中，孔隙水的深度和凍結速率會影響孔隙水壓力，越深或者凍結速率越小，越有利于孔隙水壓力的發育。在單向凍結過程中，較淺處的尾礦砂溫度梯度較大，其溫度變化也很快，因此，尾礦砂的凍結速率較快。而較深處的尾礦砂，溫度梯度較小，溫度變化速率也較緩慢，因此，尾礦砂的凍結速率也相對較小。凍融循環作用會改變尾礦砂的結構，從而影響孔隙水壓力，較淺處的尾礦砂凍結速率較大，凍融循環對其影響程度更大，尾礦砂結構的改變也更嚴重，此處的孔隙水壓力變化比較雜亂，很難得出明顯規律。而較深處的尾礦砂凍結速率小，凍融循環對其影響程度也不大，尾礦砂結構幾乎保持不變，此處孔隙水壓力的變化規律性比較明顯。

（a）2#監測點孔隙水壓力監測結果 （b）4#監測點孔隙水壓力監測結果

（c）7#監測點孔隙水壓力監測結果

2.3 不同凍結溫度下尾礦壩的位移變化規律

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置的位移變化趨勢見圖6。在凍融循環過程中，一、二級子壩均呈現變形先突然增大后緩慢減小，最終穩定的變化趨勢，凍結溫度越低，變形幅度越大。原因在于，凍融循環前期，模型內未凍結水較多，溫度降低凍結后，由于膨脹導致子壩變形大幅增大;在融化階段，凍結的冰開始融化，膨脹力減小，使得壩體變形減小，繼續凍結，由于此時尾礦砂傳遞熱量變慢，即使在相同的凍結溫度下，融化的水分也不會快速凝結成冰，尾礦砂內的冰？水轉換趨于平衡，故而，出現尾礦壩變形繼續降低的現象。此外，凍融循環和凍結溫度具有明顯的位置效應，越靠近尾礦壩，溫度梯度越大，凍融速度越快，進而導致變形量越大，變形速率越大。因此，可以得出溫度是影響凍融循環作用的關鍵因素，壩體變形實際上同時受凍融循環次數和凍結溫度的影響，在一定條件下，凍結溫度比凍融循環次數對壩體變形的作用更為明顯，特別是在凍融循環后期，凍結溫度往往發揮主要作用。

3 結論

通過開展不同凍結溫度作用下尾礦壩的凍融循環試驗，基于對壩體關鍵位置處的應力、孔隙水壓力、位移等數據的分析，得到尾礦壩的應力？變形演化規律。主要結論如下：

1）凍融循環初期，各監測點應力值均不斷增長，隨著凍融循環次數增加，各監測點應力值開始趨于穩定;凍結溫度越低，壩體內的應力越大，應力峰值出現的時間相對越早，在凍融循環前期，尾礦壩及尾礦庫各位置的應力增長速度明顯高于凍融循環其他階段。

2）隨凍融循環次數增加，壩體及庫區孔隙水壓力先降低后趨于穩定，孔隙水壓力在凍融循環前期衰減速度較大;凍結溫度越低，孔隙水壓力越小，孔隙水壓力衰減速度越大。在負溫情況下，孔隙水壓力隨凍融循環的溫度改變呈規律性變化。

3）在凍融循環前期，一、二級子壩均呈現變形先突然增多后緩慢減小，最終穩定的變化趨勢，凍結溫度越低，變形幅度越大;凍融循環和凍結溫度具有明顯的位置效應，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

4）通過進行不同凍結溫度下尾礦壩凍融循環試驗，為凍融循環作用下尾礦壩變形動態監測提供重要參考，實現凍融循環過程中尾礦壩結構性演化動態評價。

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（編輯：王秀玲）