不同填筑材料對尾礦壩漫頂潰決過程影響試驗研究

劉 杰，李學偉，馬海萍

(攀枝花學院 土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

四川省攀西地區是我國重要的礦產資源富集區，經過多年開采，一些尾礦庫已經滿庫，為了繼續使用，在原有壩體頂部堆筑尾礦渣以增加壩高。由于新增部分結構疏松，在一定誘導因素作用下極可能發生潰壩。通常情況，造成尾礦壩潰壩的原因主要包括滲透、洪水漫頂以及地震作用等[1]。攀西地區屬于亞熱帶河谷季風氣候區，夏秋多雨冬春干旱，七八月份雨量占據全年近90%，并且時常出現局部極端暴雨。例如2016年攀枝花“9.19”洪災，仁和區啊喇鄉水淌田水庫區域24 h降雨量高達332.8 mm，致使農房被毀、人員失聯、道路中斷、農田被淹、通訊電力中斷、水庫出險等一系列災害。如若極端暴雨發生在尾礦庫區域，急劇暴漲的水流無法及時排出尾礦庫，則極易形成漫頂洪水沖毀壩體。因此，可以認為攀西地區尾礦庫潰壩的最大威脅來自于洪水漫頂。

長期以來，普遍認為造成尾礦壩潰壩的最大原因是尾礦壩排滲系統老化淤堵從而失去排滲功能，眾多研究者就此展開大量研究，取得了豐碩成果[2-3]。相對而言，因洪水漫頂造成尾礦壩潰壩的研究相對較少，一些研究者認為可以借鑒水庫大壩漫頂潰決研究成果[3]。A.B.FOURIE等[4]通過對Merriespruit尾礦庫潰壩事故調查分析，認為造成潰壩的原因是洪水漫頂，并將潰壩過程總結為8個階段。J.L.BRIAUD[5]采用模型試驗方法測試了尾礦壩的抗沖性能，提出尾礦壩抗沖流速與平均粒徑在對數坐標下成線性關系；張興凱等[6]在自主研制的尾礦庫潰壩模擬試驗平臺上，以實際尾礦庫為研究背景，對尾礦庫因洪水漫頂潰決進行了研究，研究結果表明采取降低浸潤錢、鋪設壩面引流明渠和增大安全干灘長度有助于尾礦壩防潰。Y.YANG等[7]通過現場試驗分析了土工布管作為堆筑材料的對尾礦壩結構的影響，認為土工布管中填筑細骨料對尾礦壩加高有益；敬小非等[8]對尾礦壩漫頂潰決機理進行了大量試驗研究，提出尾礦壩潰壩模式為逆流漸進過程；張洪武等[9]采用模型試驗方法模擬了尾礦壩全潰過程，認為尾礦壩潰壩與壩體材料的容重、化學穩定性有密切關系；秦華禮等[10]通過大量試驗研究，發現尾礦庫的穩定性受浸潤線深度及變化過程的影響；趙一妹等[11],敬小非等[12]以試驗的方式探究了筋帶在尾礦壩漫頂破壞過程中的阻滯效應，重點分析了壩體浸潤線、壩體位移等發展過程，得到一系列定性和定量結論。

從已有研究可以看到，壩體填筑材料影響壩體的抗沖性能和穩定性，從而影響尾礦壩在洪水漫頂作用下的潰壩過程。現實生活中，尾礦壩填筑材料通常是在滿足尾礦存放要求的前提下盡可能就地取材節約成本，常見材料是尾礦渣、山沙或河沙。到目前為止，還少有研究者對比分析過不同尾礦庫填筑材料對漫頂洪水作用下潰壩過程影響。因此筆者將對此展開系統性研究，結合攀西地區高鈦渣尾礦庫居多這一特征，選取高鈦渣、山沙以及河沙分別作為尾礦壩填筑材料，對比分析相同級配條件下尾礦壩在洪水漫頂作用下發生潰決的差異。

1 模型試驗

1.1 試驗裝置

在攀枝花學院土木工程實訓中心自主開發了一套多功能試驗水槽。該水槽的最大改進是：在水槽末端兩側邊壁和底部留有玻璃更換卡槽，便于更換預留了測壓管的玻璃板；在下游設置了可以測量潰壩含沙流量的沉沙池，在壩基上方支架安裝了可以360度旋轉的相機旋轉輪臺，在支架處安裝多個LED可變光燈泡，可以根據實際工況調整相機視場和清晰度。因此，利用該水槽可以開展土石壩漫頂破壞和滲透破壞潰決等復雜試驗，并測量傳統潰壩試驗較難獲取的信息(滲透壓、表面流速等)。水槽采用全玻璃設計，全長8.8 m，寬0.4 m，高0.5 m，分為試驗段和沉沙池段，其中試驗段長7 m，沉沙池段長1.8 m。在試驗段末端堆筑壩體，壩體高0.3 m，橫寬0.4 m，壩底沿水流方向寬1.9 m，壩頂沿水流方向寬0.3 m。沿上游依次布置3臺高精度浪高儀(LGs)以記錄庫區水位變化，3臺浪高儀(LG1～LG3)距壩踵的距離分別為1、2和3 m。在壩頂和上游固定兩臺高清數碼攝像機，用以實時監測潰口變化以及潰口表面水流變化。參照文獻[13]，在沉沙池出口處設置一個三角堰以及在沉沙池中斷安裝一臺高精度浪高儀(LG4)，用以通過排水法計算潰壩含沙流量。試驗潰壩過程無上游來流，試驗原理圖以及儀器示意如圖1。

圖1 水槽試驗系統

1.2 試驗工況及試驗準備

表1中工況1～3為文中試驗工況及參數設置。選取礦渣、河沙和山沙3種材料分別作為模型壩堆筑材料進行測試，其中礦渣采自四川省攀枝花市某尾礦庫，河沙采自于金沙江攀枝花某段，山沙采自于攀枝花某在建土石壩采料山體。三者從外觀上表現為顏色不同，礦渣為黑色，山沙為棕褐色，河沙為黃色，如圖2和表2。從表2可以看到，河沙與山沙比重數值十分接近，高鈦渣比重高于二者；河沙與山沙壩孔隙率也十分接近，均高于高鈦渣壩。除表2給出的物理屬性外，高鈦渣還表現出具有微弱磁力，山沙更具黏性，而河沙分散性最強。為了保證所有工況試驗條件具有一致性，首先將山沙和河沙按照尾礦渣樣品級配(小于0.15 mm占4.06%，0.15～0.30 mm占6.08%，0.3～0.6 mm占19.82%，0.60～1.18 mm占26.04%，1.18～2.36 mm占23.32%，2.36～5.00 mm占18.04%，大于5 mm占2.64%，如圖3)進行篩選，填筑壩體前用玻璃箱儲放相同體積的材料，并拌和相同體積的水(大約5 000 mL)。其次，采用木板作為模具固定好壩體上下坡面，將制備好的材料從壩頂填入模具，填入過程大約每10 cm用木錘敲擊夯實。當所有材料填筑到高出設計高度一定距離后用木板壓住壩頂，在木板上放置一20 kg的重物，靜置一小時后拆除磨具。最后，修整壩頂和坡面輪廓，開始試驗。蓄水前檢查并調整各儀器處于待工作狀態，蓄水過程先通過上游一臺電動抽水機快速注水到距壩頂2 cm。然后所有測量設備開始工作，用自來水管接入固定流量的水流，使壩前水位緩慢上升直到水流滿溢到壩體壩趾，關閉入流。

表1 工況及參數設置

圖2 3種不同填筑材料

表2 材料屬性

圖3 顆粒級配曲線

2 試驗結果與分析

2.1 潰口演化過程比較

通過模型試驗對潰壩過進行了重演，對比分析3種不同材料壩體在相同水流漫頂條件下潰壩過程，如圖4。為了具備可比性，在壩體表面等間距放置可視性較強的白色石膏塊以做標記，3種工況對比時刻為25、75、300 s。所有試驗均采用自然漫頂，由于壩頂水平性難以控制，漫頂水流沖刷而成的初始潰口位置具有一定的隨機性。與水庫土石壩類似，最開始的下泄水流攜帶泥沙能力較弱，在下坡面底部容易形成堆積，使得水流被抬高從而分散水面。大體上講，3種工況尾礦壩潰壩過程與文獻[12]描述其他類型尾礦壩潰壩過程類似，大致可以分為3個階段，然而，3組模型試驗表現出了與文獻[12]不同的差異性。在25 s時刻，河沙壩潰口開度最大，山沙壩沙粒堆積最多；75 s時刻高鈦渣壩潰口寬度最大，河沙壩次之山沙壩最小，但是可以明顯看出潰口深度關系剛好相反，即山沙壩潰口深度最大高鈦渣壩潰口深度最小；300 s時刻已經接近潰壩尾聲，表現為高鈦渣壩壩頂處最終寬度最小且邊坡近90°，河沙壩壩頂處最終寬度最大但潰口邊坡坡度較小，山沙壩壩頂處潰口邊坡大于90°。造成這一現象的原因與材料物理屬性有關。高鈦渣比重大，并且顆粒之間有磁力，在堆積壓實狀態距深度越深材質之間的黏聚力越強，因此潰壩過程潰口橫向展寬相對縱向下切更為容易。而河沙由于長期受水流沖刷，相對而言其顆粒本身摩擦角更小，所以在潰壩過程中橫向和縱向沖刷均最快。山沙則因為顆粒表面可能附著更小的細顆粒及有機物等，導致其黏性相對河沙更強，當有水流浸泡后顆粒之間的雜質脫落從而降低黏性，從而導致山沙壩縱向下切更快。由于水槽寬度較小，3種工況潰口展寬都受到邊壁不同程度影響。從以上分析可以看到，漫頂潰壩過程中以高鈦渣為填筑材料的壩體沖毀率最低，其次是山沙壩，河沙壩最高。

圖4 潰口演化過程比較

2.2 潰口流量比較

所有工況試驗前將沉沙池注水到臨界漫溢狀態，潰壩發生后水流攜帶泥沙匯入下游沉沙池，沉沙池中的水將通過另一端的三角堰排出，通過安裝在沉沙池的浪高儀(LG4)可記錄三角堰水頭變化，再利用三角堰公式計算下游演進流量。這里忽略水流沿程損失和局部損失，假設在接近三角堰位置處水流已經轉換為緩流，排出的水流體積與注入的泥沙和水流體積相等，該方法已被他研究者采用過，具有一定的可信度[13]。水工模型中用于計算流量的三角堰公式很多，大多數公式都是水頭和堰寬的函數，只是流量系數和水頭指數取值不同，選取式(1)進行計算：

Qout=1.343H′2.47

(1)

式中：H′為三角堰水頭；Qout為出庫水流體積流量。為了驗證排水法計算結果的正確性，選取目前潰壩研究中應用最廣泛的流量計算公式(水量平衡法)，將式(2)與式(1)同時應用到工況1中，計算結果如圖5。

圖5 水量平衡法與排水法計算潰口流量比較

(2)

式中：Qin為入庫水流體積流量；dVvol/dt為庫容隨時間變化率。

水量平衡法只反應了上游純水體積流量變化，而下游三角堰測得的流量則包括水的體積流量、潰口沖刷材料的體積流量以及動能引起的體積流量，從理論上講水量平衡法結果應小于排水法結果，圖5正好反映了這一規律。并且從圖5看到，兩條曲線走勢十分相似，說明兩個方法計算結果彼此驗證了可靠性。水量平衡法代表了純水流量，排水法則代表了演進流量。為了進一步分析3種填筑材料對尾礦壩潰壩過程影響差異，分別對比3種工況下的純水流量和演進流量，如圖6和圖7。

圖6 不同填筑材料潰壩過程潰口純水流量比較

圖7 不同填筑材料潰壩過程潰口演進流量比較

圖6中，以高鈦渣、山沙和河沙為填筑材料的尾礦壩潰壩過程中純水峰值流量分別為0.004、0.004 3、0.004 9 m3/s，水量平衡法公式計算過程的實質是反映水位變化率，因此可以看出河沙尾礦壩庫區水流下泄速度最快，高鈦渣尾礦庫水流下泄速度最慢。圖7中3種不同填筑材料尾礦壩潰壩峰值演進流量的大小順序與圖6類似，峰值較純水流量峰值有較大提高。高鈦渣、山沙和河沙尾礦壩潰壩過程對應的峰值演進流量分別為0.005 3、0.006 8、0.007 4 m3/s。峰值純水流量和演進流量的差異性主要與潰口尺度和流速有關，即過水斷面面積越大流速越快則流量越大。說明在流量峰值時刻河沙壩的潰口斷面面積與流速乘積最大，而高鈦渣壩的用潰口斷面面積與流速乘積最小。

前文提到，演進流量實際由純水流量、潰口沖刷材料的體積流量以及動能引起的體積流量共同構成，此處忽略動能引起的流量，則可以根據圖6和圖7近似計算峰值時刻下游洪水的含沙率，計算方法如式(3)：

(3)

通過公式(3)計算得到的3種不同填筑材料尾礦壩潰壩過程峰值時刻含沙率如圖8。從圖8中可以看到以山沙為填筑材料的壩體潰壩洪水含沙率最高(36.76%)，以河沙為填筑材料的壩體潰壩洪水含沙率次之(33.78%)，二者均高于以高鈦渣為填筑材料的壩體含沙率(24.53%)。造成這一現象的原因主要是山沙顆粒附著的微顆粒在水流作用下容易形成懸移質，導致顆粒之間黏聚力下降，從而導致山沙壩潰壩水流含沙率最高；而高鈦渣顆粒之間有磁力，不會因遇水而改變黏聚力，所以高鈦渣壩潰壩水流含沙率最低。水中所含的沙都來自于壩體，含沙率越高說明壩體沖刷越多。綜合以上分析，充分說明以高鈦渣作為尾礦壩填筑材料可以有效降低潰壩過程中壩體自身材料的損失率，有利于減少災后壩體修復量，同時也能有效減輕潰壩下泄洪水對下游的程度。

圖8 含沙率比較

2.3 泥沙濃度對潰壩峰值流量的影響

從圖8看到不同填筑材料尾礦壩潰壩洪水的泥沙濃度是不一樣的，從而導致下游演進洪水也存在很大差異，說明泥沙濃度影響潰壩流量，為進一步研究這一影響關系，我們采用理論分析方法進一步展開研究。

在明渠理論中有研究者對比分析過含沙水流與清水流速沿水深分布情況，認為泥沙濃度是通過影響流速從而影響斷面流量[14]。H.ZHANG[15]根據渦流模型提出一個含沙流體流速沿水深分布公式，如式(4)：

(4)

式中：Umax可取表面流速，為沿水深分布的最大流速；U*為模阻流速；cn為渦流系數，其取值與泥沙積體濃度有關，關系式為：

(5)

將式(4)沿水深積分得到斷面平均流速，即：

(6)

此處摩阻流速可以通過平均流速換算，即：

(7)

C為謝才系數。聯立式(4)～式(6)，平均流速與含沙流體表面流速之間的關系為：

(8)

進一步整理得到：

(9)

圖9 泥沙濃度與潰口尺寸對表面流速系數影響

圖9中，潰口水力半徑參考水槽近似計算，即潰壩前水槽寬度0.4 m，水深0.3 m，則水槽的最大水力半徑為0.12 m。由于潰口尺寸不可能大于水槽尺寸，因此取0.06、0.03、0.015 m 3個不同數值代表潰壩3個不同階段潰口水力半徑。從圖中可以看到，隨著泥沙濃度增大，k值呈現先減小再增大趨勢，最小值出現在泥沙濃度為0.05～0.15之間，即流速與表面流速(最大流速)差距較大，說明這一濃度范圍內水流流速不均勻。隨著泥沙濃度增大，k值逐漸趨近于1，說明水流更傾向于均勻流動。若泥沙濃度固定，則水力半徑越大，k值也越大，說明潰口尺寸對水流流速均勻度影響明顯。前文提到流速影響流量計算，因此圖9分析間接說明泥沙濃度和潰口尺寸是潰口流量重要影響因素。

3 結 論

以模型試驗為手段分析了不同材料填筑的尾礦壩潰壩過程差異，并在試驗基礎上通過理論分析方法進一步研究了泥沙濃度和潰口尺寸對潰壩流量影響，得到以下結論：

1)壩體材料類型對尾礦壩抗沖性能影響很大，相對于山沙與河沙為填筑材料的尾礦壩，在洪水漫頂條件下以高鈦渣為填筑材料的尾礦壩潰壩過程潰口發展最慢，潰口沖刷率最低。

2)分別采用水量平衡法和排水法計算潰口純水流量和下游含沙演進流量，并根據二者差值得到了3種尾礦壩潰壩峰值時刻下游洪水含沙率，發現山沙和河沙尾礦壩潰壩過程壩體材料損含沙率高于高鈦渣尾礦壩潰壩過程，說明以高鈦渣作為尾礦壩填筑材料能夠有效降低潰壩過程壩體被洪水沖刷的材料損失率。

3)通過理論推導方式定義了表面流速系數，進一步研究表明泥沙濃度和潰口尺寸通過影響表面流速系數的方式間接影響潰壩流量。表現為隨著泥沙濃度增大，表面流速系數先減小后增大，即演進流量先減小后增大；隨著潰口尺寸增大表面流速系數隨之越增大，即演進流量隨之增大。

研究對尾礦壩的修筑具有一定的指導意義，即在潰壩災害中采用尾礦作為壩體填筑材料既能降低潰壩洪水對下游的影響量又能降低壩體自身的損失率。