尾矿坝稳定性物理模型试验研究*

2013-06-26张敏哲金爱兵王志凯张院生

金属矿山 2013年12期

张敏哲金爱兵王志凯张院生

(北京科技大学土木与环境工程学院)

作为矿山开采控制性工程之一，尾矿库能否正常运营，不仅关系到矿山企业的经济效益，而且还影响到库区下游居民生命财产的安全及周围生态环境的稳定［1］。尾矿坝作为尾矿库的主体工程，是一个具有高势能泥石流的巨大污染源和危险源，存在溃坝的危险。在矿山由于尾矿坝工程失效溃坝而造成重大事故的事例屡见不鲜［2］。因此，对尾矿坝的稳定性研究就显得尤为重要。

物理模型试验即为保持工作规律相似的模拟试验，按照力学相似原理和异构同功原理，复演与原型相似边界条件、相似力学条件或相似变化过程的模型试验，能够直观、清晰地将物理现象展现出来［3-4］。作为工程科学研究的一种重要手段，已在岩土工程研究领域得到广泛的应用。但由于各种原因，通过物理模型试验来模拟尾矿坝稳定性的研究少之又少。

基于上述情况，在相关研究基础上［5-10］，以西石门铁矿生产的尾矿砂为试验材料，通过自行研制的尾矿坝物理模型试验装置，按照室内小比尺堆积尾矿坝体模型。试验研究了加压过程中坝体内孔隙水压力以及浸润线的分布规律，同时监测了坝体坡面标志点位移与荷载的关系，并应用高速数码摄像技术捕获了加压过程中坝体的破坏情况。

1 尾矿坝物理模型试验

1.1 模型试验装置及材料

模型试验装置主要由主体模型箱、加压系统和监测系统3部分组成。模型箱尺寸为3.5 m×1.5 m×1.4 m(长×宽×高)，考虑到方便观察以及记录尾矿坝体的破坏过程和破坏面，模型箱侧面采用厚度为10 mm的透明有机玻璃。模型箱内部布设排水管和排水井，以保证饱水过程中及时排水，同时设置ø10 mm的透明钢化玻璃管测量地下水位变化情况。加压系统由反力支架、油压千斤顶以及承压钢板组成，反力支架固定在模型箱上，加压采用10 t立式油压千斤顶逐级施加垂直荷载，承压刚板尺寸为700 mm×500 mm×10 mm(长×宽×高)。监测系统由DH3816静态应变测试系统和全站仪组成，DH3816静态应变测试系统监测坝体内孔隙水压力的变化规律，全站仪监测坝体坡面标志点位移变形情况。

试验材料取自西石门铁矿生产的尾矿砂，其颗粒大小和各种粒组所占比例与其物理力学性质关系密切，对坝体稳定性有很大的影响。随机选取4组尾矿砂试样进行颗粒分析，试样颗粒主要为砂粒(2～0.075 mm)，此类颗粒含量占到总量的72.1%左右;其次为粉粒(0.075～0.005 mm)，占到总量的26.5%左右;而黏粒(＜0.005 mm)含量只占到总量的1.4%左右。中值粒径d50为0.16 mm。

1.2 试验内容

试验研究的内容主要有:①以西石门铁矿尾矿坝为研究背景，按照1∶100的比尺缩小，堆积尾矿坝体模型，并测试其稳定性;②监测坝体内孔隙水压力随着不同荷载的变化规律，同时测量地下水位变化情况，获得不同荷载下浸润线分布特点;③监测坝体坡面标志点位移与荷载的关系，并通过高速数码摄像技术来捕获加压过程中坝体的变化情况。

尾矿坝初期坝采用透水堆石坝，主要起排除坝内渗水和降低后期尾矿堆积坝浸润线的作用。初期坝坝底标高为350.0 m，坝顶标高为375.0 m，坝高为25.0 m，坝顶宽约4.0 m，内坡比为1∶1.8，外坡比为1∶2.0。堆积坝采用上游法堆坝，从坝顶标高375.0 m开始利用尾矿堆坝，最终堆坝标高为435.0 m，总坝高为85.0 m。按照1∶100的比尺缩小，堆积尾矿坝体模型。试验模型如图1所示。

图1 试验模型

1.3 试验步骤

(1)按照试验设计要求，布设排水井和排水管，同时布置地下水位测量管，并选用碎石堆筑初期坝。

(2)逐级堆积坝体，在坝体内埋设孔隙水压力传感器，坡面布置彩色大头针作为位移标志点，并记录各个标志点坐标。

(3)堆置好坝体后，在坝体的顶部(干滩面处)加水至饱和，浸泡2 d以上，排除坝体内所含气体，并观察加水饱和后的尾矿坝体稳定性状况。

(4)在坝体顶部施加垂直荷载，每施加1级荷载，观察坝体稳定情况并记录每一级荷载下坝体内孔隙水压力、地下水位变化情况以及坝体坡面标志点位移变形情况，并重新记录各个标志点坐标，卸载采取1次性卸载。

(5)试验完成后，将模型箱内的尾矿砂清空，整理试验结果。

2 试验结果与分析

在加压过程中，根据不同荷载大小，监测坝体内孔隙水压力以及地下水位的变化情况，同时监测坝体坡面标志点位移的变形特点，并应用高速数码摄像技术捕获坝体的破坏情况。

(1)通过试验获得了坝体内孔隙水压力变化规律，如图2所示。从图2可知:加压使得坝体内孔隙水压力迅速增大，增加的幅值不单是由于地下水位上升引起的，主要是加压使得坝体内水承受了比较大的压力，导致坝体内部产生高孔隙水压力，易造成堆坝材料强度降低或完全消失。

(2)根据不同荷载大小地下水位测量结果获知了浸润线的变化规律，见图3。从图3中可看出:随着荷载增加，坝体浸润线逐渐升高，前期上升较快，后期上升较慢，主要是由于加压使得坝体内部的水通过初期坝渗透出来，从而水位上升的幅度比较小，表明由于坝体继续堆高使坝体失稳的风险不大。

图2 孔隙水压力变化

图3 坝体浸润线变化曲线

(3)坝体坡面位移变形曲线如图4所示。从图4中可看出:逐级增加荷载，坝体坡面变形随之增大。坝体顶部呈压密状态，中部受压外凸显著，底部受到影响很小。其中，4、5、6 3个最大位移变形标志点影响范围反映在图3中的不稳定区域为坝体堆高46～63 cm位置，该区域为尾矿坝体失稳及采取工程措施的关键部位。同时，当荷载为20 kN时，位移发生突变，导致变形急剧增大，通过将荷载20 kN转换成堆高可得其临界高度为125 cm，当超过这个临界高度时，变形会急剧增大，进而引起坝体失稳。通过高速数码摄像技术捕获此时坝体破坏情况，从中可看出坝体出现裂缝，见图5。