尾矿坝地震液化溃坝研究进展

2014-03-23张文辉潘建平

采矿技术 2014年6期

张文辉，潘建平

(1.江西铜业集团公司德兴铜矿，江西德兴市 334224；2.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州市 341000)

0 引言

随着我国工业化对矿产资源需求的日益增加，开采出来的矿石经破碎、磨矿、分选等多道工序才能选出精矿，在此过程中排出大量尾矿。我国尾矿年产达3亿t以上，除少数被利用外，大部分以尾矿坝拦截储存，现有尾矿库约8540座，累积堆存尾矿超80亿t[1￣2]。

尾矿坝是一种特殊的土工构筑物，其筑坝材料、施工工艺、建筑工期、服务功能、静动力特性、坝体结构形式、服务期和环境安全要求均不同于一般的水工土石坝。上游法尾矿坝后继断面较小及占地较少，且工艺简单，造价低，在我国大多数尾矿坝中得到采用。然而，尾矿颗粒较细，比重较大，亲水性弱，饱和疏松的尾矿是非常敏感的不稳定结构，而上游法尾矿坝容易形成复杂、混合的坝体结构，许多坝体的排水系统不完善或易淤堵，致使坝体内的浸润线抬高甚至从坝面溢出，大部分坝体处于饱和状态且比较疏松，容易引起坝体产生渗透破坏或滑坡、垮塌，在动荷载条件下强度低，动剪应力比变化范围小，地震时更易发生液化破坏[3￣4]。

在地震作用下，倾斜土体内或其下部土层中如果发生液化，整个土体就可能流动或向没有支撑的一边作侧向移动[5]，最终导致坝体发生流滑破坏。如1978年日本的Mochikoshi尾矿坝发生地震液化破坏，其中1号尾矿坝在地震结束时发生破坏，而2号尾矿坝则在震后约24 h垮塌，近80000 m3的尾矿水合物瞬间流向下游[6]。1985年智利Veta de Agua尾矿坝地震液化溃坝，向下游释放了280000 m3尾矿，覆盖长达5 km区域(见图1)[7]。1994年加州地震中，Tapo Canyon尾矿坝发生了流滑破坏，也给当地带来巨大的生态环境灾难[8]。我国1976年唐山地震中，大石河尾矿坝沉积滩发生大量喷水冒砂，且有明显朝库区滑移现象，在外坡第二级子坝上出现平行于坝轴线的裂缝，而在远离水边线的沉积滩上也出现了众多的微、小裂缝，后来实地勘察和计算分析都表明坝体确实曾有液化和局部滑移发生[9]。

试验研究已揭示了地震中砂土变形、孔压上升、饱和砂土液化的特征，但是关于砂土液化的机理、强度降低以及液化砂土的性质仍不是很清楚。另一方面，以位移为准则来衡量岩土建筑物的抗震性能在近年来逐渐成为一种发展趋势，这种方法考虑的是建筑物在地基液化中发生的位移量，用改善坝体的结构和力学性能来进行抗震设计[10]，从而提高坝体的抗震能力。

1 尾矿静力和动力特性

材料特性试验是研究尾矿坝抗震性能的重要环节之一，目前关于尾矿材料特性研究主要分为两大类，一类是静载试验，另一类是动载试验。

Qiu等[11]通过对4种尾矿进行试验，在半对数坐标系内，显示有效应力随孔隙率的增大而降低，透水性随孔隙率的增大而增大，近似线性关系；Fourie等[12]分析细粒含量对强度稳态线位置高低的影响，表明较大细粒含量的尾矿强度稳态线均高于较低含量者，意味着其需要较大的相对密度才不发生剪缩性，避免液化的发生。

阮元成等[13]对一种铁尾矿的静、动强度和动力变形特性进行试验，结果表明尾矿料不仅在往返加载条件下动强度低，动剪应力比变化范围小，容易发生液化和破坏，而且，当尾矿的密度小于某一临界值时，静力条件下也会发生流滑而进入破坏状态。张超等[14]根据铜尾矿动力特性试验分析，指出当细颗粒含量占到总量的35 %时其抗液化性能最佳。参考建筑抗震设计规范，并结合现场的标准贯入试验成果，提出适用于尾矿细粒含量对标准贯入击数的修正式。陈存礼等[15]在不同固结状态下对铜尾矿砂进行动三轴试验，认为均压固结和偏压固结时孔压增长曲线形态不同。均压固结时，可用修正后的Seed应力孔压模型表达式来描述；偏压固结时，可用指数函数来模拟。尹光志等[16￣17]利用尾矿细微观力学与形变观测试验装置，进行尾矿细观观测试验，结果表明受荷载作用，充水条件下各层尾矿颗粒沉降位移显著大于未充水条件下相同位置颗粒的沉降位移。潘建平等[18]通过配置三组不同级配尾砂试样，在不同围压下分别进行不同孔隙比的固结不排水剪切试验，指出低围压时，各级配下饱和松散尾砂的应力-应变曲线呈软化型，平均粒径越小的尾砂，其峰值强度与稳态强度越小，有必要加强细粒尾砂堆筑体液化势的评估，以防液化溃坝灾难的发生。

2 尾矿坝模型试验

物理模型试验的基本思想是采用不同比尺，按照工作规律相似，对事物原型的现象或本质进行定性研究，再现或超前预测原型中已经出现或可能出现的一些情况，以验证和解决实际工程问题。近年来随着激振技术的不断改进和提高，振动台模型试验和离心机模型试验己逐步成为岩土工程研究领域的重要手段。

Zeng等[19]通过离心机模型试验，指出下游法修筑尾矿坝较上游法具有较高的抗震能力；尽管底部尾矿经多年沉降固结，但细尾矿含水量仍高于液限值，说明尾矿具有较低强度。

陈建斌等[20]以某粉煤灰坝为研究对象，采用大型振动台作为试验手段，分别对不同高程灰坝的模型进行了动力特性试验研究。尹光志等[21]进行细粒尾矿堆积坝加筋加固模型试验，通过研究获知是否加筋的不同破坏模式。邓涛等[22]通过室内堆积坝模型试验，获得坝体堆积过程中尾矿颗粒在库内沉积分布特征、浸润线的变化规律。敬小非等[23]进行尾矿坝在洪水情况下发生垮塌破坏的模型试验。结果表明坝体浸润线变化存在滞后性；洪水导致坝坡尾矿砂所受的渗透力、上浮力、重力以及孔隙水压力增大，削弱了坝体材料的黏聚力，并加大了自身荷载，降低了坝体的稳定性。张兴凯等[24]基于非恒定水流泥沙非平衡非饱和冲刷机理，根据模型相似理论和溃决侵蚀模型原理，模拟尾矿库洪水漫顶溃坝过程，建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。刘磊等[25]以洛阳市栾川县水露沟尾矿库为工程背景，利用尾矿库模型设计及试验方法建立了尾矿库物理模型试验。在根据模型试验获得的尾矿库漫顶溃坝物理图形基础上，引入非平衡输沙理论及溃口发展变化过程，建立了尾矿库漫顶溃坝洪水预测数学模型，并利用试验资料对比计算模型结果。

3 尾矿坝地震液化和稳定性分析

Seid等[26]用商用软件模拟Mochikoshi尾矿坝的地震反应，并对密实、反压和稳定柱三种抗震措施进行简单分析；Prodromos等[27]用有限元软件对上游法、中线法和下游法三种坝型进行动力分析，指出场地条件、材料非线性和地震动特征对尾矿坝动力特性和内部破坏都有影响。

柳厚祥等[28]采用有效应力法，探讨了高尾矿坝地震过程中和地震后孔隙水压力的产生、扩散和消散规律及其加速度、动应力和孔隙水压力的响应值。王飞跃等[29]将模糊可靠度理论应用到尾矿坝的稳定研究中，既考虑破坏事件的模糊性，又考虑主要变量和参数的模糊性，将模糊性和随机性相结合，研究尾矿坝的模糊随机可靠度分析方法。孔宪京等[30]用商用软件分析尾矿坝地震液化流动变形，发现坝体在不同条件下发生液化流动变形的一些规律。结果表明增加滩长、降低水位线的高度，将有助于减小坝体液化流动变形，增强坝体的稳定性；坝基土发生液化流动将导致尾矿坝整体发生流滑破坏。蔡嗣经等[31￣32]对尾矿库地震溃坝机理进行了初步分析，建立评估尾矿库抗震能力和地震溃坝可能性的指标体系，并采用数值方法模拟得出尾矿坝易发生液化的区域主要在滩面水边线部位、坝体中下部超孔隙水压力较大部位、尾矿坝下游坡浸润线溢出等部位。董陇军等[33]针对尾矿坝地震稳定的极限平衡分析问题，提出一种计算尾矿坝安全系数的新方法。结果表明运用盲数运算法可以计算稳定性系数在不同取值区间内的可信度，克服了传统方法描述过于绝对化的问题。潘建平等以测试数据的统计分析结果为基础，应用一次二阶矩法建立尾矿坝地震液化分析可靠度模型，可靠度理论在液化分析中能更好地考虑计算参数的变异性，不仅能判断液化的发生与否，还能给出液化发生的概率。

4 尾矿坝地震液化溃坝研究方向

综合上述研究现状，国内外针对尾矿坝的研究主要以静力为主，动力方面的研究相对较少，尾矿液化后力学特性、尾矿坝地震液化细观破坏机制及流滑运移特征方面的研究则更少。因此，探明尾矿液化过程中的细微观结构变形特征，对于研究尾矿坝的地震液化破坏机制具有重要的实际意义。

随着剪应变的发展，液化后尾矿呈现出流态化运动特征，其运动、变形的性质与黏性流体相似，不能再视其为固态。为此，基于流体力学理论，从流动破坏角度分析尾矿液化后的变形特性是很有必要的。针对这方面的问题开展研究，可以为尾矿坝抗震设计和防灾减灾决策提供理论依据。

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