尾矿库坝基管涌破坏试验

魏 勇 赵安文 许开立

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳，621010；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

尾矿库坝基管涌破坏试验

魏 勇1赵安文1许开立2

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳，621010；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

以绵阳市平武县某铅锌矿选矿厂尾矿库设计资料为依托，利用尾矿坝溃坝致灾模拟试验台，对尾矿坝坝基进行了渗流破坏(管涌)的砂槽模型试验；观察并分析了渗流破坏(管涌)发生、发展并导致溃决的过程，即坝基管涌破坏可概化为无明显渗透变形阶段、形成阶段、发展阶段和整体破坏阶段等4个阶段；揭示了渗流破坏(管涌)的演化机理：当坝基水平平均水力梯度低于临界水力梯度时，管涌沟槽向上游仅在坝基一定范围内发展并最终停止，一旦超过该临界值后，管涌沟槽持续发展并最终与上游连通，连通管流的强力冲刷最终导致坝基整体结构失效和溃决。试验结果表明：①尾矿库坝基管涌破坏仅发生在砂层顶部的浅层区域；②坝基管涌破坏的水平平均临界水力梯度为0.484。

坝基 渗流破坏 管涌 演化机理 临界梯度

尾矿库作为矿山企业生产的三大控制性建设工程之一，尾矿坝的运行状况不仅关系到矿山的生产建设，而且关系到库区下游人民群众的生命财产安全及周边环境[1-7]。就坝体稳定而言，涉及的影响因素很多，但无论从理论研究或是工程实践所展示的资料分析，渗流的影响都是一个重要的因素，其中管涌是渗透破坏的主要形式之一。

目前针对管涌破坏过程及机理，国内外学者采用的研究方法主要包括理论分析和室内试验等方面。在理论分析方面，分析和推导了管涌破坏的临界水力梯度Jcr的计算公式[8-9]；在室内试验研究方面，主要采用模型试验研究了堤(坝)基管涌破坏的发生、发展并导致溃堤的机理和过程[10-15]。

前人从多个角度探讨了管涌破坏发生、发展的过程及机理，研究对象主要是堤(坝)基，而针对尾矿库坝基管涌破坏的相关研究鲜有报告。因此，在前人研究基础之上，开展研究尾矿库坝基管涌破坏的发生、发展并导致溃坝的过程和机理，对于指导尾矿库安全运行以及库区下游防灾减灾具有重要意义。

1 砂槽模型试验

1.1 工程概况

四川省绵阳市平武县某铅锌矿选矿厂尾矿库为一座山谷型尾矿库，采用上游法堆坝，初期坝为堆石坝，初期坝坝顶高程为1 285 m，坝高30 m(不含清基深)，有效库容为17.68万m3。堆坝从1 285 m开始按照1：3.5的堆坝外坡用尾砂堆坝，最终堆坝标高 1 365 m，堆高75 m，总坝高107 m，尾矿库的有效库容为589.13万m3，服务年限为12 a。近年来发现该尾矿坝局部渗漏现象，并有逐年加重的趋势。

1.2 模型设计

本次按照1∶250比例尺缩小，对于模型比尺为λ的物理模型，原型与模型主要物理量间的关系如表1所示。砂槽模型的尺寸为1.6 m×0.33 m×1.07 m(长×宽×高)，整个模型如图1所示。挡水板(简称“插板”)右侧尾矿砂样上面覆盖1 cm厚的有机玻璃板，仅在距挡水板0.62 m的中心位置开一直径4 cm的圆孔，模拟下游坝基存在的薄弱环节和管涌口。在砂槽模型下游一侧开凿2排孔安装测压管，用于观测管涌破坏过程的水头变化。

表1 各物理量的物理模型和原型的相似关系

图1 坝基模型示意

1.3 试验材料

本次模型砂采用平武县某铅锌矿选矿厂尾矿库堆坝用尾矿砂，其颗粒组成及分布情况如图2所示。该尾矿砂的不均匀系数Cu(=D60/D10)为20.2，根据Istomina的不均匀系数法进行判断，该尾矿砂材料为管涌型土，即容易发生管涌。

图2 尾矿砂的颗粒组成及分布

通过对该随机采取的5组尾矿砂试样的物理力学性质进行测试，得到其物理力学性质见表2。

表2 尾矿砂的物理力学性质

1.4 试验步骤

(1)试样制作。首先将挡水板插入到砂槽一定深度，往砂槽内注入自来水，采用水下抛填方法制作坝基试样，以模拟坝基天然沉积过程。将坝基砂层铺设至要求厚度，用刮刀抹平坝基表面，用海绵吸尽上面的水。

(2)上胶。将有机玻璃板盖在坝基表面，使有机玻璃板与尾矿砂层紧贴，有机玻璃板与砂槽及挡水板之间用玻璃胶密封。上胶完成后，再次检查玻璃胶密封处是否完好，以确保整个试验成功。

(3)试验过程水头控制。在完成上述试验步骤后，静止一段时间，使尾矿坝基砂层有一定的固结强度。试验开始时，缓慢增加水头，使尾矿砂层达到饱和，之后逐级增加水头进行试验。试验过程中，管涌口处浑水和清水会交替出现，当出现清水时，说明坝基渗透破坏处于稳定状态，此时记录下相应的水头、渗流量、砂环直径、测压管水头等参数。

2 试验过程及分析

各级水头的试验结果如表3所示，坝基水平平均水力梯度定义为

(1)

其中，H为进水室与管涌口水位差；L为管涌口到进水室的距离。

(1)无明显渗透变形阶段。当H=7 cm时，有少许清水从管涌口渗出(见图3)，无其他现象发生；当H=10 cm，管涌口出现浑水，管涌口裸露砂层出现几处较明显的砂眼，少许细砂粒被水流带出管涌口，并堆积在管涌口四周形成小砂环；当H=13 cm，“砂沸”

表3 坝基管涌破坏试验结果

逐渐扩大到整个管涌口裸露砂层，砂环直径略有增加。此阶段仅管涌口裸露砂层出现“砂沸”现象，无明显渗透变形，水平平均水力梯度和渗流量基本呈线性关系，如图4所示。

图3 水从管涌口渗出

图4 水平平均水力梯度和渗流量的关系

(2)形成阶段。当H=16 cm时，管涌口裸露砂层“砂沸”持续加剧，紧靠管涌口坝脚处出现局部渗透破坏，持续一段时间后，坝基内部(有机玻璃板下)出现水平长度约为2 cm的窄浅沟槽状通道，水平平均水力梯度和渗流量开始偏离线性关系(见图4)。

(3)发展阶段。以后逐级增加水头，当坝基管涌通道最前端临空面砂层中的细砂粒受到的渗透力大于周围砂粒对其约束力时，细砂粒就会失稳、起动，在水流作用下向下游管涌口方向输移，管涌沟槽呈蜿蜒河曲状向上游水平延伸发展(见图5)。当H=21 cm，坝基内形成的管涌沟槽水平长度约为25 cm。此阶段坝基内部渗透破坏持续并稳定发展，水平平均水力梯度和渗流量严重偏离线性关系。

图5 管涌沟槽呈河曲状向上游发展

(4)整体破坏阶段。当H=30 cm时，水平平均水力梯度达到临界水力梯度，管涌口渗流量和出砂量加速递增，管涌沟槽快速向上游临水侧延伸发展，如图6所示。经过114 min后，管涌沟槽前端发展至上游进水室，上下游连通，坝基整体结构失效，在连通水流的强力冲刷下，最终导致坝基溃决(见图7)，最终坝基管涌破坏的水平平均临界水力梯度为0.484。

图6 末级水头管涌沟槽长度与历时的关系

图7 管涌破坏

3 试验结果与分析

3.1 管涌破坏位置分析

尾矿坝基管涌破坏仅发生在砂层顶部的浅层区域，主要原因是：①由于坝基砂层固结作用，砂层顶部的浅层区域固结强度(力)比深部区固结强度(力)小，并且固结强度(力)水平方向又比垂直方向小；②坝基砂层顶面是渗径最短、曲率最大的一条流线，沿此流线的水平水力梯度最大，即水平渗透力最大。

3.2 管涌发展过程及机理分析

当坝基管涌通道最前端临空面砂层中的细砂粒受到的渗透力大于周围砂粒对其约束力时，细砂粒就会失稳、起动，在水流作用下向下游方向输送，部分砂粒会被水流带出管涌口形成砂环。管涌通道周围的砂粒(包括管涌通道前端细砂粒移除后起支撑骨架作用的粗砂粒)也会在水流冲刷作用下起动，向管涌口方向输送。

在整体破坏阶段之前，管涌通道向上游发展并最终停止，主要原因是：当进水室水头增加到某级时，管涌通道最前端临空面砂层中的细砂粒就会失稳、起动，随着管涌通道的延伸发展，管涌通道前端临空面砂层受到的水平渗透力逐渐降低，并最终等于砂层的局部固结强度(力)。

4 结 论

(1)通过粒度分析和物理力学性质测定，本试验用尾矿砂为管涌型土，即容易发生管涌。

(2)尾矿库坝基管涌破坏仅发生在砂层顶部的浅层区域，坝基管涌破坏可概化为4个阶段：无明显渗透变形阶段、形成阶段、发展阶段和整体破坏阶段。

(3)该尾矿库坝基管涌破坏的水平平均临界水力梯度为0.484。

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(责任编辑 徐志宏)

Ping Damage Expriment in Dam Foundation of Tailing Reservoir

Wei Yong1Zhao Anwen1Xu Kaili2

(1.SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang，621010，China；2.SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

Based on design data of a Pingwu tailing reservoir of lead-zinc concentrator in Mianyang city，a series of flume model experiments were conducted to study seepage damage (piping) of tailing dam foundation by simulation experiment platform of tailing dam-break.The whole development process from seepage damage (piping) incipit to dam failure was observed and analyzed，and it means that piping damage of tailing dam foundation can be generalized into four stages:no seepage deformation stage，forming stage，development stage and overall damage stage.Evolution mechanism of seepage damage (piping) was revealed:piping channel towards the upstream develops only within a certain area and eventually stops when horizontal average hydraulic gradient is under critical hydraulic gradient.Piping channel will persistently propagate towards the upstream and finally cause dam foundation structure to fail or break as the horizontal average gradient exceeds the critical value.The experiment result showed that piping damage of tailing dam foundation only occurs in shallow area at the top of tailings; Horizontal average critical hydraulic gradient of piping damage is 0.484.

Dam foundation，Seepage damage，Piping，Evolution mechanism，Critical gradient

2015-06-23

四川省安全监管局安全生产科技项目(编号：scaqjgjc_stp_20150011)，西南科技大学博士基金项目(编号：11ZX7116)。

魏 勇(1980—)，男，讲师，博士。

X928.03

A

1001-1250(2015)-09-157-04