不同填筑材料对尾矿坝漫顶溃决过程影响试验研究

刘 杰，李学伟，马海萍

(攀枝花学院 土木与建筑工程学院，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

四川省攀西地区是我国重要的矿产资源富集区，经过多年开采，一些尾矿库已经满库，为了继续使用，在原有坝体顶部堆筑尾矿渣以增加坝高。由于新增部分结构疏松，在一定诱导因素作用下极可能发生溃坝。通常情况，造成尾矿坝溃坝的原因主要包括渗透、洪水漫顶以及地震作用等[1]。攀西地区属于亚热带河谷季风气候区，夏秋多雨冬春干旱，七八月份雨量占据全年近90%，并且时常出现局部极端暴雨。例如2016年攀枝花“9.19”洪灾，仁和区啊喇乡水淌田水库区域24 h降雨量高达332.8 mm，致使农房被毁、人员失联、道路中断、农田被淹、通讯电力中断、水库出险等一系列灾害。如若极端暴雨发生在尾矿库区域，急剧暴涨的水流无法及时排出尾矿库，则极易形成漫顶洪水冲毁坝体。因此，可以认为攀西地区尾矿库溃坝的最大威胁来自于洪水漫顶。

长期以来，普遍认为造成尾矿坝溃坝的最大原因是尾矿坝排渗系统老化淤堵从而失去排渗功能，众多研究者就此展开大量研究，取得了丰硕成果[2-3]。相对而言，因洪水漫顶造成尾矿坝溃坝的研究相对较少，一些研究者认为可以借鉴水库大坝漫顶溃决研究成果[3]。A.B.FOURIE等[4]通过对Merriespruit尾矿库溃坝事故调查分析，认为造成溃坝的原因是洪水漫顶，并将溃坝过程总结为8个阶段。J.L.BRIAUD[5]采用模型试验方法测试了尾矿坝的抗冲性能，提出尾矿坝抗冲流速与平均粒径在对数坐标下成线性关系；张兴凯等[6]在自主研制的尾矿库溃坝模拟试验平台上，以实际尾矿库为研究背景，对尾矿库因洪水漫顶溃决进行了研究，研究结果表明采取降低浸润钱、铺设坝面引流明渠和增大安全干滩长度有助于尾矿坝防溃。Y.YANG等[7]通过现场试验分析了土工布管作为堆筑材料的对尾矿坝结构的影响，认为土工布管中填筑细骨料对尾矿坝加高有益；敬小非等[8]对尾矿坝漫顶溃决机理进行了大量试验研究，提出尾矿坝溃坝模式为逆流渐进过程；张洪武等[9]采用模型试验方法模拟了尾矿坝全溃过程，认为尾矿坝溃坝与坝体材料的容重、化学稳定性有密切关系；秦华礼等[10]通过大量试验研究，发现尾矿库的稳定性受浸润线深度及变化过程的影响；赵一妹等[11],敬小非等[12]以试验的方式探究了筋带在尾矿坝漫顶破坏过程中的阻滞效应，重点分析了坝体浸润线、坝体位移等发展过程，得到一系列定性和定量结论。

从已有研究可以看到，坝体填筑材料影响坝体的抗冲性能和稳定性，从而影响尾矿坝在洪水漫顶作用下的溃坝过程。现实生活中，尾矿坝填筑材料通常是在满足尾矿存放要求的前提下尽可能就地取材节约成本，常见材料是尾矿渣、山沙或河沙。到目前为止，还少有研究者对比分析过不同尾矿库填筑材料对漫顶洪水作用下溃坝过程影响。因此笔者将对此展开系统性研究，结合攀西地区高钛渣尾矿库居多这一特征，选取高钛渣、山沙以及河沙分别作为尾矿坝填筑材料，对比分析相同级配条件下尾矿坝在洪水漫顶作用下发生溃决的差异。

1 模型试验

1.1 试验装置

在攀枝花学院土木工程实训中心自主开发了一套多功能试验水槽。该水槽的最大改进是：在水槽末端两侧边壁和底部留有玻璃更换卡槽，便于更换预留了测压管的玻璃板；在下游设置了可以测量溃坝含沙流量的沉沙池，在坝基上方支架安装了可以360度旋转的相机旋转轮台，在支架处安装多个LED可变光灯泡，可以根据实际工况调整相机视场和清晰度。因此，利用该水槽可以开展土石坝漫顶破坏和渗透破坏溃决等复杂试验，并测量传统溃坝试验较难获取的信息(渗透压、表面流速等)。水槽采用全玻璃设计，全长8.8 m，宽0.4 m，高0.5 m，分为试验段和沉沙池段，其中试验段长7 m，沉沙池段长1.8 m。在试验段末端堆筑坝体，坝体高0.3 m，横宽0.4 m，坝底沿水流方向宽1.9 m，坝顶沿水流方向宽0.3 m。沿上游依次布置3台高精度浪高仪(LGs)以记录库区水位变化，3台浪高仪(LG1～LG3)距坝踵的距离分别为1、2和3 m。在坝顶和上游固定两台高清数码摄像机，用以实时监测溃口变化以及溃口表面水流变化。参照文献[13]，在沉沙池出口处设置一个三角堰以及在沉沙池中断安装一台高精度浪高仪(LG4)，用以通过排水法计算溃坝含沙流量。试验溃坝过程无上游来流，试验原理图以及仪器示意如图1。

图1 水槽试验系统

1.2 试验工况及试验准备

表1中工况1～3为文中试验工况及参数设置。选取矿渣、河沙和山沙3种材料分别作为模型坝堆筑材料进行测试，其中矿渣采自四川省攀枝花市某尾矿库，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坝采料山体。三者从外观上表现为颜色不同，矿渣为黑色，山沙为棕褐色，河沙为黄色，如图2和表2。从表2可以看到，河沙与山沙比重数值十分接近，高钛渣比重高于二者；河沙与山沙坝孔隙率也十分接近，均高于高钛渣坝。除表2给出的物理属性外，高钛渣还表现出具有微弱磁力，山沙更具黏性，而河沙分散性最强。为了保证所有工况试验条件具有一致性，首先将山沙和河沙按照尾矿渣样品级配(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%，如图3)进行筛选，填筑坝体前用玻璃箱储放相同体积的材料，并拌和相同体积的水(大约5 000 mL)。其次，采用木板作为模具固定好坝体上下坡面，将制备好的材料从坝顶填入模具，填入过程大约每10 cm用木锤敲击夯实。当所有材料填筑到高出设计高度一定距离后用木板压住坝顶，在木板上放置一20 kg的重物，静置一小时后拆除磨具。最后，修整坝顶和坡面轮廓，开始试验。蓄水前检查并调整各仪器处于待工作状态，蓄水过程先通过上游一台电动抽水机快速注水到距坝顶2 cm。然后所有测量设备开始工作，用自来水管接入固定流量的水流，使坝前水位缓慢上升直到水流满溢到坝体坝趾，关闭入流。

表1 工况及参数设置

图2 3种不同填筑材料

表2 材料属性

图3 颗粒级配曲线

2 试验结果与分析

2.1 溃口演化过程比较

通过模型试验对溃坝过进行了重演，对比分析3种不同材料坝体在相同水流漫顶条件下溃坝过程，如图4。为了具备可比性，在坝体表面等间距放置可视性较强的白色石膏块以做标记，3种工况对比时刻为25、75、300 s。所有试验均采用自然漫顶，由于坝顶水平性难以控制，漫顶水流冲刷而成的初始溃口位置具有一定的随机性。与水库土石坝类似，最开始的下泄水流携带泥沙能力较弱，在下坡面底部容易形成堆积，使得水流被抬高从而分散水面。大体上讲，3种工况尾矿坝溃坝过程与文献[12]描述其他类型尾矿坝溃坝过程类似，大致可以分为3个阶段，然而，3组模型试验表现出了与文献[12]不同的差异性。在25 s时刻，河沙坝溃口开度最大，山沙坝沙粒堆积最多；75 s时刻高钛渣坝溃口宽度最大，河沙坝次之山沙坝最小，但是可以明显看出溃口深度关系刚好相反，即山沙坝溃口深度最大高钛渣坝溃口深度最小；300 s时刻已经接近溃坝尾声，表现为高钛渣坝坝顶处最终宽度最小且边坡近90°，河沙坝坝顶处最终宽度最大但溃口边坡坡度较小，山沙坝坝顶处溃口边坡大于90°。造成这一现象的原因与材料物理属性有关。高钛渣比重大，并且颗粒之间有磁力，在堆积压实状态距深度越深材质之间的黏聚力越强，因此溃坝过程溃口横向展宽相对纵向下切更为容易。而河沙由于长期受水流冲刷，相对而言其颗粒本身摩擦角更小，所以在溃坝过程中横向和纵向冲刷均最快。山沙则因为颗粒表面可能附着更小的细颗粒及有机物等，导致其黏性相对河沙更强，当有水流浸泡后颗粒之间的杂质脱落从而降低黏性，从而导致山沙坝纵向下切更快。由于水槽宽度较小，3种工况溃口展宽都受到边壁不同程度影响。从以上分析可以看到，漫顶溃坝过程中以高钛渣为填筑材料的坝体冲毁率最低，其次是山沙坝，河沙坝最高。

图4 溃口演化过程比较

2.2 溃口流量比较

所有工况试验前将沉沙池注水到临界漫溢状态，溃坝发生后水流携带泥沙汇入下游沉沙池，沉沙池中的水将通过另一端的三角堰排出，通过安装在沉沙池的浪高仪(LG4)可记录三角堰水头变化，再利用三角堰公式计算下游演进流量。这里忽略水流沿程损失和局部损失，假设在接近三角堰位置处水流已经转换为缓流，排出的水流体积与注入的泥沙和水流体积相等，该方法已被他研究者采用过，具有一定的可信度[13]。水工模型中用于计算流量的三角堰公式很多，大多数公式都是水头和堰宽的函数，只是流量系数和水头指数取值不同，选取式(1)进行计算：

Qout=1.343H′2.47

(1)

式中：H′为三角堰水头；Qout为出库水流体积流量。为了验证排水法计算结果的正确性，选取目前溃坝研究中应用最广泛的流量计算公式(水量平衡法)，将式(2)与式(1)同时应用到工况1中，计算结果如图5。

图5 水量平衡法与排水法计算溃口流量比较

(2)

式中：Qin为入库水流体积流量；dVvol/dt为库容随时间变化率。

水量平衡法只反应了上游纯水体积流量变化，而下游三角堰测得的流量则包括水的体积流量、溃口冲刷材料的体积流量以及动能引起的体积流量，从理论上讲水量平衡法结果应小于排水法结果，图5正好反映了这一规律。并且从图5看到，两条曲线走势十分相似，说明两个方法计算结果彼此验证了可靠性。水量平衡法代表了纯水流量，排水法则代表了演进流量。为了进一步分析3种填筑材料对尾矿坝溃坝过程影响差异，分别对比3种工况下的纯水流量和演进流量，如图6和图7。

图6 不同填筑材料溃坝过程溃口纯水流量比较

图7 不同填筑材料溃坝过程溃口演进流量比较

图6中，以高钛渣、山沙和河沙为填筑材料的尾矿坝溃坝过程中纯水峰值流量分别为0.004、0.004 3、0.004 9 m3/s，水量平衡法公式计算过程的实质是反映水位变化率，因此可以看出河沙尾矿坝库区水流下泄速度最快，高钛渣尾矿库水流下泄速度最慢。图7中3种不同填筑材料尾矿坝溃坝峰值演进流量的大小顺序与图6类似，峰值较纯水流量峰值有较大提高。高钛渣、山沙和河沙尾矿坝溃坝过程对应的峰值演进流量分别为0.005 3、0.006 8、0.007 4 m3/s。峰值纯水流量和演进流量的差异性主要与溃口尺度和流速有关，即过水断面面积越大流速越快则流量越大。说明在流量峰值时刻河沙坝的溃口断面面积与流速乘积最大，而高钛渣坝的用溃口断面面积与流速乘积最小。

前文提到，演进流量实际由纯水流量、溃口冲刷材料的体积流量以及动能引起的体积流量共同构成，此处忽略动能引起的流量，则可以根据图6和图7近似计算峰值时刻下游洪水的含沙率，计算方法如式(3)：

(3)

通过公式(3)计算得到的3种不同填筑材料尾矿坝溃坝过程峰值时刻含沙率如图8。从图8中可以看到以山沙为填筑材料的坝体溃坝洪水含沙率最高(36.76%)，以河沙为填筑材料的坝体溃坝洪水含沙率次之(33.78%)，二者均高于以高钛渣为填筑材料的坝体含沙率(24.53%)。造成这一现象的原因主要是山沙颗粒附着的微颗粒在水流作用下容易形成悬移质，导致颗粒之间黏聚力下降，从而导致山沙坝溃坝水流含沙率最高；而高钛渣颗粒之间有磁力，不会因遇水而改变黏聚力，所以高钛渣坝溃坝水流含沙率最低。水中所含的沙都来自于坝体，含沙率越高说明坝体冲刷越多。综合以上分析，充分说明以高钛渣作为尾矿坝填筑材料可以有效降低溃坝过程中坝体自身材料的损失率，有利于减少灾后坝体修复量，同时也能有效减轻溃坝下泄洪水对下游的程度。

图8 含沙率比较

2.3 泥沙浓度对溃坝峰值流量的影响

从图8看到不同填筑材料尾矿坝溃坝洪水的泥沙浓度是不一样的，从而导致下游演进洪水也存在很大差异，说明泥沙浓度影响溃坝流量，为进一步研究这一影响关系，我们采用理论分析方法进一步展开研究。

在明渠理论中有研究者对比分析过含沙水流与清水流速沿水深分布情况，认为泥沙浓度是通过影响流速从而影响断面流量[14]。H.ZHANG[15]根据涡流模型提出一个含沙流体流速沿水深分布公式，如式(4)：

(4)

式中：Umax可取表面流速，为沿水深分布的最大流速；U*为模阻流速；cn为涡流系数，其取值与泥沙积体浓度有关，关系式为：

(5)

将式(4)沿水深积分得到断面平均流速，即：

(6)

此处摩阻流速可以通过平均流速换算，即：

(7)

C为谢才系数。联立式(4)～式(6)，平均流速与含沙流体表面流速之间的关系为：

(8)

进一步整理得到：

(9)

图9 泥沙浓度与溃口尺寸对表面流速系数影响

图9中，溃口水力半径参考水槽近似计算，即溃坝前水槽宽度0.4 m，水深0.3 m，则水槽的最大水力半径为0.12 m。由于溃口尺寸不可能大于水槽尺寸，因此取0.06、0.03、0.015 m 3个不同数值代表溃坝3个不同阶段溃口水力半径。从图中可以看到，随着泥沙浓度增大，k值呈现先减小再增大趋势，最小值出现在泥沙浓度为0.05～0.15之间，即流速与表面流速(最大流速)差距较大，说明这一浓度范围内水流流速不均匀。随着泥沙浓度增大，k值逐渐趋近于1，说明水流更倾向于均匀流动。若泥沙浓度固定，则水力半径越大，k值也越大，说明溃口尺寸对水流流速均匀度影响明显。前文提到流速影响流量计算，因此图9分析间接说明泥沙浓度和溃口尺寸是溃口流量重要影响因素。

3 结 论

以模型试验为手段分析了不同材料填筑的尾矿坝溃坝过程差异，并在试验基础上通过理论分析方法进一步研究了泥沙浓度和溃口尺寸对溃坝流量影响，得到以下结论：

1)坝体材料类型对尾矿坝抗冲性能影响很大，相对于山沙与河沙为填筑材料的尾矿坝，在洪水漫顶条件下以高钛渣为填筑材料的尾矿坝溃坝过程溃口发展最慢，溃口冲刷率最低。

2)分别采用水量平衡法和排水法计算溃口纯水流量和下游含沙演进流量，并根据二者差值得到了3种尾矿坝溃坝峰值时刻下游洪水含沙率，发现山沙和河沙尾矿坝溃坝过程坝体材料损含沙率高于高钛渣尾矿坝溃坝过程，说明以高钛渣作为尾矿坝填筑材料能够有效降低溃坝过程坝体被洪水冲刷的材料损失率。

3)通过理论推导方式定义了表面流速系数，进一步研究表明泥沙浓度和溃口尺寸通过影响表面流速系数的方式间接影响溃坝流量。表现为随着泥沙浓度增大，表面流速系数先减小后增大，即演进流量先减小后增大；随着溃口尺寸增大表面流速系数随之越增大，即演进流量随之增大。

研究对尾矿坝的修筑具有一定的指导意义，即在溃坝灾害中采用尾矿作为坝体填筑材料既能降低溃坝洪水对下游的影响量又能降低坝体自身的损失率。