浅谈尾矿库溃坝室外模型试验及灾害预测

2021-05-20杜研岩

中国金属通报 2021年4期

杜研岩

（辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110013）

在渗流力的作用下，坝体出现管涌现象。随着水流的不断冲刷，坝体的渗透力、浮升力、浮力和孔隙水压力增大，抗阻力减弱，坝体稳定性降低。溃坝后，溃坝处的沉降位移最大，除溃坝外，沉降位移主要发生在坝肩处。外部膨胀主要发生在中坝。研究成果对尾矿坝溃坝机理分析和降雨灾害防治提供了有价值的指导和参考。

1 尾矿库溃坝原理

尾矿库是高势能人为泥石流的危险来源。各种自然因素和人为不利因素威胁其安全，尾矿往往含有有害物质。在尾矿库溃坝的触发因素中，事故的主要原因是降雨异常和管理不善。尾矿液化是地震期间强烈震动引起的。水的渗流和迁移是影响尾矿坝稳定性的重要因素之一。大气降雨对大坝渗流的影响明显，降雨越大，入渗线越高，对大坝稳定性的影响越大。尾矿是非粘性或不粘性的块状土壤，容易被液化。在尾矿库溃坝过程中，尾矿坝的破坏模式和破坏机理存在块状效应。尾矿坝的破坏属于反溃坝。电流牵引模型，大坝的破坏一般包括三个阶段。尾矿坝破坏模式一般为逆流渐进、破坏优先。发生在脚上，然后进化到上游。它显示牵引式发展。溃坝初期泄洪流量随着水库水位的降低而增加，尾矿库溃坝发生的时间与上游水流有关。如果入渗线过高，会使坝体、坝肩和不同部位的支座与水流的组合产生管道，最终导致大坝溃坝。细粒尾矿的入渗线通常高于砂尾矿，而且细粒尾矿的渗流能力较差。此外，尾矿坝的位移也与坝体的饱和程度有关。入渗线越高，尾矿坝的滑动位移越大，溃坝的破坏程度与坝蚀程度有关。尾矿坝的研究涉及土力学、水力学和沉积动力学等多学科领域，给尾矿坝溃坝机理的研究带来了困难。尾矿坝溃坝模型试验结果不仅弥补了溃坝数据分析的数量和可靠性，而且为数值计算提供了验证数据。模拟，以及在溃坝机理数值模拟研究和溃坝数据分析中具有不可替代的作用[1]。同时，对降雨引起尾矿坝溃坝机理的模型试验研究较少。

2 尾矿库溃坝室外模型试验及灾害预测

对尾矿库溃坝进行了室内模型试验，主要内容如下：监测得到溃坝前入渗线的变化规律，探讨尾矿坝溃坝的发展过程和机理，得出溃坝后坝体位移的规律。以上游尾矿坝为研究对象，将模型按1：50比例缩减。坝体为混合土石，坝体长3m，高0.08m，坝顶宽0.12m，底部宽0.47m，坝坡比为1：1.25，外坡比为1：3.125。蓄积坝的大小与初始坝相同，尾矿坝模型如图1所示[2]。

图1 尾矿坝模型

流体力学、土力学、泥沙运动学等类似问题，从各个方面推导出的相似关系往往是不相容的。测试模型不能满足所有相似条件。忽略一般相似，放宽相似准则，满足原型的主要参数，建立相似模型，给出模型砂的粒度分布[3]。

3 模型试验装置

室内尾矿坝模型试验装置系统主要包括：降雨装置该降雨装置采用喷雾式降雨模式，采用直径为16 mm的PVC直管作为水管；PVC管孔内每8cm钻一次直径为0.5 mm的水；从洞中喷出的水模拟降雨。可以记录降雨随时间的变化规律。监测系统该系统主要由入渗线监测系统、水库水位监测系统、位移监测系统和摄像机组成。大坝入渗线和水库水位在降雨过程中的变化规律，是通过入渗线监测系统和水库水位监测系统来实现的。位移监测系统可以测量溃坝前后坝体的位移，摄像机可以记录尾矿坝的溃坝和坝体位移。监测线设置在各坝顶.每条监测线设置6个监测点，4个大坝设置24个位移监测点，4个大坝共设置24个位移监测点，每个监测点编号，位移参考线布置在墙体上，崩塌前后测得[4]。

4 入渗线的变化规律

了解入渗线的变化规律是影响尾矿坝安全的重要因素。大坝入渗线的变化一般取决于水库水位变化的速度、渗透系数和土体的供水程度等因素，入渗线的变化是水库水位变化最敏感的触发因素。在降雨过程中，每10分钟测量一次水位高度和入渗线高度。这个由于尾矿库排水设施存在问题，水库内的水不能向外排放。水位变化与降雨时间几乎呈线性关系。水库水位随降雨时间的增加而增加。随着水位的升高，J1、J2、J3和J4的入渗线高度逐渐增大，说明水库水位的变化对入渗线的变化有明显的影响。降雨开始时，JL、J2、J3和J4的入渗线分别为6.1cm、2.5cm、0cm、0cm。随着降水的持续，J1和J2的入渗线受到水位上升的明显影响，J1 WALS的上升速率与水位上升速率基本相同。在放矿试验完成后，提前进行了降雨模拟试验，堆积坝尾砂含水量较高。干滩面上的雨水不仅不断汇入水库，而且有一部分雨水直接从干滩面缓慢渗透到贮器内，靠近水库尾端，水渗透越多。由于水库尾中尾矿饱和度较高，降雨初期，JL和J2向JL和J2渗透的推进速度较快，J1和J2处的拐线高度滞后于水位。由于水库尾部渗漏到大坝外坡的水需要一定的时间，J3和J4的入渗线不随水位的增加而变化。J3和J4的过滤线高度滞后于水位高度，J4的滞后时间比J3明显，滞后时间主要与渗透系数、含水率、孔隙压力和尾矿颗粒间松散度的差异有关，当水库水流向水库尾坝坡时，J3和J4的渗透线高度开始上升，上升速度加快，与水位上升速度基本一致。水库水位的变化对入渗线有很大的影响，入渗线将随着水库水位的增加而逐渐上升，渗透管线影响尾矿坝安全运行的生命线。当入渗线增加10%时，大坝稳定安全系数将降低0.02左右。因此，当暴雨和洪水发生时，如果不采取相应的有效措施，入渗线将随着水库水位的升高而增加。它不仅会缩短尾矿坝的渗流路径，而且会直接影响尾矿坝的渗流场边界，不利于坝体的稳定。坝体位移沉降值在1-1～1-4(这里为裂缝)达到最大值，水流冲刷最强，尾砂被排水量冲走到大坝下游，导致坝体沉降值达到最大值，从裂缝的差异可以看出，溃坝后坝上安置最大，坝肩次之，下部和脚最小。随着水位的上升，入渗线也在逐渐上升，从坝脚上升到坝体中段，导致坝体中间的静水压力和渗流压力增大，容易导致流砂或管道的出现，坝体在此过程中膨胀。坝体失稳后，坝体的外部膨胀更为明显。坝体位移包括水平沉降和外膨胀。本实验利用激光测距仪测量了坝体壁面不动点与坝体坡面上各点之间的距离。如果溃坝后的距离小于溃坝前的距离，就意味着发生了外膨胀。如果溃坝后的距离大于溃坝前的距离，则表明发生了溃坝。溃坝后，由激光测距仪测量墙上的固定点与大坝坡度上的测点之间的距离。指坝体失效后的距离与溃坝前的距离相减。坝体膨胀也主要发生在坝体的中段和坝脚。从溃坝过程中可以看出，溢流崩塌现象发生在大坝溃坝前的坝体中部。进一步解释了坝肩上尾砂的渗透压力越大，尾砂的重量也随之增加，坝体有一定的外部膨胀，导致坝肩倾斜后沉降更加明显。根据整个试验过程，大坝渗流破坏的全过程可分为以下几个阶段[5]。

坝面出现渗流破裂。随着水库水位的升高，入渗线也逐渐上升，水在起升过程中不断渗入尾矿，并对尾矿颗粒施加渗透力。渗流力的方向如图2所示。假定渗流力方向与潜在滑移面一致，而潜在滑移面与饱和面平行。当单元坝被划分成片状时，它将等电位面作为界面。

图2 溃坝过程

本文通过尾矿坝模拟试验装置，对尾矿库在降雨条件下尾矿库溃坝模型进行了试验研究。试验结果表明，水位的变化对入渗线的变化有明显的影响，而入渗线的变化滞后于水位的变化。水位对水库中、尾入渗线的影响比坝前和坝外更为明显。尾矿坝溃坝过程中，尾矿库外坡面发生尾矿渗漏和溢流，并发生局部塌陷。随着水流流过坝顶，坝体不断侵蚀，导致大坝溃坝[6]。随着水流的不断侵蚀，渗流力、浮力和孔隙水压力增大，抗阻能力减弱，坝体稳定性降低。溃坝后，坝体沉降最大，除裂缝外，沉降位移主要发生在坝肩处，坝体的外部膨胀主要发生在中坝和坝脚部位[7]。