尾矿浆体静置及下泄中尾砂沉积规律试验研究

王 亮， 王 凯， 刘星星， 盛金昌， 胡云进

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098； 2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，杭州 310000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000）

我国大量的能源和原材料都依赖于矿产资源［1］. 开发矿业的同时带来了严峻的环境问题，矿山尾矿累计现已达到45 亿t［2］. 现今，我国主要利用修筑尾矿库堆存尾矿，然而在这些尾矿库中，正常运行的库不足70%［3］. 当渗透变形条件满足后，在尾矿坝体内将发生管涌等破坏［4］. 尾矿库一旦溃坝，将会对人民的生命和财产造成巨大威胁，而溃坝浆体演进规律直接影响着灾害程度，因此，探索溃坝浆体的演进规律对溃坝灾害影响显得尤为重要.

针对溃坝浆体演进，各界学者在研究过程中使用了不同的实验方法. 王又武等［5］修正经验公式，探讨了适合尾矿库溃坝的水力计算方法和对下游危害程度等问题；Pastor等［6］利用数值模拟，基于弹塑性有限元、动量守恒和质量守恒定理建立了尾矿库溃坝模型，计算了溃坝浆体深度随时间的变化；Sun等［7］采用物理模型试验方法，利用高速摄影机、雷达、LGY-Ⅲ流量计对尾矿库溃决过程中的物理量进行监测，探索了尾矿库漫顶破坏. 学者们利用经验公式分析浆体演进时，多借鉴泥石流的相关研究［8-9］，而尾矿库溃坝形成的浆体颗粒粒径极细且单一，鲜有巨砾和块石，下游地形坡度较小，存在一定差异；尾矿浆体在下泄流动过程中其物理力学特性将沿程发生变化，出现水砂分离现象，而目前，国内外在进行二维水砂流动分析时，通常将溃坝下泄的尾矿浆体视为性态不变的均匀牛顿流体或非牛顿流体［10-11］，这样的假定往往导致计算结果与实际情况差距很大. 本文通过室内物理模型试验，再现尾矿坝溃坝浆体下泄流动，研究溃坝浆体动力学问题及流态演进规律.

尾矿库溃坝后浆体下泄流动规律的影响因素多种多样，学者们相继开展了一系列由不同主导因素影响下的溃坝物理模型实验. Blight等［12］研究了南非5座环形尾矿库溃坝情况，发现溃坝浆体的下泄距离和地表的干湿状态有关；Zhang等［13］为探讨不同试验条件下（坝顶宽度与坝坡比不同）泥砂深度的变化范围，利用室内水槽装置，开展了13组漫顶溃坝试验；Rico［14］等通过收集大量尾矿库溃坝资料，建立尾矿库几何参数如坝高、库容量等与下泄尾矿浆体水力特征之间的关系；王永强和张继春［15］以四川省平川铁矿尾矿库为试验原型，着重分析溃坝浆体在复杂地形中冲击压力、淹没高度的变化规律；许志发等［16］针对四川某尾矿库探讨三种不同下游坡降对尾矿浆体下泄演进规律的影响；敬小非等［17］利用尾矿坝溃决破坏模拟试验台，探索了坝体在1/4、1/2 以及全部瞬间溃决三种溃口形式下尾矿浆体下泄流动特性；尹光志等［18］针对不同高度尾矿坝瞬间全溃后泥浆流态演进规律及动力特性进行了详细研究；党显璋等［19］分别进行了松散状态、稍密状态、密实状态下3 种不同堆积密实度的尾矿库洪水漫顶溃坝模型试验. 学者们对影响因素的研究多集中在尾矿坝物理或几何参数、下游演进通道特征，实际上，尾矿浆体本身性质对其下泄流动有重要影响. 其中，尾矿浆体的浆体浓度是其最基本的性质之一，反映了浆体的结构性质和结构强度，又控制着力学性质和运动规律；随着库区沉积时间的改变，尾矿浆体的固结度及初始空间竖向浓度分布均出现不同程度的变化. 因此，不同库区浆体浓度、沉积时间的尾矿浆体在下游所表现出的流动特性具有较大差异性. 本文选择了这两个影响因素，深入探讨了库区沉积固结现象及下泄过程中由于水砂分离导致的粗细尾砂不同的沿程沉积规律.

1 尾矿浆体流动试验

1.1 试验目的

开展不同库区浆体浓度、库区沉积时间的尾矿浆体流动试验，探讨尾矿坝溃坝后尾矿浆体的下泄演进规律.

1.2 试验模型设计

尾矿浆体流动试验模型由试验槽和流态记录系统组成. 试验槽由尾矿库区（盛放尾矿浆体），流通区（浆体下泄通道）和堆积区三部分组成，如图1与图2所示.

图1 浆体流动试验槽示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of slurry flow test tank

图2 浆体流动试验槽实物图Fig.2 Solid figure of slurry flow test tank

1）尾矿库区：两侧壁和底面采用透明有机玻璃制成，尺寸为长×宽×高=120 cm×50 cm×70 cm，每侧壁安装有3把深度测量标尺，间隔60 cm.

2）流通区：两侧壁和底面采用透明有机玻璃制成，尺寸为长×宽×高=350 cm×50 cm×70 cm，设置1～8 号共8 个测点. 1 号测点距闸门25 cm，1～4 号测点间隔25 cm，用以精确观测各项试验数据；4～8 号测点间隔50 cm. 每个测点的试验槽侧壁处绘制深度测量标尺，底面绘制白色标识实线，每条标识实线的上游和下游分别间隔5 cm各绘制2条辅助标识虚线. 库区与流通区之间使用木质闸门隔离，设置尾矿库区及流通区的坡度i=1/36.

3）堆积区：承接流通区末端，尺寸为长×宽×高=200 cm×150 cm×70 cm，用以观察尾矿浆体在下游的扩散情况.

4）流态记录系统：采用6台高清摄像机分段全程录制溃坝浆体演进过程，分别为：流通区架设5台高清摄像机，其中3台分别架设在2～3号、5～6号、7～8号测点之间，2台分别架设在5号测点和流通区尾部；堆积区架设1台高清摄像机.

其一，这个理念的前身由1811年前后在罗马创作的一批德国画家所提出并身体力行，这个北欧人群体被称为“拿撒勒画派”，他们都是虔诚的基督徒，两位首领分别叫奥沃贝克和科涅利乌斯。拿撒勒画派过着中世纪隐修士般的生活，厌恶浮华的物质文明，包括文艺复兴那段历史，在他们眼中，文艺复兴的艺术就是世俗享乐和异教精神的象征，以拉斐尔的绘画为典型，以其为榜样从艺无异于自甘堕落；只有拉斐尔之前的艺术才能体现最真诚的信仰。因此，他们怀揣着崇敬，学习早期意大利画家的艺术，不久，这个理念便经由一位叫做威廉·戴斯的苏格兰画家传播到了英国。

1.3 试验方案和试验量测内容

本次试验设计了3 个实验组分别为20%、40%和60%尾矿浆体（指尾矿浆体中尾矿砂质量分数，具体配置见下文2.1小节），每组又分别设计了3 种沉积时间，分别为0 h、5 h 和20 h，共9组试验，如表1所示. 每组均测量下泄体积比、前锋流速、沿程淹没深度、沿程沉积粒径.

表1 试验方案Tab.1 Test scheme

本次试验采用瞬间溃坝方法，在溃坝瞬间同时启动摄像机采集数据. 具体监测内容及方法如下：

1）尾矿浆体下泄体积比：通过测量记录库区内浆体总深度及溃坝前后尾矿深度，计算浆体下泄体积比.

2）尾矿浆体前锋流速：采用拉格朗日法，选用漂浮的白色泡沫球作为示踪粒子，通过摄像机录制观测下泄浆体演进过程中泡沫球到达各测点标识实线上游及下游辅助标识虚线的时间间隔，计算下泄浆体的前锋流速.

3）尾矿浆体沿程淹没深度：通过3 台分别架设在流通区2～3号、5～6号、7～8号测点之间的摄像机，根据测点的试验槽侧壁处绘制的深度测量标尺，分段录制观测整个浆体演进过程中1～8号测点处下泄浆体的深度变化情况.

4）尾矿浆体沿程沉积粒径：溃坝结束后在每个测点处取尾矿样并烘至恒重，采用筛分法测定沿程沉积尾矿颗粒级配变化情况.

1.4 尾矿砂来源及其尾矿浆体流变特性

试验所用的尾矿砂由金堆城钼业汝阳有限责任公司提供. 通过对现场取回的尾矿砂进行烘干、碾碎、除杂等处理，并依据《土工试验规程》，采用筛分法，选用不同目数筛网，通过振筛机振捣并分别称重，最终得到试验用尾矿砂的颗粒粒径分布，如图3 所示. 通过配制10%～70%尾矿浆体，基于宾汉流体模型，利用旋转黏度计探究了尾矿浆体密度和流变特性［20］随浆体浓度的变化规律.

图3 尾矿砂颗粒级配曲线Fig.3 Particle gradation curve of tailing sand

2 库区尾矿颗粒运移研究

2.1 配置阶段

经多次试验论证，尾矿库区的浆体深度取40 cm，即浆体体积为0.24 m3，能够得到较好的试验结果，故本试验中尾矿库区浆体深度均设计为40 cm. 计算3 组不同浓度尾矿浆体分别所需的尾矿砂和清水质量，如表2所示，使用电子台秤称取对应质量的尾矿砂和清水倒入库区，使用两台RE-190型搅拌机搅拌10 min，确保库区内尾矿浆体充分搅拌并处于均匀状态（图4）.

图4 搅拌均匀的尾矿浆体Fig.4 Uniformly stirred tailings slurry

表2 尾矿砂和清水质量Tab.2 Qualities of tailings and clear water

2.2 沉积固结阶段

在静置5 h和20 h的试验方案中可见：沉积阶段，尾矿颗粒快速下沉堆积，浆体中自重远大于浮力和黏滞力的粗颗粒全部下沉到库区底部，形成具有一定强度的沉积物，自重略大于浮力和黏滞力的较粗粒径颗粒通过与下部水体的置换缓慢下沉，同时，上移的置换水体产生上托及扰乱作用，并随机带动小部分细颗粒上移，细颗粒悬浮于上覆水体中，最后形成泥-水分界面；固结阶段，土骨架在自重作用下进一步压密，泥-水分界面缓慢下降，上覆水体较浑浊，此时能观察出分选沉积现象，颗粒粒径由上往下逐渐增大（图5）.

图5 固结完成的尾矿浆体Fig.5 Solidified tailings slurry

2.3 开启闸门瞬间

开闸后，库水与上部细粒尾矿组成泥流率先下泄，随后中部较粗粒沉积尾矿逐渐启动下泄，而底部粗粒径尾矿滞留于库区不发生下泄（图6）.

图6 滞留库区的尾矿料Fig.6 Tailings retained in reservoir area

2.4 浆体浓度和沉积时间对下泄体积比影响

图7为20%尾矿浆体在不同沉积时间下，溃坝前后尾矿库区浆体深度等比例示意图. 尾矿浆体浓度较小，浆体中清水含量较大，随着沉积时间增大，沉积尾矿深度减小，固结度和抗剪强度增大，下泄量减小.溃坝前，沉积5 h 尾矿深度比20 h 平均约大0.1 cm；溃坝后，沉积5 h 残余尾矿深度比20 h 平均约小0.3 cm.沉积0 h、5 h和20 h三组溃坝试验尾矿浆体下泄体积比分别约为97%、88%和87%（由于尾矿库区坡度调整为i，故溃前浆体总深线存在斜率i）.

图7 20%尾矿浆体溃坝前后库区尾矿深度Fig.7 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 20%concentration tailings slurry

图8为40%尾矿浆体在不同沉积时间下，溃坝前后尾矿库区浆体深度等比例示意图. 与20%质量浓度相比，随着尾矿质量浓度增大，沉积5 h与20 h两组试验溃坝前后库区浆体深度差值增大，下泄量减少. 溃坝前，沉积5 h 尾矿深度比20 h 平均约大1 cm；溃坝后，沉积5 h 残余尾矿深度比20 h 平均约小1 cm. 沉积0 h、5 h和20 h三组溃坝试验尾矿浆体的下泄体积比分别约为97%、83%和80%.

图8 40%尾矿浆体溃坝前后库区尾矿深度Fig.8 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 40%concentration tailings slurry

图9为60%尾矿浆体在不同沉积时间下，溃坝前后尾矿库区浆体深度等比例示意图. 随着尾矿质量浓度进一步增大，沉积5 h与20 h两组试验溃坝前后库区浆体深度差值进一步增大，下泄量进一步减小. 溃坝前，沉积5 h 尾矿深度比20 h 平均约大1.7 cm；溃坝后，沉积5 h 残余尾矿深度比20 h 平均约小2.5 cm. 沉积0 h、5 h和20 h三组溃坝试验浆体下泄体积比分别约为97%、60%和54%.

图9 60%尾矿浆体溃坝前后库区尾矿深度Fig.9 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 60%concentration tailings slurry

由图10 可知，3 组沉积0 h 溃坝试验尾矿浆体几乎全部下泄，浓度对浆体下泄量影响甚微；其余6 组溃坝试验，随着尾矿浓度和沉积时间增大，固结度和抗剪强度越大，溃后库区滞留尾矿深度均增大，浆体下泄体积比均减小.

图10 浆体下泄体积比与浓度、沉积时间三维图Fig.10 Three-dimensional diagram of slurry discharges，concentrations and deposition times

3 沿程水砂分离现象研究

3.1 测点级配曲线分析

统计了9 组试验所有有效测点沉积尾矿的颗粒级配曲线后发现，在约八成曲线中，40 μm 以下的土粒含量小于3%，最大值仅为13.85%，而通过试验所用尾矿砂的颗粒粒径分布曲线可知，45 μm以下的土粒含量为67.93%，即在溃坝过程中，水和细粒尾矿组成泥流快速下泄至远方，而粗粒组尾矿则逐渐发生沿程沉积，表现出水砂分离现象（沉积0 h的溃坝试验的6～8号测点处以及沉积5 h和20 h的溃坝试验的7～8号测点处均出现不同程度的回水现象，对沿程沉积尾矿颗粒级配产生影响，均不考虑）.

3.2 粗粒组沿程沉积规律

取溃坝结束后摄影机中深度测量标尺记录的淹没深度作为尾矿粗粒组沿程沉积深度.

库区沉积时间0 h时，粗粒组沿程沉积深度在1 cm范围内波动，属于一个较小的量级，这是因为沉积0 h情况下，尾矿砂和水经搅拌混合均匀后直接下泄，并未出现明显水砂分离现象，大量砂水混合物直接下泄到堆积区，流通区仅有少量粗砂沉积.

图11 为库区沉积时间20 h 时，不同浓度尾矿浆体粗粒组沿程（1～6 号测点）沉积深度变化曲线图，沉积5 h时的规律与沉积20 h时的规律类似. 分选沉积现象使库区内越靠近底部的尾矿颗粒粒径越大，质量浓度越大，固结度和抗剪强度越大，溃坝发生后，由上部细粒尾矿和上覆水体组成的泥流迅速下泄至堆积区尾部并产生回流，同时中部较粗粒尾矿缓慢向下游推进，在推进过程中不断有颗粒沉积于流通区，流通区的前锋流速沿程增大，距离闸门越近，颗粒越不易起动，故粗粒组沉积深度沿程减小. 库区沉积时间一定，质量浓度越大，下泄至流通区的尾矿颗粒越多，同一测点处的粗粒组沉积深度呈增大趋势.

图11 库区沉积20 h时粗粒组沿程沉积深度变化图Fig.11 Variations of sedimentary depths along coarse-grained formation in reservoir area at 20 h

图12 为尾矿浆体60%时，不同库区沉积时间尾矿浆体粗粒组沿程（有效测点）沉积深度变化曲线图，20%、40%的规律与之相似. 从宏观上看，粗粒组沿程沉积深度呈现减小趋势；横向比较，库区沉积0 h时，尾矿砂和水经搅拌混合均匀后直接下泄，并未出现明显水砂分离现象，大量砂水混合物直接下泄到堆积区，流通区仅有微量粗砂沉积；库区沉积20 h 时，尾矿浆体具有三组试验中最大的固结度和抗剪强度，溃坝发生后，大量粗粒组滞留于尾矿库区，并未下泄至流通区，导致沿程沉积深度偏低.

图12 60%尾矿浆体时粗粒组沿程沉积深度变化图Fig.12 Variations of sedimentary depths along coarse-grained formation with 60%concentration tailings slurry

4 结论

本文开展了尾矿浆体流动模型试验，系统研究分析了库区沉积固结现象及下泄过程中由于水砂分离导致的粗细尾砂不同的沿程沉积规律，得到的基本结论如下：

1）在尾矿库区，静置后观察到：沉积阶段，粗颗粒全部下沉到库区底部，形成具有一定强度的沉积物，较粗粒径颗粒通过与水体的置换缓慢下沉，细颗粒悬浮于上覆水体中，最后形成泥-水分界面；固结阶段，土骨架在自重作用下进一步压密，泥-水分界面缓慢下降，上覆水体较浑浊，此时能看出分选沉积现象，颗粒粒径由上往下逐渐增大；瞬时溃坝时，库水与上部细粒尾矿组成泥流率先下泄，随后中部较粗粒沉积尾矿逐渐启动下泄，而底部粗粒径尾矿滞留于库区不发生下泄. 沉积0 h时，尾矿浆体处于均匀状态几乎全部下泄，质量浓度对下泄量影响甚微；尾矿浆体出现不同程度沉积固结现象时，随着尾矿浆体浓度和沉积时间增大，溃后库区滞留尾矿深度增大，浆体下泄量减小.

2）在流通区，下泄中出现水砂分离现象，水和细粒尾矿组成泥流快速下泄至远方，而粗粒组尾矿则逐渐发生沿程沉积，且沿程沉积深度呈现减小趋势，库区浆体浓度越大，下泄至流通区的尾矿颗粒越多，沿程沉积深度越大；库区沉积时间过短，粗粒组基本随水流下泄至远方，不发生沿程沉积，库区沉积时间过长，滞留于库区的粗粒组增多，均导致沿程沉积深度减小.

在本次实验中，受堆积区限制，溃坝浆体回流现象对其流动特性产生一定影响，建议未来增大堆积区面积，从而更加真实反映溃坝浆体下游演进情况，水砂分离情况直接影响着下游的受灾范围和程度，相关报道却并不多，需进行深入研究.