尾礦壩穩定性物理模型試驗研究*

張敏哲 金愛兵 王志凱 張院生

(北京科技大學土木與環境工程學院)

作為礦山開采控制性工程之一，尾礦庫能否正常運營，不僅關系到礦山企業的經濟效益，而且還影響到庫區下游居民生命財產的安全及周圍生態環境的穩定［1］。尾礦壩作為尾礦庫的主體工程，是一個具有高勢能泥石流的巨大污染源和危險源，存在潰壩的危險。在礦山由于尾礦壩工程失效潰壩而造成重大事故的事例屢見不鮮［2］。因此，對尾礦壩的穩定性研究就顯得尤為重要。

物理模型試驗即為保持工作規律相似的模擬試驗，按照力學相似原理和異構同功原理，復演與原型相似邊界條件、相似力學條件或相似變化過程的模型試驗，能夠直觀、清晰地將物理現象展現出來［3-4］。作為工程科學研究的一種重要手段，已在巖土工程研究領域得到廣泛的應用。但由于各種原因，通過物理模型試驗來模擬尾礦壩穩定性的研究少之又少。

基于上述情況，在相關研究基礎上［5-10］，以西石門鐵礦生產的尾礦砂為試驗材料，通過自行研制的尾礦壩物理模型試驗裝置，按照室內小比尺堆積尾礦壩體模型。試驗研究了加壓過程中壩體內孔隙水壓力以及浸潤線的分布規律，同時監測了壩體坡面標志點位移與荷載的關系，并應用高速數碼攝像技術捕獲了加壓過程中壩體的破壞情況。

1 尾礦壩物理模型試驗

1.1 模型試驗裝置及材料

模型試驗裝置主要由主體模型箱、加壓系統和監測系統3部分組成。模型箱尺寸為3.5 m×1.5 m×1.4 m(長×寬×高)，考慮到方便觀察以及記錄尾礦壩體的破壞過程和破壞面，模型箱側面采用厚度為10 mm的透明有機玻璃。模型箱內部布設排水管和排水井，以保證飽水過程中及時排水，同時設置?10 mm的透明鋼化玻璃管測量地下水位變化情況。加壓系統由反力支架、油壓千斤頂以及承壓鋼板組成，反力支架固定在模型箱上，加壓采用10 t立式油壓千斤頂逐級施加垂直荷載，承壓剛板尺寸為700 mm×500 mm×10 mm(長×寬×高)。監測系統由DH3816靜態應變測試系統和全站儀組成，DH3816靜態應變測試系統監測壩體內孔隙水壓力的變化規律，全站儀監測壩體坡面標志點位移變形情況。

試驗材料取自西石門鐵礦生產的尾礦砂，其顆粒大小和各種粒組所占比例與其物理力學性質關系密切，對壩體穩定性有很大的影響。隨機選取4組尾礦砂試樣進行顆粒分析，試樣顆粒主要為砂粒(2～0.075 mm)，此類顆粒含量占到總量的72.1%左右;其次為粉粒(0.075～0.005 mm)，占到總量的26.5%左右;而黏粒(＜0.005 mm)含量只占到總量的1.4%左右。中值粒徑d50為0.16 mm。

1.2 試驗內容

試驗研究的內容主要有:①以西石門鐵礦尾礦壩為研究背景，按照1∶100的比尺縮小，堆積尾礦壩體模型，并測試其穩定性;②監測壩體內孔隙水壓力隨著不同荷載的變化規律，同時測量地下水位變化情況，獲得不同荷載下浸潤線分布特點;③監測壩體坡面標志點位移與荷載的關系，并通過高速數碼攝像技術來捕獲加壓過程中壩體的變化情況。

尾礦壩初期壩采用透水堆石壩，主要起排除壩內滲水和降低后期尾礦堆積壩浸潤線的作用。初期壩壩底標高為350.0 m，壩頂標高為375.0 m，壩高為25.0 m，壩頂寬約4.0 m，內坡比為1∶1.8，外坡比為1∶2.0。堆積壩采用上游法堆壩，從壩頂標高375.0 m開始利用尾礦堆壩，最終堆壩標高為435.0 m，總壩高為85.0 m。按照1∶100的比尺縮小，堆積尾礦壩體模型。試驗模型如圖1所示。

圖1 試驗模型

1.3 試驗步驟

(1)按照試驗設計要求，布設排水井和排水管，同時布置地下水位測量管，并選用碎石堆筑初期壩。

(2)逐級堆積壩體，在壩體內埋設孔隙水壓力傳感器，坡面布置彩色大頭針作為位移標志點，并記錄各個標志點坐標。

(3)堆置好壩體后，在壩體的頂部(干灘面處)加水至飽和，浸泡2 d以上，排除壩體內所含氣體，并觀察加水飽和后的尾礦壩體穩定性狀況。

(4)在壩體頂部施加垂直荷載，每施加1級荷載，觀察壩體穩定情況并記錄每一級荷載下壩體內孔隙水壓力、地下水位變化情況以及壩體坡面標志點位移變形情況，并重新記錄各個標志點坐標，卸載采取1次性卸載。

(5)試驗完成后，將模型箱內的尾礦砂清空，整理試驗結果。

2 試驗結果與分析

在加壓過程中，根據不同荷載大小，監測壩體內孔隙水壓力以及地下水位的變化情況，同時監測壩體坡面標志點位移的變形特點，并應用高速數碼攝像技術捕獲壩體的破壞情況。

(1)通過試驗獲得了壩體內孔隙水壓力變化規律，如圖2所示。從圖2可知:加壓使得壩體內孔隙水壓力迅速增大，增加的幅值不單是由于地下水位上升引起的，主要是加壓使得壩體內水承受了比較大的壓力，導致壩體內部產生高孔隙水壓力，易造成堆壩材料強度降低或完全消失。

(2)根據不同荷載大小地下水位測量結果獲知了浸潤線的變化規律，見圖3。從圖3中可看出:隨著荷載增加，壩體浸潤線逐漸升高，前期上升較快，后期上升較慢，主要是由于加壓使得壩體內部的水通過初期壩滲透出來，從而水位上升的幅度比較小，表明由于壩體繼續堆高使壩體失穩的風險不大。

圖2 孔隙水壓力變化

圖3 壩體浸潤線變化曲線

(3)壩體坡面位移變形曲線如圖4所示。從圖4中可看出:逐級增加荷載，壩體坡面變形隨之增大。壩體頂部呈壓密狀態，中部受壓外凸顯著，底部受到影響很小。其中，4、5、6 3個最大位移變形標志點影響范圍反映在圖3中的不穩定區域為壩體堆高46～63 cm位置，該區域為尾礦壩體失穩及采取工程措施的關鍵部位。同時，當荷載為20 kN時，位移發生突變，導致變形急劇增大，通過將荷載20 kN轉換成堆高可得其臨界高度為125 cm，當超過這個臨界高度時，變形會急劇增大，進而引起壩體失穩。通過高速數碼攝像技術捕獲此時壩體破壞情況，從中可看出壩體出現裂縫，見圖5。

圖4 位移變形曲線

圖5 壩體坡面變形

3 結論

(1)加壓會使壩體內部產生高孔隙水壓力，究其原因，一方面地下水位的上升使得孔隙水壓力增大;另一方面加壓使得壩體內水承受比較大的壓力。

(2)壩體的浸潤線隨著荷載增加而逐漸升高，但上升的幅度及影響范圍比較小，表明由于壩體繼續堆高使壩體失穩的風險不大。

(3)整個壩體有向下、向前移動的趨勢，中部外凸顯著，位移變化明顯，可見尾礦壩中部變形量最大，該區域為尾礦壩體失穩及采取工程措施的關鍵部位。

(4)尾礦壩體穩定存在一個臨界高度，當超過其臨界高度會導致變形急劇增大，引起壩體失穩，因此在實際工程中應充分重視這一臨界高度，并采取相應的工程措施。

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