渾水滲流試驗(yàn)研究

李曉丹　樊疆星　張潛　施禹行

摘 要：現(xiàn)實(shí)中常常面臨渾水滲流問(wèn)題，而這方面的理論卻并不多。渾水滲流具有隨時(shí)間增長(zhǎng)，滲流水中懸浮物不斷沉積，導(dǎo)致地層滲透系數(shù)和整體滲透系數(shù)都不斷變化的特點(diǎn)。渾水滲流是一個(gè)變水頭非穩(wěn)定滲流過(guò)程，尤其在黃河灌區(qū)，這類工程問(wèn)題有長(zhǎng)期渾水灌溉對(duì)土壤滲透性的影響，還有渾水在壩前淤積對(duì)繞壩滲流的影響。通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)定了尾礦砂的顆粒級(jí)配曲線。開展了相同入滲水頭，相同渾水含沙量，相同級(jí)配尾礦砂條件下渾水滲流試驗(yàn)研究。分析了滲流量隨時(shí)間的變化情況以及渾水滲流對(duì)尾礦壩的影響。

關(guān)鍵詞：顆粒級(jí)配 渾水滲流 滲流量

中圖分類號(hào)：TV641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0043-02

Abstract：During the experiments； we determined the grain grading curve of the last placer. The muddy water infiltration sand column pores experiment is under the condition of the same infiltration head， the same muddy sediment concentrations and using last placer of the same grading. We analyzes the head height change with time variation and the influence of the tailings dam which is caused by muddy water seepage.

Key Words：Grain grading；Muddy water seepage

常見的穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流都已經(jīng)有了成熟的滲流理論，但這些理論都是清水滲流的基礎(chǔ)上成立的。現(xiàn)實(shí)中常常面臨渾水滲流問(wèn)題，而這方面的理論卻并不多。渾水滲流具有隨時(shí)間增長(zhǎng)，滲流水中懸浮物不斷沉積，導(dǎo)致地層滲透系數(shù)和整體滲透系數(shù)都不斷變化的特點(diǎn)。渾水滲流是一個(gè)變水頭非穩(wěn)定滲流過(guò)程，尤其在黃河灌區(qū)，這類工程問(wèn)題有長(zhǎng)期渾水灌溉對(duì)土壤滲透性的影響，還有渾水在壩前淤積對(duì)繞壩滲流的影響。因此，對(duì)渾水滲流理論的研究對(duì)生產(chǎn)時(shí)間具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)實(shí)施方案

試驗(yàn)所用尾礦砂取自首鋼集團(tuán)典型的尾礦庫(kù)，試驗(yàn)前先后完成了尾礦砂的顆粒分析試驗(yàn)和礦物成分的分析試驗(yàn)，對(duì)尾礦砂的顆粒級(jí)配以及礦物組成進(jìn)行分析，并在力學(xué)試驗(yàn)中心完成了不同固結(jié)狀態(tài)下尾礦砂的三軸應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，得到了尾礦壩的基本模型參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)步驟

（1）安裝試驗(yàn)儀器，檢查裝置氣密性沒(méi)有問(wèn)題后即開始試驗(yàn)。自動(dòng)攪拌系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢，將其中的清水排盡后注入渾水直至溢流口有水均勻流出，同時(shí)打開試驗(yàn)砂柱上下端的閥門，并以此作為計(jì)時(shí)零點(diǎn)。

（2）當(dāng)一個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后，換一個(gè)砂柱，改變?cè)囼?yàn)條件再進(jìn)行上述（1）步驟，做平行試驗(yàn)。

（3）整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析渾水滲流量隨時(shí)間的變化。

1.3 試驗(yàn)說(shuō)明

渾水入滲試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，在砂柱上端出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，并且隨著渾水濃度的增大而愈發(fā)明顯。在試驗(yàn)過(guò)程中，雖然各層土間水頭差在逐漸增大，但是側(cè)管中的水頭高度在試驗(yàn)過(guò)程中也在逐漸降低，同時(shí)上水頭高度卻恒定不變，這說(shuō)明在砂柱上表面出現(xiàn)了沉積導(dǎo)致的於堵，且隨濃度的增大而愈發(fā)明顯。

上述現(xiàn)象說(shuō)明，渾水入滲作用下，表面於堵伴隨著內(nèi)部於堵同時(shí)發(fā)生。導(dǎo)致表面於堵最主要的原因是渾水中粗顆粒的沉積，影響了砂柱的滲透性及結(jié)構(gòu)特征，形成的新的入滲土體使得入滲路徑增長(zhǎng)，引起小顆粒滯留，進(jìn)而造成於堵。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 用篩析法測(cè)得結(jié)果。

（1）各層篩子上土粒質(zhì)量，如表1。

（2）該土的顆粒級(jí)配曲線如圖1。

2.1.2 試驗(yàn)渾水顆粒的確定

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)在的選礦工藝已經(jīng)得到大幅度提高，尾礦漿中顆粒粒徑不斷減小，因此選擇150目以下粒徑顆粒作為渾水顆粒（表2）。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

與清水單項(xiàng)滲流不同的事，渾水入滲過(guò)程中，因?yàn)橛泄腆w顆粒的存在，其入滲過(guò)程實(shí)際上是固液兩相入滲。正因?yàn)榇耍跐B流量、側(cè)管水頭、渾水顆粒沉積滯留分布特征方面也與清水滲流有所不同。

2.2.1 滲流量隨時(shí)間變化的情況（圖2）

從變化曲線可以看出，渾水入滲過(guò)程中，滲透系數(shù)并不是保持恒定不變，而是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)一定幅度的降低，并且開始時(shí)降低得比較快，然后逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槿霛B初期，顆粒較分散，孔隙較大，滲透系數(shù)也較大；隨著時(shí)間的變化到了入滲的中期，大顆粒逐漸沉積，孔隙減小，小顆粒沉積，孔隙進(jìn)一步減小，滲透系數(shù)出現(xiàn)一定幅度的降低；入滲后期，顆粒已基本沉積完全，孔隙無(wú)法通過(guò)滲流進(jìn)一步減小，因此滲透系數(shù)最終趨于穩(wěn)定。

2.2.2 不同顆粒粒徑對(duì)滲流的影響

試驗(yàn)根據(jù)尾礦壩實(shí)際情況，選用經(jīng)加工后的尾中砂和尾粗砂進(jìn)行試驗(yàn)，考慮砂柱粒徑大小對(duì)渾水入滲的影響，對(duì)比了0.5～1 mm粒徑和0.25～0.5 mm粒徑砂柱在相同濃度和相同水頭高度下的入滲情況。試驗(yàn)表明，顆粒粒徑越大的，顆粒骨架間形成的孔隙空間也越大，在孔隙通道處的水動(dòng)力也越大，渾水顆粒在水流作用下在砂柱骨架中更方便運(yùn)移。因此，顆粒越大的，渾水顆粒在砂柱中分布越均勻。

由以上試驗(yàn)結(jié)論分析尾礦壩中的滲流。渾水入滲作用下，首先會(huì)因?yàn)闇喫w粒與尾礦顆粒形成的孔隙之間的相對(duì)作用發(fā)生顆粒分選，顆粒比較大的被滯留在壩體表面形成表面的初步顆粒骨架，顆粒小的進(jìn)入壩體中繼續(xù)發(fā)生運(yùn)移。在壩體內(nèi)部運(yùn)移的小顆粒，一部分運(yùn)移到比自身粒徑小的孔隙時(shí)在壩體內(nèi)部發(fā)生滯留堵塞，從而形成新的土體骨架；一部分顆粒則會(huì)因水力和自身重力以及范德華力等因素在壩體多孔介質(zhì)中發(fā)生沉積和滯留而降低壩體滲透性。隨著渾水顆粒逐漸增多，孔隙空間不斷減少，淤堵逐步加強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)局部水力增大的情況，這部分渾水顆粒則會(huì)在水流的作用下繼續(xù)發(fā)生運(yùn)移，往壩體深部繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。這樣就發(fā)生了渾水入滲作用下，在壩體內(nèi)部滯留量隨深度的增加而減少的分布情形。在尾礦壩中就體現(xiàn)為：日積月累，逐漸形成了上粗下細(xì)的分布情況。

3 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：

尾礦壩的淤堵情況與壩體顆粒的大小、以及渾水濃度有密切關(guān)系。

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