尾礦壩管涌破壞機理與過程研究

(青島理工大學 山東 青島 266000)

尾礦壩管涌破壞機理與過程研究

周福強于廣明宋琨謝焦焦

(青島理工大學山東青島266000)

針對尾礦壩管涌破壞這一種滲透破壞形式，本文基于以往的滲透穩定性分析方法和現場判別手段，分別從破壞機理和過程分析兩個方面介紹了尾礦壩管涌破壞的特征，對尾礦壩類似事故的處理有一定的借鑒意義。

管涌破壞；穩定性分析；破壞機理；過程分析

一、引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業廢渣的場所，一般由尾礦堆存系統、尾礦壩排滲系統、尾礦庫排洪系統、尾礦庫回水系統等幾部分組成。尾礦庫是礦山生產設施的重要組成部分，同時尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，它的安全直接關系到下游人民生命財產和庫區周邊地區的生態環境，它一旦潰壩，造成的危害將會是空前的[1]。

滲流問題是尾礦壩穩定性考量時必須要考慮的最重要問題之一，而管涌破壞是尾礦壩潰決的一種主要滲透破壞形式，它是指在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過粗大顆粒的孔隙，發生移動或被水流帶出的現象。由于管涌而造成的尾礦壩潰壩事故占了總事故的相當大比例。

本文在系統分析尾礦壩穩定性的基礎上，詳細分析了尾礦壩管涌破壞過程，并對該破壞過程中的機理進行了詳細描述。

二、尾礦壩滲透穩定性分析方法和判別手段

(一)尾礦壩滲透穩定性分析方法

在尾礦壩滲透穩定性分析方面的理論方法有極限平衡方法和數值分析法，前者例如：瑞典圓弧法、畢肖普法、簡布條分法、王復來法等；后者包括：有限元法、無邊界法、無單元法等等，其中最經典的還是瑞典圓弧法[2]。

瑞典圓弧法的原理是對滑動壩體進行受力分析，求的阻止各砂石條滑動的抗滑力矩總和為MR和各砂石條的滑動力矩為MS，然后根據公式K=MR/MS求穩定安全系數K值。

運用瑞典圓弧法分析尾礦壩穩定性的一般步驟如下：

1.壩體內潛在滑裂面的確定。首先需要根據某尾礦壩的地質勘探資料和現場實測資料，分析尾礦壩可能存在的軟弱結構面和易滑動砂層，并基于邊坡穩定分析軟件對壩體進行靜力分析計算，先指定區域搜索，分不同精度進行分析，逐步逼近最優解，從而確定最危險滑裂面的位置。

2.壩體潛在滑裂面上抗滑安全系數計算方法。為了計算壩體內潛在滑裂面在靜力條件和地震作用下的抗滑安全系數，評價壩體的抗滑穩定性，假定壩體內的潛在滑裂面形狀為圓弧形，采用邊坡穩定計算軟件，按有效應力法分別采用規范所推薦的不計及條塊間作用力的“瑞典圓弧法”計算壩體在靜力條件下潛在滑裂面上的抗滑安全系數，并采用擬靜力法計算壩體所受的地震作用力，以計算在地震作用條件下潛在滑裂面上的抗滑安全系數。

整個砂石壩相應于滑動面的抗滑安全系數為：

(1.1)

其中：n——砂石條分條數

通過計算尾礦壩的抗滑安全系數，并與現行技術標準或規范的規定進行比較，以此來判斷該尾礦壩的穩定性。

(二)尾礦壩管涌破壞判別手段

管涌破壞是尾礦壩滲流破壞的其中一種模式，因此需要根據管涌的發生條件及特點判斷管涌的發生。通常施工現場判別尾礦壩管涌破壞基本用以下兩種手段。

①手段一。管涌的形成與尾礦砂的不均勻系數、砂中細粒土含量等因素有關在，工程中也可用它們來判別尾礦砂的抗管涌安全性。砂的不均勻系數Cu與發生管涌的臨界水力梯度ic存在一定的經驗關系，砂土中的細顆粒土含量越多越容易發生管涌，在砂的級配曲線中，用d15與d85分別表示小于某粒徑的土粒重量累計百分數為15%和85%時相應的粒徑，如果d85/d15≤5，則不會發生管涌。

②手段二。一般情況下認為發生管涌破壞的臨界水力坡度為康特拉契夫公式：

(1.2)

壩體溢水處水力坡降i可以按下式計算:

(1.3)

式中，m為坡度系數。求得某尾礦壩的水力坡降i后與管涌破壞的臨界水力坡降比較icr，當i

通過以上兩個手段可以判斷尾礦壩是否發生管涌破壞。

三、尾礦壩管涌破壞過程分析

通過觀察分析尾礦壩管涌破壞過程中不同粒徑顆粒的運動狀態，將管涌破壞過程分為以下三個階段：

第一階段為滲流穩定階段。當尾礦壩內的水力梯度較小時，滲透力不足以克服顆粒的有效應力和顆粒間的咬合力，顆粒基本不會移動。隨著水力梯度的增加，滲透力越來越大，傳遞骨架有效應力的大顆粒基本沒有移動，存在于骨架空隙中的細小顆粒開始輕微的翻滾、漂浮，或許發生較小位移，但是并不會沿著滲透方向滲出壩體，基本上處于受力相對平衡狀態。

第二階段為尾礦壩局部破壞階段。隨著水力梯度繼續增大，細顆粒翻滾、移動程度加劇，開始試圖沿著滲流方向在骨架顆粒間的孔隙移動。當砂粒的粒徑比孔隙小時，小顆粒會順利的通過空隙，繼而沿著滲流方向繼續移動；然而當砂粒的粒徑比孔隙的大時，砂粒就會被空隙阻擋，成為骨架顆粒的一部分，直至在更大的水力梯度下被沖開，在足夠大的滲透力作用下，作為骨架顆粒的某一部分相對較小顆粒也會發生移動。壩體內部孔隙、空隙、裂縫等分布的不均勻性以造成了細小顆粒在滲透力作用下移動的不連續性、隨機性，由此形成的通道是彎彎曲曲的、不規則的。

第三階段為堆積壩表面滲透破壞直至壩體整體失穩階段。隨著水力梯度的繼續增大，滲透力增大，細顆粒獲得更大的移動速度，形成貫通軟弱結構部位的管涌通道后，開始向尾礦壩內其他相對薄弱部位移動，穿過大孔隙，淤堵小孔隙，然后在更大的水壓下，沖開小孔隙，擴展管涌通道。就這樣，管涌通道在持續增加的水力梯度作用下不斷延伸、擴展，管涌通道的這種生長是非連續的、無規則的，最終將延滲透方向貫通壩體，使尾礦砂和水的混合物在壩體表面涌出。

四、結論

(1)利用尾礦壩穩定性分析方法中瑞典圓弧法可以定量計算尾礦壩的穩定性問題；(2)在現場通過尾礦壩管涌破壞的兩種判別方法可以較為迅速的判別管涌是否發生，但方法較粗糙；(3)尾礦壩管涌破壞的機理是：較小顆粒通過大顆粒之間的間隙或者壩體本身內部的孔隙在水力梯度的作用下不斷流失，最終導致壩體破壞。

[1]鄭欣,秦華禮,許開立.導致尾礦壩潰壩的因素分析[J].中國安全生產科學技術,2008(01),51-54;

[2]毛昶熙.滲流計算分析與控制(第2版)[M].北京；中國水利水電出版社,2003:91-97;

[3]倪旭,呂力行.尾礦壩管涌破壞的判別方法及應用[J].礦產保護與利用,2013,(02):50-53.[2017-09-08].

周福強(1992.12-)，研究生在讀，土木工程專業。