淺談尾礦庫潰壩室外模型試驗及災害預測

杜研巖

（遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013）

在滲流力的作用下，壩體出現管涌現象。隨著水流的不斷沖刷，壩體的滲透力、浮升力、浮力和孔隙水壓力增大，抗阻力減弱，壩體穩定性降低。潰壩后，潰壩處的沉降位移最大，除潰壩外，沉降位移主要發生在壩肩處。外部膨脹主要發生在中壩。研究成果對尾礦壩潰壩機理分析和降雨災害防治提供了有價值的指導和參考。

1 尾礦庫潰壩原理

尾礦庫是高勢能人為泥石流的危險來源。各種自然因素和人為不利因素威脅其安全，尾礦往往含有有害物質。在尾礦庫潰壩的觸發因素中，事故的主要原因是降雨異常和管理不善。尾礦液化是地震期間強烈震動引起的。水的滲流和遷移是影響尾礦壩穩定性的重要因素之一。大氣降雨對大壩滲流的影響明顯，降雨越大，入滲線越高，對大壩穩定性的影響越大。尾礦是非粘性或不粘性的塊狀土壤，容易被液化。在尾礦庫潰壩過程中，尾礦壩的破壞模式和破壞機理存在塊狀效應。尾礦壩的破壞屬于反潰壩。電流牽引模型，大壩的破壞一般包括三個階段。尾礦壩破壞模式一般為逆流漸進、破壞優先。發生在腳上，然后進化到上游。它顯示牽引式發展。潰壩初期泄洪流量隨著水庫水位的降低而增加，尾礦庫潰壩發生的時間與上游水流有關。如果入滲線過高，會使壩體、壩肩和不同部位的支座與水流的組合產生管道，最終導致大壩潰壩。細粒尾礦的入滲線通常高于砂尾礦，而且細粒尾礦的滲流能力較差。此外，尾礦壩的位移也與壩體的飽和程度有關。入滲線越高，尾礦壩的滑動位移越大，潰壩的破壞程度與壩蝕程度有關。尾礦壩的研究涉及土力學、水力學和沉積動力學等多學科領域，給尾礦壩潰壩機理的研究帶來了困難。尾礦壩潰壩模型試驗結果不僅彌補了潰壩數據分析的數量和可靠性，而且為數值計算提供了驗證數據。模擬，以及在潰壩機理數值模擬研究和潰壩數據分析中具有不可替代的作用[1]。同時，對降雨引起尾礦壩潰壩機理的模型試驗研究較少。

2 尾礦庫潰壩室外模型試驗及災害預測

對尾礦庫潰壩進行了室內模型試驗，主要內容如下：監測得到潰壩前入滲線的變化規律，探討尾礦壩潰壩的發展過程和機理，得出潰壩后壩體位移的規律。以上游尾礦壩為研究對象，將模型按1：50比例縮減。壩體為混合土石，壩體長3m，高0.08m，壩頂寬0.12m，底部寬0.47m，壩坡比為1：1.25，外坡比為1：3.125。蓄積壩的大小與初始壩相同，尾礦壩模型如圖1所示[2]。

圖1 尾礦壩模型

流體力學、土力學、泥沙運動學等類似問題，從各個方面推導出的相似關系往往是不相容的。測試模型不能滿足所有相似條件。忽略一般相似，放寬相似準則，滿足原型的主要參數，建立相似模型，給出模型砂的粒度分布[3]。

3 模型試驗裝置

室內尾礦壩模型試驗裝置系統主要包括：降雨裝置該降雨裝置采用噴霧式降雨模式，采用直徑為16 mm的PVC直管作為水管；PVC管孔內每8cm鉆一次直徑為0.5 mm的水；從洞中噴出的水模擬降雨。可以記錄降雨隨時間的變化規律。監測系統該系統主要由入滲線監測系統、水庫水位監測系統、位移監測系統和攝像機組成。大壩入滲線和水庫水位在降雨過程中的變化規律，是通過入滲線監測系統和水庫水位監測系統來實現的。位移監測系統可以測量潰壩前后壩體的位移，攝像機可以記錄尾礦壩的潰壩和壩體位移。監測線設置在各壩頂.每條監測線設置6個監測點，4個大壩設置24個位移監測點，4個大壩共設置24個位移監測點，每個監測點編號，位移參考線布置在墻體上，崩塌前后測得[4]。

4 入滲線的變化規律

了解入滲線的變化規律是影響尾礦壩安全的重要因素。大壩入滲線的變化一般取決于水庫水位變化的速度、滲透系數和土體的供水程度等因素，入滲線的變化是水庫水位變化最敏感的觸發因素。在降雨過程中，每10分鐘測量一次水位高度和入滲線高度。這個由于尾礦庫排水設施存在問題，水庫內的水不能向外排放。水位變化與降雨時間幾乎呈線性關系。水庫水位隨降雨時間的增加而增加。隨著水位的升高，J1、J2、J3和J4的入滲線高度逐漸增大，說明水庫水位的變化對入滲線的變化有明顯的影響。降雨開始時，JL、J2、J3和J4的入滲線分別為6.1cm、2.5cm、0cm、0cm。隨著降水的持續，J1和J2的入滲線受到水位上升的明顯影響，J1 WALS的上升速率與水位上升速率基本相同。在放礦試驗完成后，提前進行了降雨模擬試驗，堆積壩尾砂含水量較高。干灘面上的雨水不僅不斷匯入水庫，而且有一部分雨水直接從干灘面緩慢滲透到貯器內，靠近水庫尾端，水滲透越多。由于水庫尾中尾礦飽和度較高，降雨初期，JL和J2向JL和J2滲透的推進速度較快，J1和J2處的拐線高度滯后于水位。由于水庫尾部滲漏到大壩外坡的水需要一定的時間，J3和J4的入滲線不隨水位的增加而變化。J3和J4的過濾線高度滯后于水位高度，J4的滯后時間比J3明顯，滯后時間主要與滲透系數、含水率、孔隙壓力和尾礦顆粒間松散度的差異有關，當水庫水流向水庫尾壩坡時，J3和J4的滲透線高度開始上升，上升速度加快，與水位上升速度基本一致。水庫水位的變化對入滲線有很大的影響，入滲線將隨著水庫水位的增加而逐漸上升，滲透管線影響尾礦壩安全運行的生命線。當入滲線增加10%時，大壩穩定安全系數將降低0.02左右。因此，當暴雨和洪水發生時，如果不采取相應的有效措施，入滲線將隨著水庫水位的升高而增加。它不僅會縮短尾礦壩的滲流路徑，而且會直接影響尾礦壩的滲流場邊界，不利于壩體的穩定。壩體位移沉降值在1-1～1-4(這里為裂縫)達到最大值，水流沖刷最強，尾砂被排水量沖走到大壩下游，導致壩體沉降值達到最大值，從裂縫的差異可以看出，潰壩后壩上安置最大，壩肩次之，下部和腳最小。隨著水位的上升，入滲線也在逐漸上升，從壩腳上升到壩體中段，導致壩體中間的靜水壓力和滲流壓力增大，容易導致流砂或管道的出現，壩體在此過程中膨脹。壩體失穩后，壩體的外部膨脹更為明顯。壩體位移包括水平沉降和外膨脹。本實驗利用激光測距儀測量了壩體壁面不動點與壩體坡面上各點之間的距離。如果潰壩后的距離小于潰壩前的距離，就意味著發生了外膨脹。如果潰壩后的距離大于潰壩前的距離，則表明發生了潰壩。潰壩后，由激光測距儀測量墻上的固定點與大壩坡度上的測點之間的距離。指壩體失效后的距離與潰壩前的距離相減。壩體膨脹也主要發生在壩體的中段和壩腳。從潰壩過程中可以看出，溢流崩塌現象發生在大壩潰壩前的壩體中部。進一步解釋了壩肩上尾砂的滲透壓力越大，尾砂的重量也隨之增加，壩體有一定的外部膨脹，導致壩肩傾斜后沉降更加明顯。根據整個試驗過程，大壩滲流破壞的全過程可分為以下幾個階段[5]。

壩面出現滲流破裂。隨著水庫水位的升高，入滲線也逐漸上升，水在起升過程中不斷滲入尾礦，并對尾礦顆粒施加滲透力。滲流力的方向如圖2所示。假定滲流力方向與潛在滑移面一致，而潛在滑移面與飽和面平行。當單元壩被劃分成片狀時，它將等電位面作為界面。

圖2 潰壩過程

本文通過尾礦壩模擬試驗裝置，對尾礦庫在降雨條件下尾礦庫潰壩模型進行了試驗研究。試驗結果表明，水位的變化對入滲線的變化有明顯的影響，而入滲線的變化滯后于水位的變化。水位對水庫中、尾入滲線的影響比壩前和壩外更為明顯。尾礦壩潰壩過程中，尾礦庫外坡面發生尾礦滲漏和溢流，并發生局部塌陷。隨著水流流過壩頂，壩體不斷侵蝕，導致大壩潰壩[6]。隨著水流的不斷侵蝕，滲流力、浮力和孔隙水壓力增大，抗阻能力減弱，壩體穩定性降低。潰壩后，壩體沉降最大，除裂縫外，沉降位移主要發生在壩肩處，壩體的外部膨脹主要發生在中壩和壩腳部位[7]。

5 結語

本文在水庫降雨條件下進行了室內尾礦模型試驗。分析了壩體滲透線的變化規律、溢流潰壩的過程和機理、潰壩后壩體的位移等，研究結果對了解尾礦壩潰壩的機理和預警具有重要意義。