李智涵，甄志磊，詹美禮，王 凱，盛金昌，羅玉龍,何淑媛

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷030801；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京210098)

我國礦產(chǎn)資源豐富，礦藏儲存量居世界第三位，在已探明儲量的152種礦產(chǎn)中20多種礦藏儲量位于世界首位[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求量日益增大，如今我國已經(jīng)成為種類齊全、體系完整的礦業(yè)大國。尾礦是礦業(yè)生產(chǎn)中的廢棄料，截止到2009年底我國尾礦堆存量已達100億t，隨著生產(chǎn)持續(xù)擴大，每年仍在以12億t的速度增長。目前尾礦已成為我國產(chǎn)出量最大、堆存量最多的固體廢棄物[2]?，F(xiàn)階段修筑尾礦庫堆存是我國處置尾礦的主要方式，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國共有尾礦庫12 655座[3]。在服務(wù)于礦業(yè)生產(chǎn)的同時，尾礦庫形成了潛在危險源，一旦潰決不僅嚴(yán)重?fù)p害下游人民生命財產(chǎn)安全，還會造成大面積的環(huán)境污染，短時間內(nèi)難以恢復(fù)。據(jù)相關(guān)專家估計，我國接近40%的尾礦庫處于險、病、超期服務(wù)狀態(tài)，尾礦庫安全狀況并不容樂觀[4]。

尾礦庫潰壩因其突發(fā)性和致災(zāi)嚴(yán)重性一直以來備受關(guān)注，張力霆[5]、鄭欣等[6]全面分析總結(jié)尾礦庫潰壩的原因，主要包括洪水漫頂、滲透破壞、壩坡壩基失穩(wěn)、地震險情四個方面。許多專家學(xué)者針對導(dǎo)致潰壩的主要因素做了大量的研究，敬小非等[7]通過室內(nèi)模型試驗觀察尾礦庫在洪水情況下失穩(wěn)破壞全過程，探究尾礦庫的垮塌機制和潰決規(guī)律；金佳旭等[8]使用尾礦庫模型振動臺，模擬尾礦庫在地震作用下的潰壩，分析尾礦庫破壞過程并針對性提出加固方案。YIN GUANGZHI[9]開展大型尾礦潰壩試驗，全面的探究了潰壩后漿體的水力特性和動力效應(yīng)。尾礦以漿體的形式?jīng)_填入庫，隨著堆積時間增長，尾礦固結(jié)度增大，顆粒中孔隙水排出，尾礦含水率降低，密實度增大。海龍等[10]利用鐵尾礦進行基礎(chǔ)性材料強度試驗，發(fā)現(xiàn)尾礦含水率和密實度與其抗剪強度有很大的相關(guān)性，相同含水率下，鐵尾礦黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨密實度近似線性增大?？梢?，隨著尾礦沉積固結(jié)時間增長，土體強度改變，影響尾礦的流變特性，有利于壩體的穩(wěn)定。田園[11]在尾礦庫靜力穩(wěn)定計算中考慮尾礦固結(jié)度的變化，發(fā)現(xiàn)尾礦固結(jié)度對尾礦壩安全系數(shù)有不小的影響。黨顯障等[12]創(chuàng)新性的設(shè)計了不同堆積密實度尾礦庫潰壩模型試驗，發(fā)現(xiàn)高尾礦壩堆積密實度可以延緩潰壩后泥石流的形成時間。因為尾礦沉積固結(jié)并不是尾礦庫致災(zāi)的主要影響因素，目前大部分專家集中于洪水、地震等突發(fā)大型自然災(zāi)害對尾礦庫穩(wěn)定性的影響探究，尾礦材料性質(zhì)隨時間變化研究相對較少。在此基礎(chǔ)上，本文針對性設(shè)計了尾礦不同固結(jié)時間下尾礦庫潰壩室內(nèi)試驗，探究尾礦沉積固結(jié)時間對尾礦庫潰壩后漿體運動特性的影響，分析尾礦沉積固結(jié)對潰壩量、尾礦堆積深度、下游淹沒范圍等典型潰壩漿體運動特性的影響。

1 尾礦庫潰壩模型試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

隨著尾礦沉積固結(jié)時間增長，尾礦固結(jié)度增大，材料強度特性和流變特性均有一定程度的改變。本試驗通過模擬不同沉積固結(jié)時間尾礦庫潰壩后尾礦漿體運動過程，考慮材料性質(zhì)隨時間的變化，探究尾礦沉積固結(jié)時長對尾礦庫潰壩后漿體運動特性的影響，對比分析潰壩典型特征如堆積深度、潰壩量、淹沒范圍等的變化規(guī)律，從而為尾礦庫的安全運行管理及災(zāi)害預(yù)防提供合理建議，減少災(zāi)害發(fā)生幾率。

1.2 試驗材料

本次試驗所用尾礦為寶鋼集團梅山礦業(yè)公司選礦廠的鐵尾礦，其顆粒級配曲線如圖1所示。梅山鐵礦主要成分為黏土類礦物質(zhì)和碳酸鹽礦物，均以礦泥形式存在。礦物組成成分以赤鐵礦、菱鐵礦、石英、長石、碳酸鹽為主要成分，其次為黃鐵礦、磁鐵礦、石榴石、磷灰石，同時還含有微量的綠泥石與黑云母等礦物質(zhì)成分[13]。尾礦顆粒級配特征參數(shù)見表1。選礦后的尾礦漿先通過濃縮池濃縮至質(zhì)量濃度50%，再通過管道輸送至尾礦庫。根據(jù)工程實際及試驗裝置容量，本次試驗用360 kg質(zhì)量濃度為50%的尾礦漿體。在試驗準(zhǔn)備階段，進行了尾礦漿體一維沉積固結(jié)柱試驗，觀測24 h內(nèi)質(zhì)量濃度為50%的尾礦漿體在自重作用下沉積固結(jié)過程，并計算了尾礦固結(jié)度隨時間的變化，以便于分析本次試驗結(jié)果。

圖1 尾礦顆粒級配曲線

表1 尾礦顆粒級配特征參數(shù)

1.3 試驗裝置

本次試驗主體裝置為有機玻璃槽和堆積槽，如圖2所示。有機玻璃槽長4.5 m，寬0.5 m，高0.7 m。在1 m處用閘門分隔，將有機玻璃槽分為尾礦庫區(qū)和流通區(qū)，閘門周圍貼橡膠片做防水處理。有機玻璃為透明材料，方便觀察潰壩時尾礦漿體的運動情況，也方便測量尾礦的堆積深度。有機玻璃槽后接寬2 m、長1.5 m的堆積槽，用來堆積潰壩后下泄的尾礦。有機玻璃槽下用不同高度支撐物支撐，便于控制尾礦庫坡度。本次試驗中各組試驗尾礦庫坡度均為4°。試驗過程中在尾礦庫下游距庫區(qū)不同距離處及堆積區(qū)頂部安裝攝像機記錄潰壩后尾礦運動過程。

圖2 尾礦庫潰壩試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.4 測量內(nèi)容及方法

本次試驗中測量潰壩前后尾礦庫區(qū)內(nèi)深度和潰壩后下泄尾礦的堆積深度。尾礦庫區(qū)內(nèi)每隔25 cm設(shè)置一個測點，流通區(qū)內(nèi)每隔50 cm設(shè)置一個測點，如圖3所示。尾礦庫區(qū)內(nèi)壁每隔25 cm貼有鋼尺，用于觀測潰壩前后庫內(nèi)尾礦堆積深度。流通區(qū)壁面每隔50 cm標(biāo)有0～20 cm刻度，便于觀測流通區(qū)尾礦堆積深度，最小精度為0.1 cm。待尾礦運動穩(wěn)定后在堆積區(qū)內(nèi)每隔25 cm用直尺測量尾礦堆積深度。堆積區(qū)內(nèi)橫向和縱向每隔20 cm畫白線，將堆積區(qū)分為0.04 m2的小格，用等間距地形標(biāo)記法測量尾礦在堆積區(qū)覆蓋范圍。

1.5 試驗過程

向尾礦庫區(qū)內(nèi)加入180 kg烘干的尾礦砂，再加入180 kg清水，控制尾礦漿體質(zhì)量濃度為50%。用電動攪拌器充分?jǐn)嚢?，直到尾礦在庫區(qū)均勻分布。攪拌結(jié)束后尾礦開始沉積固結(jié)，試驗中通過設(shè)置不同的沉積固結(jié)時間使尾礦具有不同的固結(jié)度。本次試驗共包括6組，沉積固結(jié)時間分別為0、1、3、5、10、24 h。到預(yù)設(shè)時間后，測量潰壩前庫內(nèi)尾礦深度。開啟攝像機，然后迅速拉起閘門使尾礦下泄。待尾礦運動穩(wěn)定后，測量各測點尾礦堆積深度并記錄。處理拍攝內(nèi)容計算堆積區(qū)尾礦覆蓋范圍，分析試驗結(jié)果。

圖3 尾礦庫潰壩試驗測點分布圖(單位：cm)

2 試驗結(jié)果與分析

隨著沉積固結(jié)時間增長，尾礦顆粒中孔隙水排出，體積逐漸壓縮，開始出現(xiàn)明顯的水砂分離現(xiàn)象，庫區(qū)尾礦分為渾水層和尾礦層。當(dāng)拉起閘門后，尾礦庫區(qū)失穩(wěn)，水體和尾礦下泄，水流沖刷作用下攜帶部分尾礦運動到堆積區(qū)。尾礦庫潰壩主要原因是尾礦層失穩(wěn)和水力沖蝕。當(dāng)坡面剪切力大于尾礦抗剪強度時尾礦層發(fā)生滑移破壞再加上水流沖刷，減弱土體強度，使得局部尾礦崩塌，更多的水體下泄。二者相互影響，使得潰壩成為一個短時間內(nèi)連續(xù)多級的破壞過程。利用試驗所測數(shù)據(jù)及拍攝的潰壩過程總結(jié)尾礦庫潰壩尾礦運動規(guī)律，對比分析尾礦沉積固結(jié)作用對潰壩的影響。

2.1 沉積固結(jié)對尾礦沿程堆積深度的影響

潰壩后尾礦勢能轉(zhuǎn)化為動能向下游運動，隨著下泄距離增大，能量逐漸耗散，大量的尾礦沿程堆積。為了分析尾礦沿程堆積規(guī)律，繪制不同沉積固結(jié)時間下潰壩后尾礦沿程堆積深度曲線，如圖4所示。

圖4 潰壩尾礦堆積深度曲線

由圖4可知，潰壩后尾礦沿程堆積深度隨著下泄距離增長呈減小趨勢，在快到達堆積區(qū)時有小幅度的增大，后又隨著下泄距離的增大逐漸減小。以固結(jié)3 h潰壩為例，測點5處尾礦堆積深度為7.4 cm，從測點5到測點9堆積深度快速減小至0.3 cm。因為試驗中流通區(qū)為一4°的坡，而堆積區(qū)為一平面，堆積區(qū)會對尾礦下泄起到一定的阻滯作用，所以在臨近堆積區(qū)處尾礦堆積深度會有小幅度的增大，從測點9到測點12尾礦堆積深度增大了0.5 cm。進入堆積區(qū)后，隨著尾礦運動擴散堆積深度逐漸減小，在下游575 cm處仍有0.1 cm厚度尾礦淤積，575 cm后為渾水。

對比各組之間尾礦沿程堆積深度變化發(fā)現(xiàn)，隨著尾礦沉積固結(jié)時間增長，潰口處尾礦堆積深度逐漸增大，流通區(qū)上游尾礦堆積深度先增大后減小。為了準(zhǔn)確描述其變化規(guī)律，繪制測點5～8尾礦堆積深度變化曲線，如圖5所示。分析可知，不固結(jié)潰壩潰口尾礦堆積深度為5.8 cm，沉積固結(jié)24 h后潰壩，潰口處尾礦堆積深度為8.3 cm，增大了43.1%，沉積固結(jié)每增長一小時，潰口處堆積深度平均增大約0.1 cm。測點5～8堆積深度隨沉積固結(jié)時間增長先增大后減小，在沉積固結(jié)5 h工況下達到最大值。以下游50 cm處為例，不固結(jié)潰壩下游50 cm處尾礦堆積深度為3.9 cm，當(dāng)沉積固結(jié)時間增長到5 h時，堆積深度增大了46.2%，當(dāng)沉積固結(jié)時間繼續(xù)增長時，堆積深度開始減小，沉積固結(jié)24 h時堆積深度為3.3 cm。尾礦最大下泄距離也在隨著沉積固結(jié)時間增長而減小，不固結(jié)工況下，在堆積區(qū)下游邊緣(下游500 cm處)仍有0.7 cm尾礦堆積，而在固結(jié)24 h工況下，最遠下泄距離僅為425 cm。

圖5 尾礦堆積深度隨沉積固結(jié)時間變化曲線

分析造成此現(xiàn)象的原因：1)隨著沉積固結(jié)時間增長，尾礦固結(jié)度增大，體積壓縮，相對密實度增大，顆粒之間咬合作用增強，增大剪切阻力。2)隨著孔隙水的排出，尾礦顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)力增大，同時對顆粒的潤滑作用也會減弱，增大尾礦顆粒的滑動難度。3)鐵尾礦在礦物溶解和重析過程中會產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)，增大顆粒的黏聚力。對于砂土，較少的膠結(jié)物質(zhì)也能顯著改變土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)沉積固結(jié)時間增長時，尾礦密實度增大，含水率降低，抗剪強度增大，土體的穩(wěn)定性增強，下泄尾礦動能消耗越來越快，更難向下游運動，所以流通區(qū)上游部分尾礦堆積深度逐漸增大。同時尾礦抗剪強度增大，會使尾礦庫整體潰壩量減少，使得測點6～8處尾礦堆積深度在沉積固結(jié)時間超過5 h后逐漸減小。

2.2 沉積固結(jié)對尾礦庫潰壩量的影響

尾礦運動穩(wěn)定后觀察尾礦庫區(qū)形態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著沉積固結(jié)時間增長，尾礦庫內(nèi)各測點深度呈增大趨勢，崩塌破壞面與有機玻璃槽底面的夾角逐漸增大，且破壞面長度減小。固結(jié)2 h和固結(jié)10 h潰壩尾礦庫區(qū)俯視圖如圖6所示，當(dāng)固結(jié)時間較短時，尾礦較為松散，強度較小，崩塌破壞面可能貫穿整個庫區(qū)。當(dāng)固結(jié)時間增長時，土體抗剪強度和抗沖刷能力均增強，潰壩量減少，崩塌破壞面長度減小。

圖6 潰壩庫區(qū)俯視圖

潰壩量是尾礦庫潰壩最直接的衡量指標(biāo)，直接反映潰壩的嚴(yán)重程度。通過對比不同固結(jié)時間下潰壩量的變化，反映尾礦沉積固結(jié)對潰壩的影響。試驗后記錄了尾礦庫區(qū)尾礦深度，并拍攝了庫區(qū)剩余尾礦形態(tài)，據(jù)此繪制尾礦庫區(qū)截面隨沉積固結(jié)時間變化圖，如圖7所示。

圖7 尾礦庫截面隨沉積固結(jié)時間變化圖

圖中x-z面為各組試驗潰壩后尾礦庫區(qū)截面，y軸為尾礦沉積固結(jié)時間。觀察可發(fā)現(xiàn)，截面面積隨著沉積固結(jié)時間增長逐漸增大，而各組試驗潰壩前尾礦庫截面面積相同，即尾礦庫的潰壩量在逐漸減少。為了進一步探究潰壩量的變化規(guī)律，近似用潰壩前后截面面積的差值作為單位寬度尾礦庫潰壩量，計算公式如下：

Q=(S1-S2)×b

(1)

式中，S1為潰壩前尾礦庫區(qū)截面面積，m2；S2為潰壩后尾礦庫區(qū)截面面積，m2；b為有機玻璃槽寬度，取0.5 m。

此外，設(shè)計了鐵尾礦一維沉積固結(jié)柱試驗，根據(jù)尾礦沉積固結(jié)厚度的變化情況計算了尾礦土層平均固結(jié)度，計算方法如式(2)所示。

(2)

式中，U為土層平均固結(jié)度；St為經(jīng)過時間t后土層的沉降量，cm；S為土層的最終沉降量，cm。

繪制潰壩量和土層平均固結(jié)度隨尾礦沉積固結(jié)時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 潰壩量和固結(jié)度隨固結(jié)時間變化曲線

由圖8可知，尾礦庫潰壩量隨著沉積固結(jié)時間增長逐漸減少，當(dāng)固結(jié)時間超過10 h基本達到穩(wěn)定。固結(jié)0 h工況下潰壩量為0.144 8 m3，占庫區(qū)尾礦總量的73%。固結(jié)24 h工況下潰壩量為0.131 0 m3，占庫區(qū)尾礦總量的66%。試驗條件下尾礦固結(jié)24 h較不固結(jié)潰壩量減少了0.013 8 m3，占尾礦庫尾礦總量的7%。潰壩量的變化與尾礦固結(jié)度的變化相對應(yīng)，95%的固結(jié)發(fā)生在前5 h，在10 h后尾礦固結(jié)基本完成。當(dāng)固結(jié)時間少于10 h時，隨著時間增長潰壩量快速減少，超過10 h后隨著固結(jié)接近結(jié)束潰壩量只是在小幅度的減少。可見，雖然尾礦沉積固結(jié)不是尾礦庫潰壩的直接影響因素，但是沉積固結(jié)導(dǎo)致土體強度的改變?nèi)詫瘟坑幸欢ǖ挠绊?。實際生產(chǎn)中尾礦庫區(qū)范圍和堆積深度遠大于試驗尺度，再加上分層堆排的影響，各層尾礦沉積固結(jié)時間差異較大，導(dǎo)致土體強度不均勻，沉積固結(jié)對潰壩量的影響將更加顯著。

2.3 沉積固結(jié)對潰壩淹沒范圍的影響

尾礦庫潰壩后淹沒范圍及其隨時間的變化規(guī)律一直以來備受關(guān)注，直接關(guān)系到尾礦庫災(zāi)害評估及預(yù)防。本次試驗中記錄了潰壩后尾礦淹沒范圍在堆積區(qū)的變化過程，用圖像軟件進行二次處理，繪制了堆積區(qū)淹沒范圍隨時間變化示意圖，如圖9所示。

試驗過程中尾礦漿體水砂分離現(xiàn)象較為明顯，攪拌結(jié)束后，漿體會迅速分為渾水層和尾礦層。每組試驗潰壩時均是渾水運動在前，攜帶部分尾礦向下游運動。所以，潰壩后尾礦漿體到達下游邊界的時間基本相同，淹沒范圍的變化規(guī)律相近，但堆積區(qū)內(nèi)尾礦堆積深度不同。觀察圖9可知，潰壩后1 s尾礦漿體到達堆積區(qū)，淹沒范圍呈“舌形”分布，淹沒面積隨時間逐漸增大。在1.6 s時尾礦漿體運動到堆積區(qū)下游邊界。由于堆積區(qū)域的限制，1.8 s后尾礦漿體開始向兩側(cè)運動，回流的漿體逐漸將兩側(cè)淹沒，在4.8 s時堆積區(qū)全部被淹沒。潰壩在20 s時基本達到穩(wěn)定，從測點10開始堆積尾礦表層有回流渾水淤積。

圖9 堆積區(qū)淹沒范圍隨時間變化示意圖

為了進一步探究尾礦沉積固結(jié)對堆積區(qū)尾礦堆積深度和尾礦最大下泄距離的影響，繪制了各組試驗堆積區(qū)堆積深度隨下泄距離的變化曲線，如圖10所示。

圖10 尾礦堆積深度隨下泄距離變化曲線

分析可知，在堆積區(qū)內(nèi)隨著下泄距離增長，尾礦堆積深度逐漸減小。隨著尾礦沉積固結(jié)時間增長，尾礦最大下泄距離減小，相同位置處堆積深度也減小。固結(jié)1 h潰壩，在350 cm處堆積深度為0.9 cm，隨著下泄距離增長逐漸減小，在500 cm處僅為0.2 cm，下泄距離每增加25 cm堆積深度下降13%。當(dāng)固結(jié)時間小于3 h時，尾礦最大下泄距離均可達500 cm。當(dāng)固結(jié)時間超過3 h后最大下泄距離逐漸減小，在固結(jié)24 h工況下最大下泄距離減小至450 cm。

3 堆積區(qū)淹沒范圍的量化描述

潰壩后尾礦漿體下泄，下游大面積地區(qū)被淹沒，損害人民生命財產(chǎn)安全，還會嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。探究尾礦在下游的淹沒范圍及其時間的演化規(guī)律，能為防災(zāi)和避險工作提供參考依據(jù)。本次試驗中下游分為流通區(qū)和堆積區(qū)，模擬尾礦下泄在山谷中演進在平原地區(qū)淤積的過程，重點觀測尾礦在堆積區(qū)淹沒范圍的變化規(guī)律。利用等間距地形標(biāo)記法求出圖9中每個時間點淹沒面積，并繪制堆積區(qū)淹沒面積隨時間變化散點圖，如圖11所示。

堆積區(qū)淹沒范圍隨著潰壩時間逐漸增大，為了定量的描述其變化過程，分段對散點圖進行曲線擬合，擬合結(jié)果見圖11。擬合公式如下：

(3)

式中：S為淹沒面積，m2；t為潰壩時間，s。當(dāng)t<1.6 s時，可以用線性函數(shù)表示，R2為0.99；當(dāng)1.6 s

圖11 堆積區(qū)淹沒面積隨時間變化曲線擬合

在實際生產(chǎn)中，庫內(nèi)材料分層堆積，各層尾礦沉積固結(jié)時長不等，不同位置尾礦的固結(jié)度存在差異，進而導(dǎo)致材料的強度特性和流變特性不均勻。這種不均勻隨著尾礦庫服務(wù)年限增長會越來越明顯，當(dāng)壩體加高過快沉積固結(jié)時間不充分時，甚至?xí)绊懳驳V庫的穩(wěn)定運行。本次試驗只是探究單次填筑下尾礦沉積固結(jié)對潰壩后漿體運動的影響，以后應(yīng)該結(jié)合尾礦庫的實際填筑過程，模擬更加真實的潰壩過程，反應(yīng)的規(guī)律將更具有參考價值。

4 結(jié)論

本文通過六組尾礦庫潰壩模型試驗探究尾礦沉積固結(jié)對潰壩后漿體運動特性的影響，得出如下結(jié)論：

1)隨著下泄距離增長，尾礦堆積深度呈減小趨勢，在臨近堆積區(qū)處有小幅度的增大。隨著沉積固結(jié)時間增長，流通區(qū)上游側(cè)尾礦堆積深度逐漸增大，當(dāng)沉積固結(jié)時間超過5 h后，堆積深度逐漸減小。

2)潰壩量隨著沉積固結(jié)時間增長逐漸減少，當(dāng)固結(jié)時間超過10 h基本達到穩(wěn)定。沉積固結(jié)24 h較不固結(jié)潰壩量減少了7%。

3)潰壩過程中存在明顯的水砂分離現(xiàn)象，各組試驗堆積區(qū)淹沒范圍隨時間變化規(guī)律基本相同，但隨著沉積固結(jié)時間增長，最大下泄距離逐漸減小。

4)堆積區(qū)淹沒范圍隨時間的變化規(guī)律可以用分段函數(shù)準(zhǔn)確描述，可為下游避險和防災(zāi)工作提供參考。綜上，尾礦沉積固結(jié)雖然不是導(dǎo)致尾礦庫潰壩的主要因素，但是對潰壩后漿體的運動有不小的影響，實際生產(chǎn)中應(yīng)該控制壩體加高速度，預(yù)留充分的沉積固結(jié)時間，減少災(zāi)害發(fā)生幾率。