细粒砂尾矿坝渗透试验及有限元分析

彭 成 谌 伟 陈 双

(1.南华大学土木工程学院；2.南华大学岩土工程研究所)



细粒砂尾矿坝渗透试验及有限元分析

彭 成1，2谌 伟1陈 双1

(1.南华大学土木工程学院；2.南华大学岩土工程研究所)

通过对湖南某尾矿坝细粒尾砂的常水头渗透试验，进行了细粒尾砂孔隙比与渗透系数常用对数的拟合分析，建立了二者之间的数学表达式，对不同孔隙比的细粒尾砂尾矿坝进行了渗流数值模拟分析，得出孔隙比与尾矿坝浸润线埋深之间的关系，提出了该尾矿坝在渗流作用下安全运行的最优孔隙比范围。

细尾砂 孔隙比 渗透系数 浸润线埋深 尾矿坝

从尾矿坝失事来看,渗流是影响尾矿坝稳定性的主要因素之一。几乎尾矿坝所有的事故都与水有关,这是由于尾矿坝储存着大量的尾矿和水,形成一个人工“尾矿湖”[1],是处于高势能位量的“泥石流形成区”,而且渗流的存在使尾矿坝的稳定性问题更加复杂。据美国的调查统计，在美国破坏的206座土坝中有39%是由于渗流引起的。著名的弟顿坝(Teton),1976年由于渗流破坏而引起垮坝，总损失2.5亿美元。1998年长江洪水期间，堤坝出险5 000 余处，其中60%～70%是由于管涌等渗流变形引起的。堤坝工程中的主要险情，如管涌、散浸、脱坡及崩岸等都与渗流有关。

目前的研究主要集中在粗粒土、软土、黏性土、粗砂尾矿坝上，对细粒尾砂坝的渗流稳定性研究还很少。随着科学技术的进步及对资源的充分利用，各种矿物将会被加工的越来越细。当尾矿粒径越来越小时，尾矿坝的渗透系数也会越来越小，同时尾矿坝的浸润线将会越来越高，在洪水等工况下细粒尾矿坝更有可能由于渗流而发生破坏。因此，本文围绕细粒砂尾矿坝的渗透规律展开研究，为尾矿坝的安全运行与维护提供理论参考。

1室内渗流试验分析

1.1 渗流原理与试验装置

在尾矿砂样两端施加恒定压力差ΔP,如果通过尾矿砂样的流量为Q，气流温度为T时，根据达西定律，该尾矿砂的渗流系数为

(1)

式中,kT为水温T℃时试样的渗透系数，cm/s；Q为时间t内的渗透水流量，cm3；A为试样断面积，cm2；H为平均水头差，cm；t为时间,s;L为两侧压孔中心的试样长度，L=10 cm。

本试验采用的实验装置为70型渗透仪，因所选砂样颗粒极细，为防止砂样堵塞测压管，影响水头差，在测压管上套一层渗透系数远大于砂样的纱布，通过控制供水瓶管的流量来保证试样处于恒水头作用下，然后记录调节管在不同位置时测压管的水位和相同时间流入量筒的水量，计算出该砂样的渗透系数，见图1。

图1 常水头渗透装置

1.2 试样制备

试验砂样来自于湖南某尾矿库，为扰动砂样。尾矿库尾矿砂均处于不断被压实的状态，越在底层压缩量越大，孔隙比越小。经初步试验发现：不经压实的砂样渗透系数大，难以准确记录水头差和渗流量，试验结果不准确。因此本试验通过控制压缩量和试验质量，把试样压缩成5种不同孔隙比。另外，为防止细颗粒砂样被水冲走，在试样底部和顶部分别放2～3 cm厚、渗透系数远大于该砂样的粗砂和砾石层。

1.3 结果分析

影响细尾砂渗透系数的因素有：砂粒组成、砂的状态、砂的结构、渗透流体等。为研究孔隙比与细粒砂渗透系数的关系，选取同一种细粒砂和纯水，排除砂粒组成、砂的结构、渗透流体等因素的影响。根据相关土工试验得到砂样的相关系数，如表1。根据表1的数据，拟合出不同试验孔隙比与渗透系数的关系，如图2所示。

尾矿堆积是一个随机的过程，其干密度和空隙比在试验过程中存在一定误差，可忽略不计，因此试样渗透系数只与试验孔隙比有关。砂样的三相组成中，在压缩过程只有固体颗粒间的空隙被压缩。在常水头条件下，砂样中的空隙越小，固体颗粒和砂样中的水对在砂样中流动的水阻碍作用就越大，水在砂样中的流动速度越小，则渗透系数越小。从图2可以看出，e′与lgk拟合，表明在一定范围内e′与lgk成线性关系。

表1 不同试验孔隙比下尾细砂的相关参数

图2 不同试验孔隙比与渗透系数的拟合曲线

2 有限元数值模拟

2.1 工程概况

某尾矿坝为上游式山谷型尾矿坝，初期坝为透水堆石坝，渗透系数为5×10-2cm/s，坝顶标高108.0 m，坝高13 m，坝顶宽4 m，坝顶轴线长80.5 m，上游及下游坡比为1∶2；尾矿堆积坝为细尾砂，其坡比为1∶3，堆积坝下面为中分化基岩，渗透系数为4.63×10-5cm/s，最终尾矿堆积坝标高设计为143.1 m，坝高48.1 m，库容5.24万m3,属于Ⅲ级尾矿坝。该细尾砂尾矿坝的概化剖面如图3所示。

2.2 数值模型的建立

在细粒砂尾矿坝的渗流变形分析中，浸润线的影响十分突出。为了进一步研究孔隙比变化对细粒砂尾矿坝浸润线的影响，对该细粒砂尾矿坝的堆积坝分别采用表1中的1#～5#试样进行有限元数值模拟,对尾矿坝进行有限元分析时采用四边形单元和三角形单元，对该模型进行网格划分，共划分为6 529 个节点，6 376个单元，模型网格划分情况如图4。

图3 某细尾砂尾矿坝的概化剖面

图4 某细尾砂尾矿坝的模型网格划分

2.3 计算结果

5种试样的浸润线对比如图5所示。

根据图5,以堆积坝与初期坝交界处的浸润线水位为该尾矿的浸润线,得到不同孔隙比下浸润线埋深间的相关数据见表2。

通过图5及表2分析可知：①在一定范围内，细尾砂尾矿坝的浸润线埋深随孔隙比的增大而增大；②当孔隙比为0.309～0.452时，该尾矿坝的浸润线埋深变化仅为1.2%。一般来说孔隙比越大，尾矿坝的浸润线埋深就越大，尾矿坝在渗流作用下就越安全；但当孔隙比过大时，尾矿坝的稳定性却会降低。为了保证该尾矿坝的安全运行，孔隙比建议在0.309～0.452选择。

图5 某细尾砂尾矿堆积坝5种试样的浸润线对比

试样号孔隙比e浸润线埋深h/m相邻试样埋深差值Δh/m差值与较大试样浸润线的埋深比/%10．1324．5480．3357．120．2524．8940．64411．630．3095．5380．0681．240．4525．6060．84113．050．5636．448

3 结 论

(1)试验测得该砂样的渗透系数为2.84×10-3～4.82×10-3cm/s，根据《尾矿库手册》，细尾砂渗透系数为8.4×10-3～1.91×10-4cm/s，该数据真实有效。

(2)在一定范围内尾矿坝细尾砂的渗透系数随孔隙比的减小而减小，同时lgk与e′成线性关系，其对应关系式为lgk=0.512 4e′-2.595 2。

(3)在一定范围内细尾砂尾矿坝的浸润线埋深随孔隙比的增大而增大。为了保证该细粒砂尾矿坝在渗流作用下安全运行，建议其孔隙比控制在0.309～0.452。

[1] 张世文,王红艳.影响尾矿坝安全稳定性因素分析及对策[J].矿业工程,2004(2):61-63.

Seepage Test and Finite Element Analysis of Fine Grained Milltailings of Tailings Dam

Peng Cheng1,2Chen Wei1Chen Shuang1

(1.School of Civil Engineering,University of South China;2.Institute of Geotechnical Engineering,University of South China)

Taking a tailings dam in Hunan province as the study example,the constant heat permeability test of fine grained milltailings is conducted,and fitting analysis between void ratio of fine grained milltailings and common logarithm of permeability coefficient is done,the numerical simulation seepage analysis of the tailings dam with fine grained milltailings with different void ratio is done,the relationship between void ratio and the saturation line depth of tailings dam is analyzed,besides that,the optimal scope of void ratio of the tialing dam under the action of seepage is obtained.

Fine grained milltailings,Void ratio,Permeability coefficient,Saturation line depth，Tailings dam

谌 伟(1989—)，男，硕士研究生。

2016-09-23)

彭 成(1983—),男，讲师，421001 湖南省衡阳市。