(青島理工大學(xué) 山東 青島 266000)

尾礦壩管涌破壞機(jī)理與過程研究

周福強(qiáng)于廣明宋琨謝焦焦

(青島理工大學(xué)山東青島266000)

針對(duì)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(wěn)定性分析方法和現(xiàn)場(chǎng)判別手段，分別從破壞機(jī)理和過程分析兩個(gè)方面介紹了尾礦壩管涌破壞的特征，對(duì)尾礦壩類似事故的處理有一定的借鑒意義。

管涌破壞；穩(wěn)定性分析；破壞機(jī)理；過程分析

一、引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所，一般由尾礦堆存系統(tǒng)、尾礦壩排滲系統(tǒng)、尾礦庫排洪系統(tǒng)、尾礦庫回水系統(tǒng)等幾部分組成。尾礦庫是礦山生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，同時(shí)尾礦庫是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，它的安全直接關(guān)系到下游人民生命財(cái)產(chǎn)和庫區(qū)周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，它一旦潰壩，造成的危害將會(huì)是空前的[1]。

滲流問題是尾礦壩穩(wěn)定性考量時(shí)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(xì)小顆粒通過粗大顆粒的孔隙，發(fā)生移動(dòng)或被水流帶出的現(xiàn)象。由于管涌而造成的尾礦壩潰壩事故占了總事故的相當(dāng)大比例。

本文在系統(tǒng)分析尾礦壩穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了尾礦壩管涌破壞過程，并對(duì)該破壞過程中的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)描述。

二、尾礦壩滲透穩(wěn)定性分析方法和判別手段

(一)尾礦壩滲透穩(wěn)定性分析方法

在尾礦壩滲透穩(wěn)定性分析方面的理論方法有極限平衡方法和數(shù)值分析法，前者例如：瑞典圓弧法、畢肖普法、簡(jiǎn)布條分法、王復(fù)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(jīng)典的還是瑞典圓弧法[2]。

瑞典圓弧法的原理是對(duì)滑動(dòng)壩體進(jìn)行受力分析，求的阻止各砂石條滑動(dòng)的抗滑力矩總和為MR和各砂石條的滑動(dòng)力矩為MS，然后根據(jù)公式K=MR/MS求穩(wěn)定安全系數(shù)K值。

運(yùn)用瑞典圓弧法分析尾礦壩穩(wěn)定性的一般步驟如下：

1.壩體內(nèi)潛在滑裂面的確定。首先需要根據(jù)某尾礦壩的地質(zhì)勘探資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，分析尾礦壩可能存在的軟弱結(jié)構(gòu)面和易滑動(dòng)砂層，并基于邊坡穩(wěn)定分析軟件對(duì)壩體進(jìn)行靜力分析計(jì)算，先指定區(qū)域搜索，分不同精度進(jìn)行分析，逐步逼近最優(yōu)解，從而確定最危險(xiǎn)滑裂面的位置。

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

整個(gè)砂石壩相應(yīng)于滑動(dòng)面的抗滑安全系數(shù)為：

(1.1)

其中：n——砂石條分條數(shù)

通過計(jì)算尾礦壩的抗滑安全系數(shù)，并與現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行比較，以此來判斷該尾礦壩的穩(wěn)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(jù)管涌的發(fā)生條件及特點(diǎn)判斷管涌的發(fā)生。通常施工現(xiàn)場(chǎng)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(shù)、砂中細(xì)粒土含量等因素有關(guān)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(shù)Cu與發(fā)生管涌的臨界水力梯度ic存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，砂土中的細(xì)顆粒土含量越多越容易發(fā)生管涌，在砂的級(jí)配曲線中，用d15與d85分別表示小于某粒徑的土粒重量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為15%和85%時(shí)相應(yīng)的粒徑，如果d85/d15≤5，則不會(huì)發(fā)生管涌。

②手段二。一般情況下認(rèn)為發(fā)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(jì)算:

(1.3)

式中，m為坡度系數(shù)。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(dāng)i

通過以上兩個(gè)手段可以判斷尾礦壩是否發(fā)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將管涌破壞過程分為以下三個(gè)階段：

第一階段為滲流穩(wěn)定階段。當(dāng)尾礦壩內(nèi)的水力梯度較小時(shí)，滲透力不足以克服顆粒的有效應(yīng)力和顆粒間的咬合力，顆?；静粫?huì)移動(dòng)。隨著水力梯度的增加，滲透力越來越大，傳遞骨架有效應(yīng)力的大顆?；緵]有移動(dòng)，存在于骨架空隙中的細(xì)小顆粒開始輕微的翻滾、漂浮，或許發(fā)生較小位移，但是并不會(huì)沿著滲透方向滲出壩體，基本上處于受力相對(duì)平衡狀態(tài)。

第二階段為尾礦壩局部破壞階段。隨著水力梯度繼續(xù)增大，細(xì)顆粒翻滾、移動(dòng)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(dòng)。當(dāng)砂粒的粒徑比孔隙小時(shí)，小顆粒會(huì)順利的通過空隙，繼而沿著滲流方向繼續(xù)移動(dòng)；然而當(dāng)砂粒的粒徑比孔隙的大時(shí)，砂粒就會(huì)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(duì)較小顆粒也會(huì)發(fā)生移動(dòng)。壩體內(nèi)部孔隙、空隙、裂縫等分布的不均勻性以造成了細(xì)小顆粒在滲透力作用下移動(dòng)的不連續(xù)性、隨機(jī)性，由此形成的通道是彎彎曲曲的、不規(guī)則的。

第三階段為堆積壩表面滲透破壞直至壩體整體失穩(wěn)階段。隨著水力梯度的繼續(xù)增大，滲透力增大，細(xì)顆粒獲得更大的移動(dòng)速度，形成貫通軟弱結(jié)構(gòu)部位的管涌通道后，開始向尾礦壩內(nèi)其他相對(duì)薄弱部位移動(dòng)，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(kuò)展管涌通道。就這樣，管涌通道在持續(xù)增加的水力梯度作用下不斷延伸、擴(kuò)展，管涌通道的這種生長(zhǎng)是非連續(xù)的、無規(guī)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(jié)論

(1)利用尾礦壩穩(wěn)定性分析方法中瑞典圓弧法可以定量計(jì)算尾礦壩的穩(wěn)定性問題；(2)在現(xiàn)場(chǎng)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(fā)生，但方法較粗糙；(3)尾礦壩管涌破壞的機(jī)理是：較小顆粒通過大顆粒之間的間隙或者壩體本身內(nèi)部的孔隙在水力梯度的作用下不斷流失，最終導(dǎo)致壩體破壞。

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

[2]毛昶熙.滲流計(jì)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(yīng)用[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2013,(02):50-53.[2017-09-08].

周福強(qiáng)(1992.12-)，研究生在讀，土木工程專業(yè)。