金佳旭，李世旺，梁冰，張二軍，張平怡

(遼寧工程技術大學 a.土木工程學院；b.力學與工程學院；c.機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

尾礦壩是金屬、非金屬礦山的重大危險源[1-8]。它不僅給生態(tài)環(huán)境的治理帶來困難，更會威脅到附近居民的生命財產安全。據(jù)統(tǒng)計，中國的季凍區(qū)面積約占全國面積的55%，而凍融循環(huán)是季凍區(qū)尾礦壩穩(wěn)定性的重要影響因素之一，直接影響尾礦砂物理力學性質變化[9-10]。同時，會導致壩體內孔隙壓力等力學指標發(fā)生變化，進而導致尾礦壩壩體變形，即穩(wěn)定性發(fā)生變化。而尾礦壩穩(wěn)定性是評價工程是否安全的關鍵指標，故研究凍融條件下尾礦壩力學響應特性具有重大意義。

目前，針對凍融循環(huán)作用下尾礦砂物理力學性質的變化規(guī)律，學者們進行了大量理論和試驗研究。Beier等[11]進行了實驗室冷凍試驗，結果表明，凍融是提高尾礦強度和表面穩(wěn)定性的一種有效方法。Maria[12]等研究了毛細作用對尾礦壩穩(wěn)定性的影響。張二軍等[13]使用高低溫試驗箱和應變控制式三軸剪力儀對處于不同初始條件下的尾礦砂進行不排水、不固結試驗；彭成等[14]研究了細粒尾砂孔隙比與滲透系數(shù)常用對數(shù)的擬合規(guī)律；但是，這些研究多涉及凍融循環(huán)條件下的尾礦砂物理力學特性，而關于凍融循環(huán)條件下尾礦壩變形規(guī)律的研究卻很少，相關機理也不甚清晰，因此，有必要開展不同凍結溫度對尾礦壩變形、內力、孔隙水壓力的影響規(guī)律研究，明晰尾礦壩穩(wěn)定性的影響因素，進而為提高季凍區(qū)尾礦壩的穩(wěn)定性分析提供基礎資料。

1 尾礦壩凍融循環(huán)試驗

1.1 相似模型定律

模型試驗以內蒙古玉龍礦業(yè)股份有限公司花敖包特銀鉛礦新建尾礦庫為原型，該尾礦庫位于內蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗巴彥花鎮(zhèn)，庫內尾礦壩采用上游式筑壩法，且設置有兩級子壩，各級子壩壩坡比均為1∶3?？紤]到模型試驗的可行性和可操作性，選取尾礦壩初期壩、一級、二級子壩作為模型試驗研究對象，用相似模擬試驗理論[15-16]確定模型試驗的幾何、運動和動力參數(shù)。

1.1.1 幾何相似 根據(jù)試驗條件，結合實際情況，選擇試驗模型的比例為1∶250，各物理量關系為

(1)

式中：αL為相似長度比尺。LM和LH分別表示模型和原型的長度，m。

1.1.2 運動相似 要求模型與原型的對應點運動情況相似，即要求各對應點的速度、運動時間、加速度等都成比例。

(2)

式中：αt為時間比；tM和tH分別為模型和原型的運動時間。

1.1.3 動力相似 在考慮重力的情況下，要求重力相似。在幾何相似的前提下，對重力相似的要求還有γH和γM的比尺αγ為常數(shù)，即

(3)

(4)

式中：γM和γH分別為模型和原型的視密度，g/m3；αγ為視密度比尺；σH和σM分別為原型和模型的單向抗壓強度，MPa；ασ為抗壓強度比尺。

由式(4)可得模型相應的參數(shù)量

(5)

(6)

1.1.4 邊界相似 考慮到尾礦壩現(xiàn)場實際情況，模型的邊界條件設置為：左右界面全約束，上表面為自由面，后表面有水平方向約束，前表面為自由面。

1.2 試驗裝置

采用擁有自主知識產權的“一種基于凍融循環(huán)作用的尾礦壩模型試驗箱”，該設備密封性良好，溫度模擬準確，同時，輔以溫度傳感器(GYH-2型)、土壓力傳感器(BX-1型)、激光位移傳感器(FT50220型)等，能夠實現(xiàn)不同溫度條件下對模型壩體內部應力和各級子壩位移變形的監(jiān)測。

動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀選用靖江泰斯特電子有限公司生產的TST5912動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(圖1)；試驗選用美國Decagon公司生產的5TM孔隙水壓力傳感器。

圖1 動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀Fig.1 Dynamic data acquisition

1.3 試驗材料

選用粉細砂狀的鉛礦砂為試驗材料，風干，過2 mm 篩，取其細粒部分進行試驗。依照《土工試驗方法標準》[17]進行土常規(guī)試驗，測得尾礦砂平均比重為3.21、天然含水率為16.8%、干密度為1.77 g/cm3，液限WL為34.6%，塑限Wp為17.3%。主要物理性質指標見表1。

表1 尾礦砂的主要物理性質指標Table 2 Main physical property indexes of tailings sand

1.4 試驗方案設計

因尾礦壩潰壩形式多為壩基及各級子壩發(fā)生橫向位移，即失穩(wěn)破壞，因此，需監(jiān)測初期壩及各級子壩處的橫向位移，以及在各級子壩及后方庫區(qū)內布置土壓力及孔隙水壓力監(jiān)測點。各監(jiān)測點布置位置按照工況要求，總體依照平均分布各點的思路，以便觀察和總結凍融循環(huán)作用下尾礦壩各位置的應力、孔隙水壓的變化情況。具體監(jiān)測點布置如圖2所示，7個監(jiān)測點處均設置有土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，模型外部共布置3個激光位移傳感器，分別對準初期壩、一級子壩、二級子壩中部，用于監(jiān)測各級子壩水平向的變形位移情況。模型內，等間距設置有3根測壓管，保證能夠實時確定浸潤線的位置。

綜合前人研究成果[18-19]，并根據(jù)礦區(qū)所在地區(qū)氣候變化特征以及試驗的可行性，最終確定凍融循環(huán)次數(shù)為8次，凍結溫度分別為-5、-25、-45 ℃，融化溫度均設定為25 ℃，每個循環(huán)凍結和融化時間均為12 h，保證模型內尾礦砂能夠完全凍透和融透。

圖2 監(jiān)測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring points

1.5 尾礦壩相似模型的建立

1.5.1 試驗準備 試驗選用外徑32 mm、壁厚2 mm的高密聚乙烯(HDPE)管作為放礦管。尾礦砂漿采用攪拌機攪拌至均勻，按照實驗方案控制攪拌機轉速，使尾礦砂漿能夠順利地通過放礦管。

1.5.2 模型制作

1)將自制的放礦管架設在尾礦壩模型的初期壩上，調整管道傾角，使尾礦砂能夠順利地通過放礦管流入至壩體模型中。

2)待尾礦砂鋪滿模型箱底部，按照實驗方案埋設第1層土壓力傳感器(編號分別為1～3)后，用尾礦砂將傳感器上部鋪平，以保證試驗過程能夠順利進行。

3)待模型箱內堆積尾礦砂高度增加之后，按照設計資料筑造一、二級子壩，同時，分別在一、二級子壩內部及庫區(qū)埋設4、5號和6、7號土壓力傳感器。

4)將各傳感器與動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連通，實時監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)。

5)實驗過程中，需要不斷地將流入模型箱后方的水清除，定時檢查放礦管是否堵塞，以保證尾礦砂的順利流入。

6)當壩體模型堆積完成后，靜置24 h，將模型箱放入主箱體內，反復進行8次凍融循環(huán)。圖3為堆壩完成后尾礦壩模型全貌。

圖3 尾礦壩模型全貌Fig.3 Complete view of tailings dam

2 試驗結果分析

以初期壩(2#監(jiān)測點)、一級子壩(4#監(jiān)測點)、二級子壩(7#監(jiān)測點)為例，對比分析凍結溫度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化對各關鍵位置應力、孔隙壓力、變形量的影響規(guī)律。

2.1 監(jiān)測點應力值分析

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置應力變化趨勢如圖4所示。凍融循環(huán)初期(前5次凍融循環(huán))，各監(jiān)測點應力值呈增長趨勢，后3次凍融循環(huán)各監(jiān)測點應力值逐漸趨于穩(wěn)定。同時，凍結溫度越低，壩體內應力越大，應力峰值出現(xiàn)的時間越早，這是凍結溫度和凍融循環(huán)次數(shù)耦合作用的結果。此外，在凍融循環(huán)前期，各位置應力增長速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段，這是因為，凍融循環(huán)前期，尾礦壩內的溫度梯度大，凍融循環(huán)作用明顯，應力增長速率大。通過上述分析可知，在解決凍融循環(huán)作用下尾礦壩失穩(wěn)或承載能力降低的實際工程問題上，要重點關注凍融循環(huán)前期的作用，即在凍融循環(huán)開始前就做好對策。具體可采取的措施包括：在一定程度上阻隔或降低溫度傳遞，避免出現(xiàn)較大的溫度梯度，降低冰水的轉化速率。

圖4 初期壩及各級子壩應力變化曲線Fig.4 Stress variation curves of initial dam and sub

2.2 監(jiān)測點孔隙水壓力值分析

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置孔隙水壓力變化趨勢見圖5。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各監(jiān)測點孔隙水壓力呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，且凍融循環(huán)前期的衰減幅度較大，同時，各監(jiān)測點孔隙水壓力隨凍結溫度的降低也呈減小趨勢，凍結溫度越低，經歷8次凍融循環(huán)后的孔隙水壓力衰減幅度越大。凍結溫度的不同會導致孔隙水壓力產生周期性變化，進而導致尾礦砂內冰水相變效果不同，即孔隙水壓力出現(xiàn)差異。溫度降低過程中，孔隙水的吸附作用和毛細作用逐漸減小，孔隙水壓力下降，當溫度達到凍結點時，水逐漸凍結。其中，冰水界面曲率半徑、毛細勢和孔隙水壓力三者的大小成正相關關系，隨著溫度的降低，冰水界面的曲率半徑逐漸減小，導致毛細勢和水壓力逐漸減小；未凍水膜厚度逐漸變小，導致吸附勢變小，孔隙水壓力也隨之變小。

圖5 凍融循環(huán)作用下監(jiān)測點孔隙壓力監(jiān)測結果Fig.5 Monitoring results of pore pressure under freezing

此外，孔隙水壓力的大小和壩體深度也有一定的關系。在同一凍結溫度條件下，2#監(jiān)測點處孔隙水壓力的變化幅度要大于其他兩處，且周期性更強，也更具有規(guī)律性。在凍融循環(huán)過程中，孔隙水的深度和凍結速率會影響孔隙水壓力，越深或者凍結速率越小，越有利于孔隙水壓力的發(fā)育。在單向凍結過程中，較淺處的尾礦砂溫度梯度較大，其溫度變化也很快，因此，尾礦砂的凍結速率較快。而較深處的尾礦砂溫度梯度較小，溫度變化速率也較緩慢，因此，凍結速率也相對較小。凍融循環(huán)作用會改變尾礦砂的結構，從而影響孔隙水壓力，較淺處的尾礦砂凍結速率較大，凍融循環(huán)對其影響程度更大，尾礦砂結構的改變也更嚴重，此處的孔隙水壓力變化比較雜亂，很難得出明顯規(guī)律。而較深處的尾礦砂凍結速率小，凍融循環(huán)對其影響程度也不大，尾礦砂結構幾乎保持不變，此處孔隙水壓力的變化規(guī)律性比較明顯。

2.3 不同凍結溫度下尾礦壩的位移變化規(guī)律

不同凍結溫度條件下，尾礦壩各關鍵位置的位移變化趨勢見圖6。在凍融循環(huán)過程中，一、二級子壩變形均呈現(xiàn)先突然增大后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢，凍結溫度越低，變形幅度越大。原因在于，凍融循環(huán)前期，模型內未凍結水較多，溫度降低凍結后，由于膨脹導致子壩變形大幅增大。在融化階段，凍結的冰開始融化，膨脹力減小，使得壩體變形減小，繼續(xù)凍結，由于此時尾礦砂傳遞熱量變慢，即使在相同的凍結溫度下，融化的水分也不會快速凝結成冰，尾礦砂內的冰-水轉換趨于平衡，因此，出現(xiàn)尾礦壩變形繼續(xù)降低的現(xiàn)象。此外，凍融循環(huán)和凍結溫度具有明顯的位置效應，越靠近尾礦壩，溫度梯度越大，凍融速度越快，進而導致變形量越大，變形速率越大。因此，可以得出溫度是影響凍融循環(huán)作用的關鍵因素，壩體變形實際上同時受凍融循環(huán)次數(shù)和凍結溫度的影響，在一定條件下，凍結溫度比凍融循環(huán)次數(shù)對壩體變形的作用更為明顯，特別是在凍融循環(huán)后期，凍結溫度往往發(fā)揮主要作用。

圖6 凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形規(guī)律曲線Fig.6 Curves of deformation law of tailings dam

3 結論

通過開展不同凍結溫度作用下尾礦壩的凍融循環(huán)試驗，基于對壩體關鍵位置處的應力、孔隙水壓力、位移等數(shù)據(jù)的分析，得到尾礦壩的應力-變形演化規(guī)律。主要結論如下：

1)凍融循環(huán)初期，各監(jiān)測點應力值均不斷增長，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，各監(jiān)測點應力值開始趨于穩(wěn)定；凍結溫度越低，壩體內的應力越大，應力峰值出現(xiàn)的時間相對越早，在凍融循環(huán)前期，尾礦壩及尾礦庫各位置的應力增長速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，壩體及庫區(qū)孔隙水壓力先降低后趨于穩(wěn)定，孔隙水壓力在凍融循環(huán)前期衰減速度較快；凍結溫度越低，孔隙水壓力越小，孔隙水壓力衰減速度越大。在負溫情況下，孔隙水壓力隨凍融循環(huán)的溫度改變呈規(guī)律性變化。

3)在凍融循環(huán)前期，一、二級子壩變形均呈現(xiàn)先突然增多后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢，凍結溫度越低，變形幅度越大；凍融循環(huán)和凍結溫度具有明顯的位置效應，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

4)通過進行不同凍結溫度下尾礦壩凍融循環(huán)試驗，為凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形動態(tài)監(jiān)測提供重要參考，實現(xiàn)凍融循環(huán)過程中尾礦壩結構性演化動態(tài)評價。