張少雄霍煥臣宋 濤陳劍剛

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院；2.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室；3.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所）

世界上正在使用、具有一定規(guī)模的尾礦庫有2萬多座，而我國就有約1 萬座，其中不乏病庫和危庫［1］。尾礦庫是維持礦山生產(chǎn)的重要措施，同時也是礦山的重大危險源，一旦發(fā)生潰壩，勢必會對下游的環(huán)境造成極大的危害。

從已發(fā)生的潰壩事故分析可知，水是造成尾礦庫潰壩的主要因素，開展洪水漫頂情況下尾礦庫潰壩的研究顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于洪水漫頂?shù)臐窝芯亢芏?，也取得了豐富的成果。Hasson 等［2］通過對洪水漫頂工況下的黏土土石壩潰壩過程進行模擬，分析了黏性土石壩潰口的形成和發(fā)展過程。Chen 等［3］在室外開展2 組大規(guī)模的洪水漫頂潰壩試驗，分析得出潰口發(fā)展速率隨單位流量增大而增大。Yang 等［4］開展水槽試驗觀測尾礦庫洪水漫頂?shù)倪^程，認(rèn)為整個破壞過程可分為滲流侵蝕、初始潰口形成、潰口逆向侵蝕、潰口發(fā)展以及重新平衡5個階段。張紅武、劉磊等［5-10］針對尾礦庫潰壩特點，參照黃河高含沙水流相似關(guān)系，提出了一整套尾礦庫潰壩模型的設(shè)計與試驗方法，為進行尾礦庫潰壩模型試驗研究提供了理論依據(jù)。張興凱等［11］在自主研制的尾礦庫潰壩模擬試驗平臺上，建立尾礦庫漫頂潰壩演化模型。

前人已對洪水漫頂潰壩開展了較多的研究，但沒有涉及堆積坡比對潰壩過程的影響。因此，本研究建立不同堆積坡比的尾礦壩模型，開展洪水漫頂條件下的潰壩試驗研究，探求不同壩坡比條件下的潰壩機理和特征。

1 尾礦庫潰壩試驗

1.1 試驗內(nèi)容

建立壩坡比分別為1∶2、1∶3、1∶4的尾礦壩模型，壩高均為0.5 m，沉積灘坡度為2%。初期壩高為0.1 m，上頂寬0.06 m，下頂寬0.42 m，內(nèi)坡比為1∶1.7，外坡比為1∶1.9。尾礦壩壩體如圖1所示。

試驗假設(shè)排滲設(shè)施失效、排洪系統(tǒng)出現(xiàn)問題不能正常排洪，壩體在飽和狀態(tài)下發(fā)生漫頂潰壩。試驗時首先使尾礦庫內(nèi)保持最高水位，按洪水過程向庫內(nèi)注入水體，引發(fā)洪水漫頂潰壩。在潰壩過程中，觀察不同壩坡比條件下的漫頂潰壩過程，記錄潰口形態(tài)的變化，探索壩坡比對潰壩的影響。

1.2 試驗材料

選用原型尾砂作為試驗材料，其粒徑級配如圖2所示。尾砂粒徑主要集中在0～0.25 mm，中值粒徑為0.12 mm。通過直剪試驗確定其黏聚力為8 kPa，內(nèi)摩擦角為29°。

1.3 試驗裝置及試驗過程

自主研發(fā)的尾礦庫潰壩裝置主要由供水系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和回收系統(tǒng)組成。供水系統(tǒng)由供水管和水泵組成。量測系統(tǒng)包括攝像機和三維激光掃描儀。攝像機可以記錄尾礦庫潰壩過程中潰口形態(tài)的變化、壩體的坍塌頻率、泥石流的演進過程；三維激光掃描儀可以掃描潰決前、潰決過程中、潰決后壩體的輪廓，用來觀測壩體潰口展寬情況。回收系統(tǒng)主要用于集水和沉砂。堆壩完成后，向庫區(qū)加水，當(dāng)初期壩壩腳有水流出之后，測壓管水位不再變化，即形成穩(wěn)定滲流場。之后在壩頂中間位置人為設(shè)置了1 個斷面為1 cm×1 cm（寬×高）的引沖槽，排除初始潰口的位置和大小對潰壩試驗的干擾。按洪水過程注入水體，水流經(jīng)過引沖槽流向下游，觀察潰壩。

2 潰壩試驗結(jié)果及分析

2.1 不同壩坡比的潰壩過程

通過試驗發(fā)現(xiàn)，各壩坡比情況下壩體潰決過程都經(jīng)歷了相同的發(fā)展階段，在漫頂水流開始下泄時均為小股水流，隨后出現(xiàn)沖溝；在水流的下切作用下沖溝不斷加深，形成固定的流路；隨后沖溝開始展寬，出現(xiàn)陡坎；整個潰壩過程都伴隨著壩體的坍塌現(xiàn)象。

壩坡比為1∶2 時，漫頂水流自引沖槽開始下泄，初始為小股水流，覆蓋壩面面積較?。? s后出現(xiàn)細沖溝，15 s 后沖溝不斷加深，水流形成固定流路；30 s 后沖溝繼續(xù)加深并且整體與壩面平行，同時橫向不斷展寬；40 s 后流量明顯增加，陡坎出現(xiàn)；70 s 多級小陡坎合并成大陡坎；75 s 后潰口橫向迅速展寬，不斷增大；77 s 時下游右側(cè)壩面發(fā)生坍塌；78 s 時壩頂潰口出現(xiàn)坍塌；85 s 時壩頂潰口出現(xiàn)大面積垮塌；100 s 后流過壩體的水流由上一級陡坎垂直跌入下一級陡坎，壩體在水流沖擊作用下，下切十分明顯；120 s 時壩頂再次出現(xiàn)小坍塌，潰口再次增大；155 s后在水流作用下，右側(cè)壩體不斷被掏蝕；180 s后水流對壩體的侵蝕效果不再明顯；240 s后趨于穩(wěn)定。壩坡比為1∶2時的壩體潰決過程如圖3所示。

壩坡比為1∶3 時，漫頂水流自引沖槽開始下泄，初始為薄層片狀水流，覆蓋面積較大，歷時20 s，薄層片狀水流流過的區(qū)域略有淺溝出現(xiàn)；歷時25 s，壩體下游出現(xiàn)2 條沖溝并逐漸向兩側(cè)擴展；50 s 時陡坎出現(xiàn)；75 s 時壩頂潰口逐漸增大；85 s 時壩體出現(xiàn)多級陡坎，同時2 條主溝對外不斷侵蝕壩面，對內(nèi)不斷侵蝕中心小島；135 s 時壩頂潰口出現(xiàn)坍塌，潰口變大，流量也呈現(xiàn)出增大趨勢；155 s時，水流主要流入右側(cè)主溝，并不斷沖刷兩側(cè)壩面，而左側(cè)主溝流入水量大幅減少；175 s 時，壩頂潰口再次變大，水流流量明顯加大；205 s 時中心小島在水流沖擊和自身重力作用下垮塌，2 條沖溝合并成1 條大沖溝；270 s 時，多級陡坎合并成2 個大陡坎；300 s 時水量逐漸減少，侵蝕作用大大減弱，直至320 s 趨于穩(wěn)定。壩坡比為1∶3 時的壩體潰決過程如圖4所示。

壩坡比為1∶4時，漫頂水流自引沖槽下泄，薄層片狀水流覆蓋大部分壩面，30 s 時，壩面開始出現(xiàn)多條淺溝；50 s 時，多條淺溝合并成3 條主溝；主溝不斷加深并向兩側(cè)展寬；75 s時，壩體上游出現(xiàn)陡坎，壩體中下游3 條主溝近似與壩面平行，陡坎不明顯；85 s 時，壩頂潰口變大，流量略有增加；90 s時，左側(cè)主溝水量明顯加大，中間主溝水量略有增加，右側(cè)主溝流量大幅減小，同時左側(cè)主溝下切和展寬速率明顯大于其他2 個主溝；95 s 時水流基本上不再從右側(cè)主溝流過；135 s 時，壩頂潰口再次加大，水流量也明顯增大，水流對壩體的侵蝕效果越發(fā)明顯，中間和左側(cè)主溝開始合并，整個壩體出現(xiàn)多級小陡坎；155 s 時，上游壩體受水流不斷掏蝕，在自重作用下發(fā)生坍塌；195 s 時，下游水流不斷掏蝕壩體；230 s 時，壩頂潰口再次增大，280 s時，壩體中游至壩頂形成2個大陡坎，壩體下游沖溝不斷加深，與壩面近似平行；340 s 時，水流緩慢流過沖溝，側(cè)向展寬不明顯，直至380 s 時沖刷穩(wěn)定。壩坡比為1∶4時的壩體潰決過程如圖5所示。

2.2 不同壩坡比潰壩結(jié)果對比分析

通過觀察分析，坡比從大到小，壩體依次出現(xiàn)沖溝的時間為5，20，30 s，從沖溝出現(xiàn)的時間可以得知，不同壩坡比在水流過壩后進入侵蝕狀態(tài)的速度不同，坡比越大進入侵蝕的速度越快。坡比從大到小，壩體依次出現(xiàn)沖溝的時間為40，50，75 s，多級小陡坎合并成大陡坎依次歷時70，270，315 s。結(jié)合小陡坎出現(xiàn)時間以及多級小陡坎合并成大陡坎所用的時間，壩體坡比大的陡坎發(fā)展和移動的速度較快，壩體坡比小的陡坎發(fā)展和移動的速度相對較慢，而陡坎沖蝕速度的大小決定了壩體的潰決速度，并且陡坎的移動速度在一定程度上表征著壩體潰決的程度。

漫頂潰壩試驗開始后，壩坡比為1∶2的壩體分別在77，78，85 和120 s 時發(fā)生坍塌，壩坡比為1∶3 和1∶4 的壩體分別在135 和155 s 時發(fā)生坍塌。對比不同坡比的壩體在水流和自身重力作用下的坍塌情況可知，坡比大的壩體受侵蝕時坍塌次數(shù)較多，坍塌頻率較高，而坡比小的壩體受侵蝕時坍塌次數(shù)較少，坍塌頻率較低。壩體的坍塌次數(shù)與頻率反映了壩體的潰決速度和程度。

對于不同坡比的壩體，從水流漫頂開始到侵蝕穩(wěn)定結(jié)束，坡比從大到小完成潰壩的時間依次為240，320，380 s，這說明坡比大的壩體完成潰壩比坡比小的壩體歷時較短。通過對比不同潰壩過程可知，坡比越陡，壩體受侵蝕的速率越快，下切深度較大，破壞程度較為嚴(yán)重。

2.3 壩頂潰口寬度的發(fā)展

壩體潰口發(fā)展變化實質(zhì)上是一個局部水流的快速沖刷問題，其中涉及到水流沖刷與土體崩塌的復(fù)雜物理過程。壩頂潰口發(fā)展的速度和大小很大程度決定了潰壩發(fā)展過程。壩頂潰口發(fā)展越快，說明壩體被水流沖刷的速度越快。當(dāng)壩頂潰口變化緩慢或者趨于穩(wěn)定時，說明過壩水流比之前顯著減少，此時正在經(jīng)歷潰壩的后期或末期，有助于對潰壩完成時間的判斷，為下一步工作的開展提供指導(dǎo)。從水流過壩開始計時，利用三維激光掃描儀每隔30 s自動對壩體進行掃描。通過后處理軟件對數(shù)據(jù)進行讀取，整理得到壩頂潰口寬度隨時間的變化過程，如圖6所示。通過分析圖6 數(shù)據(jù)可知，3 種不同壩體的壩頂潰口寬度均經(jīng)歷了前期逐漸增加、中期迅速展寬、后期緩慢發(fā)展并趨于穩(wěn)定3個階段。不同的是壩坡越陡，潰口展寬持續(xù)時間越短，展寬速度越大，潰壩整體完成時間越短。

3 結(jié) 論

（1）不同坡比的潰壩過程經(jīng)歷了相同的發(fā)展階段，均以小股水流侵蝕開始，其后有沖溝、陡坎出現(xiàn)，中間伴隨著壩體的局部坍塌，最后潰壩趨于穩(wěn)定。

（2）壩體發(fā)生洪水漫頂時，壩坡越陡，沖溝和陡坎出現(xiàn)的時間越短，陡坎移動的速率越快，壩體在水流和自重作用下發(fā)生坍塌的次數(shù)越多、頻率越高、歷時越短，壩體受到侵蝕越快，下切越深，破壞越嚴(yán)重。

（3）3 種不同坡比的潰口寬度均經(jīng)歷了前期逐漸增加、中期迅速展寬、后期緩慢發(fā)展并趨于穩(wěn)定3 個階段。壩坡越陡，中期持續(xù)時間相對較短，壩頂潰口展寬速度較大，潰壩發(fā)展的速度越快，大潰口形成時間越短，潰壩進入快速發(fā)展階段越快。