王 亮， 王 凱， 劉星星， 盛金昌， 胡云進(jìn)

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098； 2.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，杭州 310000；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000）

我國大量的能源和原材料都依賴于礦產(chǎn)資源［1］. 開發(fā)礦業(yè)的同時帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題，礦山尾礦累計現(xiàn)已達(dá)到45 億t［2］. 現(xiàn)今，我國主要利用修筑尾礦庫堆存尾礦，然而在這些尾礦庫中，正常運行的庫不足70%［3］. 當(dāng)滲透變形條件滿足后，在尾礦壩體內(nèi)將發(fā)生管涌等破壞［4］. 尾礦庫一旦潰壩，將會對人民的生命和財產(chǎn)造成巨大威脅，而潰壩漿體演進(jìn)規(guī)律直接影響著災(zāi)害程度，因此，探索潰壩漿體的演進(jìn)規(guī)律對潰壩災(zāi)害影響顯得尤為重要.

針對潰壩漿體演進(jìn)，各界學(xué)者在研究過程中使用了不同的實驗方法. 王又武等［5］修正經(jīng)驗公式，探討了適合尾礦庫潰壩的水力計算方法和對下游危害程度等問題；Pastor等［6］利用數(shù)值模擬，基于彈塑性有限元、動量守恒和質(zhì)量守恒定理建立了尾礦庫潰壩模型，計算了潰壩漿體深度隨時間的變化；Sun等［7］采用物理模型試驗方法，利用高速攝影機、雷達(dá)、LGY-Ⅲ流量計對尾礦庫潰決過程中的物理量進(jìn)行監(jiān)測，探索了尾礦庫漫頂破壞. 學(xué)者們利用經(jīng)驗公式分析漿體演進(jìn)時，多借鑒泥石流的相關(guān)研究［8-9］，而尾礦庫潰壩形成的漿體顆粒粒徑極細(xì)且單一，鮮有巨礫和塊石，下游地形坡度較小，存在一定差異；尾礦漿體在下泄流動過程中其物理力學(xué)特性將沿程發(fā)生變化，出現(xiàn)水砂分離現(xiàn)象，而目前，國內(nèi)外在進(jìn)行二維水砂流動分析時，通常將潰壩下泄的尾礦漿體視為性態(tài)不變的均勻牛頓流體或非牛頓流體［10-11］，這樣的假定往往導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況差距很大. 本文通過室內(nèi)物理模型試驗，再現(xiàn)尾礦壩潰壩漿體下泄流動，研究潰壩漿體動力學(xué)問題及流態(tài)演進(jìn)規(guī)律.

尾礦庫潰壩后漿體下泄流動規(guī)律的影響因素多種多樣，學(xué)者們相繼開展了一系列由不同主導(dǎo)因素影響下的潰壩物理模型實驗. Blight等［12］研究了南非5座環(huán)形尾礦庫潰壩情況，發(fā)現(xiàn)潰壩漿體的下泄距離和地表的干濕狀態(tài)有關(guān)；Zhang等［13］為探討不同試驗條件下（壩頂寬度與壩坡比不同）泥砂深度的變化范圍，利用室內(nèi)水槽裝置，開展了13組漫頂潰壩試驗；Rico［14］等通過收集大量尾礦庫潰壩資料，建立尾礦庫幾何參數(shù)如壩高、庫容量等與下泄尾礦漿體水力特征之間的關(guān)系；王永強和張繼春［15］以四川省平川鐵礦尾礦庫為試驗原型，著重分析潰壩漿體在復(fù)雜地形中沖擊壓力、淹沒高度的變化規(guī)律；許志發(fā)等［16］針對四川某尾礦庫探討三種不同下游坡降對尾礦漿體下泄演進(jìn)規(guī)律的影響；敬小非等［17］利用尾礦壩潰決破壞模擬試驗臺，探索了壩體在1/4、1/2 以及全部瞬間潰決三種潰口形式下尾礦漿體下泄流動特性；尹光志等［18］針對不同高度尾礦壩瞬間全潰后泥漿流態(tài)演進(jìn)規(guī)律及動力特性進(jìn)行了詳細(xì)研究；黨顯璋等［19］分別進(jìn)行了松散狀態(tài)、稍密狀態(tài)、密實狀態(tài)下3 種不同堆積密實度的尾礦庫洪水漫頂潰壩模型試驗. 學(xué)者們對影響因素的研究多集中在尾礦壩物理或幾何參數(shù)、下游演進(jìn)通道特征，實際上，尾礦漿體本身性質(zhì)對其下泄流動有重要影響. 其中，尾礦漿體的漿體濃度是其最基本的性質(zhì)之一，反映了漿體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)強度，又控制著力學(xué)性質(zhì)和運動規(guī)律；隨著庫區(qū)沉積時間的改變，尾礦漿體的固結(jié)度及初始空間豎向濃度分布均出現(xiàn)不同程度的變化. 因此，不同庫區(qū)漿體濃度、沉積時間的尾礦漿體在下游所表現(xiàn)出的流動特性具有較大差異性. 本文選擇了這兩個影響因素，深入探討了庫區(qū)沉積固結(jié)現(xiàn)象及下泄過程中由于水砂分離導(dǎo)致的粗細(xì)尾砂不同的沿程沉積規(guī)律.

1 尾礦漿體流動試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

開展不同庫區(qū)漿體濃度、庫區(qū)沉積時間的尾礦漿體流動試驗，探討尾礦壩潰壩后尾礦漿體的下泄演進(jìn)規(guī)律.

1.2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

尾礦漿體流動試驗?zāi)Ｐ陀稍囼灢酆土鲬B(tài)記錄系統(tǒng)組成. 試驗槽由尾礦庫區(qū)（盛放尾礦漿體），流通區(qū)（漿體下泄通道）和堆積區(qū)三部分組成，如圖1與圖2所示.

圖1 漿體流動試驗槽示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of slurry flow test tank

圖2 漿體流動試驗槽實物圖Fig.2 Solid figure of slurry flow test tank

1）尾礦庫區(qū)：兩側(cè)壁和底面采用透明有機玻璃制成，尺寸為長×寬×高=120 cm×50 cm×70 cm，每側(cè)壁安裝有3把深度測量標(biāo)尺，間隔60 cm.

2）流通區(qū)：兩側(cè)壁和底面采用透明有機玻璃制成，尺寸為長×寬×高=350 cm×50 cm×70 cm，設(shè)置1～8 號共8 個測點. 1 號測點距閘門25 cm，1～4 號測點間隔25 cm，用以精確觀測各項試驗數(shù)據(jù)；4～8 號測點間隔50 cm. 每個測點的試驗槽側(cè)壁處繪制深度測量標(biāo)尺，底面繪制白色標(biāo)識實線，每條標(biāo)識實線的上游和下游分別間隔5 cm各繪制2條輔助標(biāo)識虛線. 庫區(qū)與流通區(qū)之間使用木質(zhì)閘門隔離，設(shè)置尾礦庫區(qū)及流通區(qū)的坡度i=1/36.

3）堆積區(qū)：承接流通區(qū)末端，尺寸為長×寬×高=200 cm×150 cm×70 cm，用以觀察尾礦漿體在下游的擴散情況.

4）流態(tài)記錄系統(tǒng)：采用6臺高清攝像機分段全程錄制潰壩漿體演進(jìn)過程，分別為：流通區(qū)架設(shè)5臺高清攝像機，其中3臺分別架設(shè)在2～3號、5～6號、7～8號測點之間，2臺分別架設(shè)在5號測點和流通區(qū)尾部；堆積區(qū)架設(shè)1臺高清攝像機.

其一，這個理念的前身由1811年前后在羅馬創(chuàng)作的一批德國畫家所提出并身體力行，這個北歐人群體被稱為“拿撒勒畫派”，他們都是虔誠的基督徒，兩位首領(lǐng)分別叫奧沃貝克和科涅利烏斯。拿撒勒畫派過著中世紀(jì)隱修士般的生活，厭惡浮華的物質(zhì)文明，包括文藝復(fù)興那段歷史，在他們眼中，文藝復(fù)興的藝術(shù)就是世俗享樂和異教精神的象征，以拉斐爾的繪畫為典型，以其為榜樣從藝無異于自甘墮落；只有拉斐爾之前的藝術(shù)才能體現(xiàn)最真誠的信仰。因此，他們懷揣著崇敬，學(xué)習(xí)早期意大利畫家的藝術(shù)，不久，這個理念便經(jīng)由一位叫做威廉·戴斯的蘇格蘭畫家傳播到了英國。

1.3 試驗方案和試驗量測內(nèi)容

本次試驗設(shè)計了3 個實驗組分別為20%、40%和60%尾礦漿體（指尾礦漿體中尾礦砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體配置見下文2.1小節(jié)），每組又分別設(shè)計了3 種沉積時間，分別為0 h、5 h 和20 h，共9組試驗，如表1所示. 每組均測量下泄體積比、前鋒流速、沿程淹沒深度、沿程沉積粒徑.

表1 試驗方案Tab.1 Test scheme

本次試驗采用瞬間潰壩方法，在潰壩瞬間同時啟動攝像機采集數(shù)據(jù). 具體監(jiān)測內(nèi)容及方法如下：

1）尾礦漿體下泄體積比：通過測量記錄庫區(qū)內(nèi)漿體總深度及潰壩前后尾礦深度，計算漿體下泄體積比.

2）尾礦漿體前鋒流速：采用拉格朗日法，選用漂浮的白色泡沫球作為示蹤粒子，通過攝像機錄制觀測下泄?jié){體演進(jìn)過程中泡沫球到達(dá)各測點標(biāo)識實線上游及下游輔助標(biāo)識虛線的時間間隔，計算下泄?jié){體的前鋒流速.

3）尾礦漿體沿程淹沒深度：通過3 臺分別架設(shè)在流通區(qū)2～3號、5～6號、7～8號測點之間的攝像機，根據(jù)測點的試驗槽側(cè)壁處繪制的深度測量標(biāo)尺，分段錄制觀測整個漿體演進(jìn)過程中1～8號測點處下泄?jié){體的深度變化情況.

4）尾礦漿體沿程沉積粒徑：潰壩結(jié)束后在每個測點處取尾礦樣并烘至恒重，采用篩分法測定沿程沉積尾礦顆粒級配變化情況.

1.4 尾礦砂來源及其尾礦漿體流變特性

試驗所用的尾礦砂由金堆城鉬業(yè)汝陽有限責(zé)任公司提供. 通過對現(xiàn)場取回的尾礦砂進(jìn)行烘干、碾碎、除雜等處理，并依據(jù)《土工試驗規(guī)程》，采用篩分法，選用不同目數(shù)篩網(wǎng)，通過振篩機振搗并分別稱重，最終得到試驗用尾礦砂的顆粒粒徑分布，如圖3 所示. 通過配制10%～70%尾礦漿體，基于賓漢流體模型，利用旋轉(zhuǎn)黏度計探究了尾礦漿體密度和流變特性［20］隨漿體濃度的變化規(guī)律.

圖3 尾礦砂顆粒級配曲線Fig.3 Particle gradation curve of tailing sand

2 庫區(qū)尾礦顆粒運移研究

2.1 配置階段

經(jīng)多次試驗論證，尾礦庫區(qū)的漿體深度取40 cm，即漿體體積為0.24 m3，能夠得到較好的試驗結(jié)果，故本試驗中尾礦庫區(qū)漿體深度均設(shè)計為40 cm. 計算3 組不同濃度尾礦漿體分別所需的尾礦砂和清水質(zhì)量，如表2所示，使用電子臺秤稱取對應(yīng)質(zhì)量的尾礦砂和清水倒入庫區(qū)，使用兩臺RE-190型攪拌機攪拌10 min，確保庫區(qū)內(nèi)尾礦漿體充分?jǐn)嚢璨⑻幱诰鶆驙顟B(tài)（圖4）.

圖4 攪拌均勻的尾礦漿體Fig.4 Uniformly stirred tailings slurry

表2 尾礦砂和清水質(zhì)量Tab.2 Qualities of tailings and clear water

2.2 沉積固結(jié)階段

在靜置5 h和20 h的試驗方案中可見：沉積階段，尾礦顆?？焖傧鲁炼逊e，漿體中自重遠(yuǎn)大于浮力和黏滯力的粗顆粒全部下沉到庫區(qū)底部，形成具有一定強度的沉積物，自重略大于浮力和黏滯力的較粗粒徑顆粒通過與下部水體的置換緩慢下沉，同時，上移的置換水體產(chǎn)生上托及擾亂作用，并隨機帶動小部分細(xì)顆粒上移，細(xì)顆粒懸浮于上覆水體中，最后形成泥-水分界面；固結(jié)階段，土骨架在自重作用下進(jìn)一步壓密，泥-水分界面緩慢下降，上覆水體較渾濁，此時能觀察出分選沉積現(xiàn)象，顆粒粒徑由上往下逐漸增大（圖5）.

圖5 固結(jié)完成的尾礦漿體Fig.5 Solidified tailings slurry

2.3 開啟閘門瞬間

開閘后，庫水與上部細(xì)粒尾礦組成泥流率先下泄，隨后中部較粗粒沉積尾礦逐漸啟動下泄，而底部粗粒徑尾礦滯留于庫區(qū)不發(fā)生下泄（圖6）.

圖6 滯留庫區(qū)的尾礦料Fig.6 Tailings retained in reservoir area

2.4 漿體濃度和沉積時間對下泄體積比影響

圖7為20%尾礦漿體在不同沉積時間下，潰壩前后尾礦庫區(qū)漿體深度等比例示意圖. 尾礦漿體濃度較小，漿體中清水含量較大，隨著沉積時間增大，沉積尾礦深度減小，固結(jié)度和抗剪強度增大，下泄量減小.潰壩前，沉積5 h 尾礦深度比20 h 平均約大0.1 cm；潰壩后，沉積5 h 殘余尾礦深度比20 h 平均約小0.3 cm.沉積0 h、5 h和20 h三組潰壩試驗尾礦漿體下泄體積比分別約為97%、88%和87%（由于尾礦庫區(qū)坡度調(diào)整為i，故潰前漿體總深線存在斜率i）.

圖7 20%尾礦漿體潰壩前后庫區(qū)尾礦深度Fig.7 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 20%concentration tailings slurry

圖8為40%尾礦漿體在不同沉積時間下，潰壩前后尾礦庫區(qū)漿體深度等比例示意圖. 與20%質(zhì)量濃度相比，隨著尾礦質(zhì)量濃度增大，沉積5 h與20 h兩組試驗潰壩前后庫區(qū)漿體深度差值增大，下泄量減少. 潰壩前，沉積5 h 尾礦深度比20 h 平均約大1 cm；潰壩后，沉積5 h 殘余尾礦深度比20 h 平均約小1 cm. 沉積0 h、5 h和20 h三組潰壩試驗尾礦漿體的下泄體積比分別約為97%、83%和80%.

圖8 40%尾礦漿體潰壩前后庫區(qū)尾礦深度Fig.8 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 40%concentration tailings slurry

圖9為60%尾礦漿體在不同沉積時間下，潰壩前后尾礦庫區(qū)漿體深度等比例示意圖. 隨著尾礦質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大，沉積5 h與20 h兩組試驗潰壩前后庫區(qū)漿體深度差值進(jìn)一步增大，下泄量進(jìn)一步減小. 潰壩前，沉積5 h 尾礦深度比20 h 平均約大1.7 cm；潰壩后，沉積5 h 殘余尾礦深度比20 h 平均約小2.5 cm. 沉積0 h、5 h和20 h三組潰壩試驗漿體下泄體積比分別約為97%、60%和54%.

圖9 60%尾礦漿體潰壩前后庫區(qū)尾礦深度Fig.9 The depths of tailings in reservoir area before and after dam break with 60%concentration tailings slurry

由圖10 可知，3 組沉積0 h 潰壩試驗尾礦漿體幾乎全部下泄，濃度對漿體下泄量影響甚微；其余6 組潰壩試驗，隨著尾礦濃度和沉積時間增大，固結(jié)度和抗剪強度越大，潰后庫區(qū)滯留尾礦深度均增大，漿體下泄體積比均減小.

圖10 漿體下泄體積比與濃度、沉積時間三維圖Fig.10 Three-dimensional diagram of slurry discharges，concentrations and deposition times

3 沿程水砂分離現(xiàn)象研究

3.1 測點級配曲線分析

統(tǒng)計了9 組試驗所有有效測點沉積尾礦的顆粒級配曲線后發(fā)現(xiàn)，在約八成曲線中，40 μm 以下的土粒含量小于3%，最大值僅為13.85%，而通過試驗所用尾礦砂的顆粒粒徑分布曲線可知，45 μm以下的土粒含量為67.93%，即在潰壩過程中，水和細(xì)粒尾礦組成泥流快速下泄至遠(yuǎn)方，而粗粒組尾礦則逐漸發(fā)生沿程沉積，表現(xiàn)出水砂分離現(xiàn)象（沉積0 h的潰壩試驗的6～8號測點處以及沉積5 h和20 h的潰壩試驗的7～8號測點處均出現(xiàn)不同程度的回水現(xiàn)象，對沿程沉積尾礦顆粒級配產(chǎn)生影響，均不考慮）.

3.2 粗粒組沿程沉積規(guī)律

取潰壩結(jié)束后攝影機中深度測量標(biāo)尺記錄的淹沒深度作為尾礦粗粒組沿程沉積深度.

庫區(qū)沉積時間0 h時，粗粒組沿程沉積深度在1 cm范圍內(nèi)波動，屬于一個較小的量級，這是因為沉積0 h情況下，尾礦砂和水經(jīng)攪拌混合均勻后直接下泄，并未出現(xiàn)明顯水砂分離現(xiàn)象，大量砂水混合物直接下泄到堆積區(qū)，流通區(qū)僅有少量粗砂沉積.

圖11 為庫區(qū)沉積時間20 h 時，不同濃度尾礦漿體粗粒組沿程（1～6 號測點）沉積深度變化曲線圖，沉積5 h時的規(guī)律與沉積20 h時的規(guī)律類似. 分選沉積現(xiàn)象使庫區(qū)內(nèi)越靠近底部的尾礦顆粒粒徑越大，質(zhì)量濃度越大，固結(jié)度和抗剪強度越大，潰壩發(fā)生后，由上部細(xì)粒尾礦和上覆水體組成的泥流迅速下泄至堆積區(qū)尾部并產(chǎn)生回流，同時中部較粗粒尾礦緩慢向下游推進(jìn)，在推進(jìn)過程中不斷有顆粒沉積于流通區(qū)，流通區(qū)的前鋒流速沿程增大，距離閘門越近，顆粒越不易起動，故粗粒組沉積深度沿程減小. 庫區(qū)沉積時間一定，質(zhì)量濃度越大，下泄至流通區(qū)的尾礦顆粒越多，同一測點處的粗粒組沉積深度呈增大趨勢.

圖11 庫區(qū)沉積20 h時粗粒組沿程沉積深度變化圖Fig.11 Variations of sedimentary depths along coarse-grained formation in reservoir area at 20 h

圖12 為尾礦漿體60%時，不同庫區(qū)沉積時間尾礦漿體粗粒組沿程（有效測點）沉積深度變化曲線圖，20%、40%的規(guī)律與之相似. 從宏觀上看，粗粒組沿程沉積深度呈現(xiàn)減小趨勢；橫向比較，庫區(qū)沉積0 h時，尾礦砂和水經(jīng)攪拌混合均勻后直接下泄，并未出現(xiàn)明顯水砂分離現(xiàn)象，大量砂水混合物直接下泄到堆積區(qū)，流通區(qū)僅有微量粗砂沉積；庫區(qū)沉積20 h 時，尾礦漿體具有三組試驗中最大的固結(jié)度和抗剪強度，潰壩發(fā)生后，大量粗粒組滯留于尾礦庫區(qū)，并未下泄至流通區(qū)，導(dǎo)致沿程沉積深度偏低.

圖12 60%尾礦漿體時粗粒組沿程沉積深度變化圖Fig.12 Variations of sedimentary depths along coarse-grained formation with 60%concentration tailings slurry

4 結(jié)論

本文開展了尾礦漿體流動模型試驗，系統(tǒng)研究分析了庫區(qū)沉積固結(jié)現(xiàn)象及下泄過程中由于水砂分離導(dǎo)致的粗細(xì)尾砂不同的沿程沉積規(guī)律，得到的基本結(jié)論如下：

1）在尾礦庫區(qū)，靜置后觀察到：沉積階段，粗顆粒全部下沉到庫區(qū)底部，形成具有一定強度的沉積物，較粗粒徑顆粒通過與水體的置換緩慢下沉，細(xì)顆粒懸浮于上覆水體中，最后形成泥-水分界面；固結(jié)階段，土骨架在自重作用下進(jìn)一步壓密，泥-水分界面緩慢下降，上覆水體較渾濁，此時能看出分選沉積現(xiàn)象，顆粒粒徑由上往下逐漸增大；瞬時潰壩時，庫水與上部細(xì)粒尾礦組成泥流率先下泄，隨后中部較粗粒沉積尾礦逐漸啟動下泄，而底部粗粒徑尾礦滯留于庫區(qū)不發(fā)生下泄. 沉積0 h時，尾礦漿體處于均勻狀態(tài)幾乎全部下泄，質(zhì)量濃度對下泄量影響甚微；尾礦漿體出現(xiàn)不同程度沉積固結(jié)現(xiàn)象時，隨著尾礦漿體濃度和沉積時間增大，潰后庫區(qū)滯留尾礦深度增大，漿體下泄量減小.

2）在流通區(qū)，下泄中出現(xiàn)水砂分離現(xiàn)象，水和細(xì)粒尾礦組成泥流快速下泄至遠(yuǎn)方，而粗粒組尾礦則逐漸發(fā)生沿程沉積，且沿程沉積深度呈現(xiàn)減小趨勢，庫區(qū)漿體濃度越大，下泄至流通區(qū)的尾礦顆粒越多，沿程沉積深度越大；庫區(qū)沉積時間過短，粗粒組基本隨水流下泄至遠(yuǎn)方，不發(fā)生沿程沉積，庫區(qū)沉積時間過長，滯留于庫區(qū)的粗粒組增多，均導(dǎo)致沿程沉積深度減小.

在本次實驗中，受堆積區(qū)限制，潰壩漿體回流現(xiàn)象對其流動特性產(chǎn)生一定影響，建議未來增大堆積區(qū)面積，從而更加真實反映潰壩漿體下游演進(jìn)情況，水砂分離情況直接影響著下游的受災(zāi)范圍和程度，相關(guān)報道卻并不多，需進(jìn)行深入研究.