浑水渗流试验研究

李晓丹　樊疆星　张潜　施禹行

摘 要：现实中常常面临浑水渗流问题，而这方面的理论却并不多。浑水渗流具有随时间增长，渗流水中悬浮物不断沉积，导致地层渗透系数和整体渗透系数都不断变化的特点。浑水渗流是一个变水头非稳定渗流过程，尤其在黄河灌区，这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性的影响，还有浑水在坝前淤积对绕坝渗流的影响。通过试验，测定了尾矿砂的颗粒级配曲线。开展了相同入渗水头，相同浑水含沙量，相同级配尾矿砂条件下浑水渗流试验研究。分析了渗流量随时间的变化情况以及浑水渗流对尾矿坝的影响。

关键词：颗粒级配 浑水渗流 渗流量

中图分类号：TV641 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0043-02

Abstract：During the experiments； we determined the grain grading curve of the last placer. The muddy water infiltration sand column pores experiment is under the condition of the same infiltration head， the same muddy sediment concentrations and using last placer of the same grading. We analyzes the head height change with time variation and the influence of the tailings dam which is caused by muddy water seepage.

Key Words：Grain grading；Muddy water seepage

常见的稳定渗流和非稳定渗流都已经有了成熟的渗流理论，但这些理论都是清水渗流的基础上成立的。现实中常常面临浑水渗流问题，而这方面的理论却并不多。浑水渗流具有随时间增长，渗流水中悬浮物不断沉积，导致地层渗透系数和整体渗透系数都不断变化的特点。浑水渗流是一个变水头非稳定渗流过程，尤其在黄河灌区，这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性的影响，还有浑水在坝前淤积对绕坝渗流的影响。因此，对浑水渗流理论的研究对生产时间具有重要的理论价值和应用价值。

1 试验概况

1.1 试验实施方案

试验所用尾矿砂取自首钢集团典型的尾矿库，试验前先后完成了尾礦砂的颗粒分析试验和矿物成分的分析试验，对尾矿砂的颗粒级配以及矿物组成进行分析，并在力学试验中心完成了不同固结状态下尾矿砂的三轴应力应变试验，得到了尾矿坝的基本模型参数。

1.2 试验步骤

（1）安装试验仪器，检查装置气密性没有问题后即开始试验。自动搅拌系统准备完毕，将其中的清水排尽后注入浑水直至溢流口有水均匀流出，同时打开试验砂柱上下端的阀门，并以此作为计时零点。

（2）当一个试验结束后，换一个砂柱，改变试验条件再进行上述（1）步骤，做平行试验。

（3）整理试验数据，分析浑水渗流量随时间的变化。

1.3 试验说明

浑水入渗试验结束时，在砂柱上端出现沉积现象，并且随着浑水浓度的增大而愈发明显。在试验过程中，虽然各层土间水头差在逐渐增大，但是侧管中的水头高度在试验过程中也在逐渐降低，同时上水头高度却恒定不变，这说明在砂柱上表面出现了沉积导致的於堵，且随浓度的增大而愈发明显。

上述现象说明，浑水入渗作用下，表面於堵伴随着内部於堵同时发生。导致表面於堵最主要的原因是浑水中粗颗粒的沉积，影响了砂柱的渗透性及结构特征，形成的新的入渗土体使得入渗路径增长，引起小颗粒滞留，进而造成於堵。

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

2.1.1 用筛析法测得结果。

（1）各层筛子上土粒质量，如表1。

（2）该土的颗粒级配曲线如图1。

2.1.2 试验浑水颗粒的确定

经过多年发展，现在的选矿工艺已经得到大幅度提高，尾矿浆中颗粒粒径不断减小，因此选择150目以下粒径颗粒作为浑水颗粒（表2）。

2.2 试验结果和分析

与清水单项渗流不同的事，浑水入渗过程中，因为有固体颗粒的存在，其入渗过程实际上是固液两相入渗。正因为此，在渗流量、侧管水头、浑水颗粒沉积滞留分布特征方面也与清水渗流有所不同。

2.2.1 渗流量随时间变化的情况（图2）

从变化曲线可以看出，浑水入渗过程中，渗透系数并不是保持恒定不变，而是随着时间的增长出现一定幅度的降低，并且开始时降低得比较快，然后逐渐变缓，最后趋于稳定。这是因为入渗初期，颗粒较分散，孔隙较大，渗透系数也较大；随着时间的变化到了入渗的中期，大颗粒逐渐沉积，孔隙减小，小颗粒沉积，孔隙进一步减小，渗透系数出现一定幅度的降低；入渗后期，颗粒已基本沉积完全，孔隙无法通过渗流进一步减小，因此渗透系数最终趋于稳定。

2.2.2 不同颗粒粒径对渗流的影响

试验根据尾矿坝实际情况，选用经加工后的尾中砂和尾粗砂进行试验，考虑砂柱粒径大小对浑水入渗的影响，对比了0.5～1 mm粒径和0.25～0.5 mm粒径砂柱在相同浓度和相同水头高度下的入渗情况。试验表明，颗粒粒径越大的，颗粒骨架间形成的孔隙空间也越大，在孔隙通道处的水动力也越大，浑水颗粒在水流作用下在砂柱骨架中更方便运移。因此，颗粒越大的，浑水颗粒在砂柱中分布越均匀。

由以上试验结论分析尾矿坝中的渗流。浑水入渗作用下，首先会因为浑水颗粒与尾矿颗粒形成的孔隙之间的相对作用发生颗粒分选，颗粒比较大的被滞留在坝体表面形成表面的初步颗粒骨架，颗粒小的进入坝体中继续发生运移。在坝体内部运移的小颗粒，一部分运移到比自身粒径小的孔隙时在坝体内部发生滞留堵塞，从而形成新的土体骨架；一部分颗粒则会因水力和自身重力以及范德华力等因素在坝体多孔介质中发生沉积和滞留而降低坝体渗透性。随着浑水颗粒逐渐增多，孔隙空间不断减少，淤堵逐步加强，会出现局部水力增大的情况，这部分浑水颗粒则会在水流的作用下继续发生运移，往坝体深部继续运动。这样就发生了浑水入渗作用下，在坝体内部滞留量随深度的增加而减少的分布情形。在尾矿坝中就体现为：日积月累，逐渐形成了上粗下细的分布情况。

3 结论

根据上述试验，可得到如下结论：

尾矿坝的淤堵情况与坝体颗粒的大小、以及浑水浓度有密切关系。

参考文献

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