尾矿库溃坝研究进展

姜清辉,胡利民,林 海

(1.南昌大学建筑工程学院,江西 南昌 330031; 2.武汉大学土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072)



尾矿库溃坝研究进展

姜清辉1,2,胡利民1,林 海1

(1.南昌大学建筑工程学院,江西 南昌 330031; 2.武汉大学土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072)

总结分析了近年来国内外尾矿库溃坝致灾机理、尾砂力学性质及溃坝流体性质、溃坝影响范围和预警及防治措施等领域的研究进展。总体而言,尾矿库溃坝研究方面已积累了一定的基础和经验,然而在许多领域有待进一步深入系统的研究;尾砂不同于常规土料,相关研究目前多针对具体工程,尾砂的力学性质的系统研究有助于提升尾矿库溃坝安全评价水平;物理模型试验法和数值模拟方法是目前预测尾矿库溃坝影响范围的主要手段。指出了当前尾矿库溃坝研究及灾害防治方面的几个关键问题,建议从新试验技术、尾砂及溃坝流体性质和筑坝工艺等方面突破研究。

尾矿库;溃坝;尾砂;灾害防治

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的,用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所,由于其存在溃坝危险,会对下游居民及设施的安全造成威胁,导致很多环境和灾害问题[1]。截至2014年底,全国共有尾矿库11 359座,其中绝大部分采用上游法堆筑,这些尾矿库潜在风险高,其安全形势不容乐观[2]。尾矿库溃坝事故时有发生,加之矿企及相关部门对尾矿库溃坝机理和致灾因素认识不足,最终导致的结果令人触目惊心。与拦水坝等结构不同,尾矿库的筑坝材料性质、筑坝方式和溃坝机理等方面更为复杂[3]。根据《国家安全监管总局等七部门关于印发深入开展尾矿库综合治理行动方案的通知》(安监总管一[2013]58号)的要求,尾矿库区大都需要通过溃坝模拟试验研究来对尾矿库区下游村庄的溃坝淹没范围和影响程度进行评估,而尾矿库的溃坝研究涉及土力学、水力学和泥水动力学等相关学科,这使得相关研究具有一定难度。本文从尾矿库工程溃坝安全评价的角度对相关研究进展进行了综述,指出了我国尾矿库工程理论研究中存在的不足。

1 尾矿库溃坝致灾机理

国内外曾多次发生尾矿库溃坝的重大事故,表1为一些典型的尾矿库溃坝事件。从表1可以发现,导致尾矿库溃坝的原因很多,并且事实上往往是多个致灾因素共同作用的结果。尾矿库溃坝的致灾机理主要包括渗透破坏、洪水漫顶、地震液化、坝坡过陡、滑坡和尾矿坝裂缝演化等[4]。

表1 国内外尾矿库溃坝事故

1.1 渗流作用

长期以来,尾矿库渗流问题一直是研究的一个难点,也是矿山安全领域一直研究的热点。浸润线被誉为尾矿库的“生命线”,其位置反映了坝体排水的综合性能,浸润线的埋深是影响尾矿坝稳定性的主要因素之一[5]。超标准暴雨、洪水和排水设施失效等常常使得尾矿坝内浸润线升高,进而诱发渗流破坏。对于尾矿坝而言,当渗透变形条件满足后,在尾矿坝体内将发生管涌。而发生管涌后尾砂的材料性质将发生变化,导致尾砂的渗透性增强,同时抗剪强度和变形模量降低。目前,工程中考虑渗流问题首先要确定坝体内部浸润线的位置。浸润线以下的尾砂固结速度缓慢,近乎饱和状态的尾砂使得坝体自重增加、抗剪强度降低和有效应力减小等,对坝体的稳定性极为不利。此外,在外力作用下,渗流场中会发生水力坡降,导致坝体应力重分布,当满足适宜条件后,坝内逐渐形成渗流通道,尾砂颗粒被渗流带走,导致坝体内部发生破裂或局部塌陷从而形成管涌,最终尾矿库大幅度塌陷从而溃坝。

由渗流引起的尾矿库溃坝引起了工程人员和学者们的重视。采用现场排放的尾砂为试验材料,敬小非等[6-7]通过堆坝试验研究了尾矿堆积坝在洪水情况下发生垮塌破坏机制和尾矿沉积分布特征,试验着重分析了尾矿坝内浸润线的变化和溃决过程中坝坡的位移矢量演化、坝体渗透破坏的发展过程等。张力霆等[8]采用自行研发的尾矿库模型试验平台,分析了由于坝体排渗系统失效导致浸润线持续升高而诱发的尾矿库溃坝机制。由于细粒尾砂的渗透性要低于粗粒尾砂,细粒尾砂堆积坝内的浸润线要高于粗粒尾砂堆积坝,这样一来不同粒度尾矿坝的渗透安全性存在差异[5]。长时间暴雨会升高尾矿坝内的浸润线,有研究[9]表明降雨量与坝体稳定性近似呈线性关系。尾矿库中的渗流问题非常复杂,已有的试验研究多局限于定性层面上。由于缩尺土力学试验很难实现较好的相似性,关于尾矿库渗透的试验研究成果能否反映工程实际情况值得商榷。数值分析方法是尾矿库渗流分析的重要手段,常以实际工程为依托,将分析结果与实际勘测值进行对比分析[10-11]。考虑尾矿性质变化的耦合渗流模型及参数设定是尾矿库数值分析的难点,准确而实用的数值模型将大幅度提升尾矿库工程的评估水平。

和尾矿库渗流相关的理论和试验研究仍有许多方面值得不断深入开展。Yin等[12]采用自行研发的试验观测设备,对渗流作用下尾矿微观结构变化进行了研究,认为尾砂的渗透破坏过程类似于土体,即微小颗粒被渗透水流冲走后使得尾砂承重骨架发生松动,进而导致尾砂内部发生明显的沉降或失稳。尾砂加筋料在一定程度上会改变尾砂的渗透性,但对于其微观机理尚不明确[13]。关于尾矿库渗流的研究取得了一定的成果,但也有很大的局限性。影响尾矿库渗流的因素很多,现有的研究多考虑比较单一的因素,考虑多因素耦合作用(例如考虑应力、变形和渗透的动态耦合)的尾矿库渗流分析将是未来的主要研究方向之一。另外,尾矿库渗流的动力学参数及其环境效应等方面有待深入研究。

1.2 洪水漫顶

尾矿库多依山而建,遇到强降雨或大量水流汇聚时,库内水位短时间上升,加之坝体渗透性低，雨水来不及排出,造成洪水漫顶而严重影响坝体稳定性。尾矿坝可以完全是土石坝(一次筑坝),也可以由尾砂分期堆筑形成。根据我国1954—2000年间水库大坝的溃决统计情况和尾矿库事故统计分析,漫顶是导致溃坝事故的主要原因之一[14]。

对于一次筑坝类型的尾矿库,其漫顶溃坝研究可以参照一般土石坝。一次筑坝的尾矿库与水库有一定的相似性,由于此类尾矿库中的存水量远小于一般水库,因此参照水库进行设计管理更偏于安全。在过去的几十年中,世界各国先后进行了大量不同尺度的土石坝溃决模型试验，这其中既包括大尺度的野外模型试验,也包括在实验室内进行的小尺度溃决模型试验。考虑到溃坝模型试验的难度较大,数值模拟成为溃坝研究的重要手段,但如果缺少实测资料和模型试验的验证,数值模拟的可信度难以保证。无论何种材料构筑的堤坝,在发生漫顶情况下,其下游坝面的冲刷在开始阶段是缓慢渐进的。当冲刷最终发展到坝顶上游边缘后,溃决过程将十分迅速剧烈,并且首先向下发展到坝脚,随后才向两侧发展,溃口边壁在溃决过程中几乎垂直。坝体形式、筑坝材料、施工工艺及溃口位置都对溃口发展过程有较大影响。有研究成果[14]表明坝体材料的性质是影响溃决发生时间、溃口发展速率的重要因素。

20世纪我国针对一些具体工程(如三峡工程、板桥水库等)开展了相关的溃坝模型试验研究,同样近年来我国在土石坝漫顶破坏机理研究方面也取得了一定的成果。我国学者通过试验总结出了一些经验公式,坝体材料性质的差异使得大部分经验公式的应用有较大的限制。“陡坎”冲刷机制在由黏性混合土料填筑的堤坝溃决过程中扮演着非常重要的角色;对于砂质堤坝,其溃决过程主要由水流剪切冲刷主导,砂-粉砂-黏土混合料中的黏性土部分极大地减缓了堤坝溃决冲刷的速度[15-16]。Zhang等[17]依据我国均质黏性土坝一般黏粒含量范围,在世界上首次开展了尺度最大、涵盖黏粒粒径范围最广的均质黏性土坝漫顶溃决试验(最大坝高达9.7 m,坝体黏聚力范围为7.5～39.5 kPa)。坝体填筑材料黏性很大时(如黏聚力大于40 kPa)时,漫顶溃决过程非常缓慢且溃口规模和溃口峰值流量相对较小,坝体溃决方式以“多级陡坎”发展为主要特征。坝体填筑材料黏性较小时,下游坝坡很快冲蚀下切、后退,迅速形成单级大陡坎,溃决过程迅速,溃口规模相对较大,流量很快可达到峰值。试验发现溃口形态与坝体黏性有很大关系。在土石坝漫顶溃坝过程中,首先在下游坝坡形成台阶状“陡坎”,随后陡坎合并成一个“大陡坎”,并逐渐向上游溯源冲刷[18]。

不同于黏土型坝,由尾砂堆筑的尾矿坝发生漫顶后更容易发生侵蚀破坏。以Merriespruit尾矿库为例,洪水漫顶导致尾矿库失稳的大致过程为:暴雨作用下在尾矿坝上形成小的冲沟;尾矿坝边坡下部的松散尾砂发生侵蚀,并诱发下部坝体发生局部失稳;水流持续侵蚀尾矿坝体,尾矿坝中部的边坡局部失稳;冲蚀后的尾矿坝开始整体失稳,尾砂大量下泄[19]。漫顶水流的流速大于尾砂的起动流速后,会对尾砂坝不断产生向下和两侧的侵蚀;水力侵蚀使得尾砂坝的漫顶溃口不断扩大和坡度变陡,进而使得尾砂坝发生局部或整体失稳坍塌。刘磊等[20]引入非平衡输沙理论及河流动力学输沙公式并结合试验手段,建立了预测尾矿库溃坝洪水流量及溃口变化过程的数学模型。Chen等[21]通过室外2组大规模溃坝试验,模拟了大坝洪水漫顶的破坏情况,结果表明,溃口发展速率与单位流量有关,单位流量越大,溃口发展速率越大。Sun等[22]基于非恒定水流泥沙非饱和非平衡侵蚀理论以及模型相似理论,采用粗尾矿建立物理模型模拟尾矿库洪水漫顶过程,研究显示,坝体位移取决于漫顶过程中坝体的饱和程度,浸润线越高,坝体滑动位移越大,溃口破坏程度与溢流对坝体冲刷有关,降低浸润线高度和提高尾矿坝的干滩长度可以减小溃坝带来的危害。Yang等[23]通过水槽试验模拟了尾矿坝洪水漫顶的破坏过程,整个破坏过程可分为5个阶段:渗流侵蚀阶段、初始溃口形成阶段、溃口逆向侵蚀阶段、溃口发展阶段以及溃口重新平衡阶段。坝体一旦产生溃口,溃口发展就会连续不断,直到下游重新达到平衡,表明坝体初始溃口对坝体后续变形有重大影响。初始溃口最有可能发生在下游边坡上,靠近渗流面的上边缘,该试验结果表明了尾矿坝溃口破坏的“陡坎”机制。

1.3 地震作用

尾矿坝地震安全问题一直是科技工作者和政府部门关注的焦点。由于我国尾矿库普遍采用上游法筑坝,而按照AQ 2006—2005《尾矿库安全技术规程》规定,对于抗震设防烈度为7度以下地区宜采用上游法筑坝,而对于8～9度地区宜采用中线法或下游法,可知上游法尾矿库抗震能力较差,一旦发生地震,其安全性得不到保障。地震作用导致尾矿坝溃坝的主要原因是尾砂液化。影响尾砂液化的主要因素有尾砂颗粒组成、形状、大小、级配、排列情况、密实度以及浸润线埋深、地震烈度等。根据尾砂堆坝的施工特点,坝中尾砂一般处于欠密实状态,在地震作用下,坝内超静孔隙水压力迅速增加,当孔压达到临界状态时,尾砂产生液化。当尾矿坝内开始出现液化后,易形成裂隙渗流通道并造成局部塌陷,同时地震作用下会使得坝体的滑动力或力矩增加,从而引起坝体滑移直到坝体整体失稳破坏,典型案例如日本Kayakari尾矿坝[24]。

潘建平等[25-26]介绍了尾矿库地震液化评价及稳定性分析研究情况,并在前人基础上对地震液化时的孔压和应变进行简化分析后用于拟静定法分析。王文星等[27]以某工程为背景,采用拟静定法分析其在地震作用下的稳定性,并用相应软件进行了验证。孔宪京等[28]基于双线性模型分析方法,利用商业软件对某尾矿库进行了地震液化变形分析。孙恩吉等[29]在离心振动机上模拟了尾矿坝在强震作用时的动力反应及演变规律,并测量了其加速度、孔压、坝体变形等情况。虽然学者对尾矿坝安全问题做了一定的研究,但是有关尾矿坝抗震安全评价体系尚没有统一的标准。张超等[30]分析了不同细粒含量对尾矿材料动力液化特性的影响,并结合标准贯入试验分析了不同细粒含量对尾矿材料抗液化强度的影响,研究成果对尾矿库抗震设计具有一定的参考价值。杜艳强等[31]用动三轴试验系统分析了尾砂粉土液化后变形特性与孔隙水压力间的关系。目前尾矿坝地震破坏研究多集中在拟静力法,今后可以从尾砂的动力特性方面进行研究(例如尾砂动强度和动本构方程等),提出尾矿坝的动稳定分析方法及相应的数值计算模型。

1.4 坝基或坝坡失稳

尾矿坝失稳溃坝的另一致灾因素为坝基失稳,如加拿大Mount Polley金铜矿溃坝事故(表1)。西班牙阿斯纳科利亚尔尾矿库溃坝是由于坝基失稳导致溃坝的典型事件,整个坝体发生了深层滑移并使得库区内部形成了巨大的竖直和近似水平的滑移面,滑动破坏过程中坝体类似刚体滑动而没有发生大的变形。Gens等[32]详细分析了该尾矿库的溃坝特点,并采用强度折减法和极限平衡法解释了该尾矿库的破坏机理。尾矿坝坝基失稳通常是由于地质勘察不明或设计失误导致,根据详实的地质资料进行相应的地基处理能防止出现坝基失稳现象。

由于漫顶水流作用或坝体长期浸泡软化的影响,会使得尾矿坝的坝坡变陡或筑坝材料的抗剪强度降低,进而出现坝坡局部或整体失稳破坏。尾矿坝边坡稳定性分析一般采用极限平衡法或强度折减法。极限平衡法理论较成熟,但在应用过程中滑移面的形状和位置难以确定。坝坡失稳破坏通常与水力作用等伴随出现,尽管强度折减法在一定程度上可以避免滑移面的选择难题和考虑流固耦合作用[33],但由于缺乏完善的尾矿坝失稳判断准则,使得强度折减法的工程应用受到了限制。

2 尾砂力学性质及溃坝流体性质

2.1 尾砂力学性质

尾砂的力学性质是影响尾矿坝边坡稳定性的关键。在上游式尾矿坝的工程勘察过程中,尾砂样品的运输、存放过程中存在易扰动的特点,获取与实际情况相符的尾砂抗剪强度指标有利于对尾矿坝进行客观的安全评估。尾砂的粒径级配沿尾矿库纵、横方向分布不同,而且粒径、含水率和孔隙比等因素影响尾砂的内摩擦角[34]。与一般砂土不同,尾砂由于独特的化学环境(显著的尾矿淋滤固结和化学固结过程)而存在一定的黏聚力[35]。李志平等[36]根据某铅锌矿尾砂的大量固结快剪试验,得出尾砂内摩擦角关于含水率和标准贯入击数的经验计算公式。尾砂中含有矿山开采过程中提炼未完全的金属元素,其土粒比重和抗剪强度等力学特性与常规土料差异较大,粗尾砂力学特性呈现出剪胀性和软化性,而细尾砂无明显剪胀性[37]。Bedin等[38]对某尾砂进行了大量的单轴加压不排水和动三轴试验,根据试验结果建立了单轴加压作用下尾砂的不排水临界状态线,发现此状态线具有高度的非线性。Schnaid等[39]在经过一系列的排水与不排水三轴压缩试验和拉伸试验后,以试验结果建立了某黄金尾矿材料的临界状态线,证实了在临界状态下可采用对小应变状态下的剪切强度与剪切模量进行耦合的方法来估算主要状态参数。

张超等[40]进行了铜矿尾砂的共振柱试验,对铜尾砂的动孔隙水压力、动剪切模量和阻尼比等进行了研究。当相对密度大于70%时,尾砂抗液化能力随着相对密度增大而提高的趋势不太明显,而当相对密度小于70%时,抗液化能力随着相对密度的增大而明显提高。饱和尾砂具有敏感的不稳定结构,密度对尾砂的应力应变关系和抗剪强度影响显著,在很小的密度变化范围内饱和尾砂甚至会从不液化转变为完全液化[41]。毛细水带内尾砂的内摩擦角随含水率的增大呈先增大后减小、最后基本稳定的变化规律[42]。尾矿坝中存在粗细颗粒分层结构或透镜体结构,这些结构的分布状况和力学性质对尾矿坝的稳定性会造成影响[43]。尾矿坝中的分层结构体或透镜体表现出较弱的力学性质,进行尾矿坝安全评价时应特别注意其分布状况[44]。

有关尾砂力学特性的研究成果多基于某特定的尾砂,一些规律尚不能确定是否为不同尾砂的共有规律,并且不同种类尾砂之间的力学性质差异有待深入系统的研究。利用先进的观测设备,从微细观角度去解释尾砂或尾砂结构体宏观力学特性的机理,或许会有新的发现。

2.2 溃坝流体性质

尾矿库溃坝对下游的影响程度与溃坝流体的力学特性密切相关。流变性是溃坝流体最重要的力学特性,在结合理论与试验分析的基础上,已提出多种流变模型[45-47]。近几年,基于尾砂料浆在矿山管道运输的需要,浆体的不同配比、浓度、黏度等对其流变特性和强度的影响研究取得了一定的成果[48]。3种不同浓度尾砂浆体进行的流变试验表明,以细颗粒为主的尾砂浆体,其剪应力与剪切速率呈正相关性;而以粗颗粒为主的尾砂浆体,其剪应力会呈现先减小后增大的趋势;对于同种试样,在剪切速率相等的情况下,浓度高的浆体剪应力更大,对尾矿坝下游的影响范围更小[49]。尾矿库溃坝流体含有大量的尾砂,其流变性质与泥石流具有一定的相似性,根据流变仪对泥石流的流变特性分析得到,在同种剪切速率下,黏粒含量和容重越大,浆体剪应力越大[50]。目前对含尾砂浆体流变性的研究很少,而且尾砂浆体的流体参数选取和数值模型没有统一的标准。

3 尾矿库溃坝影响范围

工程中常常需要对尾矿库区下游村庄的溃坝淹没范围和影响程度进行评估,目前预测尾矿库溃坝影响范围的主要方法为模型试验法和数值模拟法。

3.1 模型试验法

模型试验法在溃坝演进过程中可以很好地考虑地形等因素,是目前研究尾矿库溃坝影响范围的主要手段。Rico等[51]收集了历史上尾矿坝溃坝事故的信息,通过分析比较建立了尾矿坝几何参数(坝高、库容等)与溃坝下泄尾砂水力特性之间的统计关系,指出了尾矿坝库容与尾矿溢流量之间的幂函数经验关系。Zhang等[52]通过13组水槽漫顶溃坝模拟试验表明,泥沙峰值速率随坝顶加宽和坝坡变缓而变小,从而延长了泥沙峰值速率到达的时间。尹光志等[53-54]以云南某尾矿库为研究背景,进行了不同坝高和不同溃口形态(1/4、1/2和全部瞬溃)的溃坝试验,结果表明,坝高和溃口形态对下游泥浆淹没厚度和范围有较大影响,随着坝高和溃口的增大,下泄泥浆到达同一断面的冲击力和泥深成非线性增大的趋势,而且到达时间也相应缩短,因此溃坝灾情会加重。王永强等[55]以四川某尾矿库为依托,采用模型比尺1∶400进行了尾矿坝全溃坝试验,分析了在某一高度和库容情况下,溃坝泥浆的冲击力、淹没深度及流速的变化规律,冲击压力、泥深和流速在达到峰值后会随着距离延伸而减小,直到平稳停止运动,局部地形对这3个指标的波动具有影响。

尾矿库溃坝过程的模拟涉及岩土力学、水力学与河流动力学等多个专业学科,综合多方面的相似关系在理论和技术上存在相当的难度。尽管可以查到少量尾矿库溃坝试验研究资料,然而在物理模型的相似性设计方面缺乏可靠的依据。尾矿库溃坝物理模拟严格意义上应包含几个方面:坝体和下游地形的相似、尾矿坝溃坝过程相似、尾矿库内尾砂的起动和沉积相似等。对于一次筑坝的土石坝尾矿库,通常采用与原型相近的坝料、级配及坝体施工质量,然而缩尺效应严重影响模型试验结果与原型间的相似性[56]。尾矿坝的相似材料目前主要凭借经验选取或采用原型尾砂,尚缺乏完备的理论支撑。在溃坝洪水的演进过程相似方面,坝体的溃口发展和下游河道的糙率模拟成为试验的关键。张红武等[57]借鉴沟道高含沙洪水及淤地坝溃坝模型研究成果,基于尾砂颗粒尺寸相似和侵蚀率方面的考虑对模型尾矿坝材料的选择提出了建议。然而,在尾砂的起动和沉积方面的相似模拟,仍有较长的一段路要走。离心模型试验具有较好保持模型与原型应力相同的特点,从而能较好地模拟坝体自重应力场及其与自重有关的变形过程,合理应用应能够提升尾矿库溃坝安全评价水平[56,58]。

相似模型的设计是开展溃坝模型试验的前提,试验结果可以根据相似律直观地预测溃坝演进过程。借助于离心模型试验系统,有望深入研究各致灾因素引发的尾矿库溃决机理及溃坝过程,建立正确的溃坝动态模拟理论和计算方法。然而尺寸限制和较高投入使得离心试验在工程服务方面受到制约,例如大型尾矿库缩尺在离心机中会因缩尺比过小而误差较大。常重力条件下尾矿库溃坝模型试验仍会是工程中的重要评估手段,改进常重力条件下的尾矿库溃坝相似试验技术很有必要。

3.2 数值模拟法

随着数值计算方法不断发展和计算机运算能力的增强,数值模拟也逐渐成为研究溃坝砂流影响范围的重要方法。李全明等[59]以溃坝洪水运动和泥浆动力学理论为基础,建立了尾矿库溃坝泥浆数值模型,研究了其溃坝影响范围。胡凯衡等[60]对一些泥石流的数值模型进行了总结,就算法而言主要有:有限元法、有限体积法、有限差分法、SPH法等。Rickenmann等[61]综合比较了3种常见流变模型对数值模拟结果的影响,虽然结果基本符合实际泥石流的运动范围,但地形因素对不同模型计算结果的影响较大，因此,流变模型的选择是数值分析计算的关键之一。王纯祥等[62]为了模拟复杂地形泥石流的演进规律,假定雨水和泥石组成的混合物为均匀连续不可压缩非定常的牛顿流体,采用深度积分法,导出了模拟泥石流运动的二维数学模型。刘洋等[63]以实际工程为背景,建立了三维溃坝模型对溃后泥石流演进过程进行模拟分析,得到了流速和淹没深度随时间的变化规律以及最终的影响范围。皇甫凯龙等[64]基于二维溃坝水流及高含沙水流研究成果,建立了尾矿坝溃坝砂流数值模型,分别对某尾矿坝溃决洪水和砂流运动情况进行了分析,结果表明溃坝砂流与溃决洪水过程有着明显区别,由于泥沙与水的相互作用以及下游地形的影响,溃坝砂流流速及泥浆厚度均比溃决洪水小。

虽然目前对尾矿库溃坝砂流的研究积累了一定的经验,但在计算方法上大多还是借鉴水库溃坝泥石流的相应理论。数值计算中假定尾矿库的瞬间破坏形式在事实上与尾矿库逐渐溃坝不符,这势必会带来一定的误差。尾矿库多为逐渐溃坝破坏模式,采用计算手段模拟出尾矿库溃决过程并对坝体和溃坝流体分别赋予准确的本构模型和流体参数,将使得计算结果更接近真实工况。

4 尾矿库溃坝预警机制及防治措施

尽管尾矿库工程目前在技术层面上存在一定的不足,但溃坝事故的发生却常因为施工和管理方面的原因(见表1)。勘察和设计不当、施工不良、管理不善和应急处理不当等都是实际工程中造成尾矿库溃坝灾害后果严重的原因。梅国栋[65]在分析了国内外160起事故案例的基础上,提出了尾矿库溃坝预警监测指标体系,包括浸润线埋深、降雨强度、泄水量和安全超高等。尾砂的剪切强度会随着时间而逐渐降低,尾矿坝的变形破坏先后经历衰减变形、稳定变形和加速变形3个阶段,因此变形分级预警机制的建立确有必要。

在建立尾矿库监测预警机制的同时,仍需改进现有的尾矿筑坝技术和研究溃坝灾害防治措施。加筋尾矿坝浸润线的上升滞后于未加筋情况,筋带对尾矿坝漫顶破坏发展速度和侵蚀沟加深加宽产生明显的阻滞作用[66]。土工合成材料在增大尾矿坝边坡稳定性的同时,使得常规坝坡的圆弧滑动破坏模式发生改变[67]。模袋法是目前尾矿坝上游法筑坝的一种新方法。由于土工布和尾砂的共同作用,充尾砂模袋的极限抗压强度远大于单纯尾砂的极限抗压强度[68]。由于模袋具有反滤作用,还能够减轻漫顶水流对坝体的侵蚀作用。当模袋达到承受的极限荷载时,通常会在模袋边缘处发生土工布的撕裂破坏,因此在使用模袋筑坝法时需引起注意。另外,采用高浓缩分级尾矿上游法筑坝能够使得沉积滩颗粒分布均匀,减少互层和细泥夹层的出现,改善坝体内部结构并增强尾矿坝的稳定性[69]。极端情况下尾矿库的溃决可能无法避免,可以研究采取一定的应急工程措施,以减小溃坝损失或延缓溃坝时间。例如,工程中在尾矿坝下游设置临时坝体不仅可以对溃坝砂流起到导流的作用,还可以拦蓄一部分砂流,有效地减小尾矿坝溃坝砂流下泄距离[70]。虽然人们对尾矿库溃坝预警和防治有了一定的认识,但仍有许多需要改进和深入研究的地方。

5 研究展望

尾矿库溃坝分析在很多时候借鉴了一般水库和大坝的理论研究和工程经验,但又与蓄水大坝或水库存在明显的区别。虽然人们在尾矿库溃坝方面做了大量的研究工作,但是在许多关键领域的进展较缓慢,建议今后可从以下几方面开展深入研究:

a. 结合新的试验技术和观测手段,深入揭示尾矿库的溃坝机理。例如从微、细观角度对尾矿库的溃坝成因和发展过程进行描述,研究复杂情况下尾矿库的溃口发展规律和多因素耦合作用下的尾矿库渗流分析等。

b. 对尾砂料进行系统深入的物理力学性质分析。尾砂不同于一般黏性土和无黏性土,深入分析尾矿料的微细观结构和组成成分对其物理力学特性的影响,有助于提升尾矿库溃坝安全评价水平。

c. 开展模拟具体工况下的模型试验研究和改进现有尾矿库相似模型试验技术。采用离心试验系统来模拟复杂渗流、漫顶和地震等致灾因素诱发的尾矿库的浸润线抬升、溃决机理及过程。基于尾砂的物理力学性质,从坝体变形、冲刷和强度方面综合提出改进的常重力下尾矿库相似模型材料选取办法,改进尾矿库溃坝模型试验技术。

d. 提升尾矿库溃坝数值模型计算水平。基于尾矿库溃坝资料分析和物理试验,研究尾矿库溃坝流体的性质、演进规律及其与土层、构筑物的相互作用,构建相应的数学计算模型。模拟尾矿库漫顶逐渐溃决过程,并对坝体和溃坝流体分别赋予准确的本构模型和流体参数,将使得计算结果更接近真实工况。

e. 研究尾矿库溃坝灾害防治措施和完善应急处理预案。随着土工合成材料在水利和岩土工程中的大量应用,进一步研究土工合成材料加筋尾矿筑坝技术,优化和提升尾矿库的稳定性。研究溃坝应急处理预案,以便在极端情况下尾矿库溃决可能无法避免时,能减小溃坝损失,或延缓溃坝时间以赢得应急救援时间。

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Advances in research of tailings dam failures

JIANG Qinghui1,2, HU Limin1, LIN Hai1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Advances in research of mechanisms of tailings dam failure-induced disasters, mechanical properties of tailings and hyperconcentrated flow after dam failures, the range of influence of tailings dam failures, and measures of early-warning and disaster prevention are summarized and analyzed. On the whole, studies on tailings dam failures have made some progress, and certain experiences have been obtained. However, further in-depth and systematic studies are required in many areas.At present, research on tailings is mainly performed on specific projects, in contrast to research on the conventional soil material. Systematic study on mechanical properties of tailings helps to enhance the level of safety evaluation of tailings dams. Physical model tests and the numerical simulation method are the main means to predict the range of influence of tailings dam failures. Some key problems for further research of tailings dam failures and disaster control are pointed out, i.e., seeking breakthroughs with new testing technology, properties of tailings and hyperconcentrated flow after dam failures, and dam construction methods.

tailings pond; dam failure; tailings; disaster control

江西省博士后科研择优资助项目(2016KY38);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ150072)

姜清辉(1972—),男,教授,博士,主要从事岩土力学数值方法与边坡稳定分析研究。E-mail:jqh1972@yahoo.com.cn

林海(1986—),男,讲师,博士,主要从事环境岩土工程研究。E-mail:linhai@ncu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.014

TV649

A

1006-7647(2017)04-0077-10

2016-09-11 编辑：熊水斌)