尾矿坝管涌破坏机理与过程研究

(青岛理工大学 山东 青岛 266000)

尾矿坝管涌破坏机理与过程研究

周福强于广明宋琨谢焦焦

(青岛理工大学山东青岛266000)

针对尾矿坝管涌破坏这一种渗透破坏形式，本文基于以往的渗透稳定性分析方法和现场判别手段，分别从破坏机理和过程分析两个方面介绍了尾矿坝管涌破坏的特征，对尾矿坝类似事故的处理有一定的借鉴意义。

管涌破坏；稳定性分析；破坏机理；过程分析

一、引言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，一般由尾矿堆存系统、尾矿坝排渗系统、尾矿库排洪系统、尾矿库回水系统等几部分组成。尾矿库是矿山生产设施的重要组成部分，同时尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，它的安全直接关系到下游人民生命财产和库区周边地区的生态环境，它一旦溃坝，造成的危害将会是空前的[1]。

渗流问题是尾矿坝稳定性考量时必须要考虑的最重要问题之一，而管涌破坏是尾矿坝溃决的一种主要渗透破坏形式，它是指在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过粗大颗粒的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。由于管涌而造成的尾矿坝溃坝事故占了总事故的相当大比例。

本文在系统分析尾矿坝稳定性的基础上，详细分析了尾矿坝管涌破坏过程，并对该破坏过程中的机理进行了详细描述。

二、尾矿坝渗透稳定性分析方法和判别手段

(一)尾矿坝渗透稳定性分析方法

在尾矿坝渗透稳定性分析方面的理论方法有极限平衡方法和数值分析法，前者例如：瑞典圆弧法、毕肖普法、简布条分法、王复来法等；后者包括：有限元法、无边界法、无单元法等等，其中最经典的还是瑞典圆弧法[2]。

瑞典圆弧法的原理是对滑动坝体进行受力分析，求的阻止各砂石条滑动的抗滑力矩总和为MR和各砂石条的滑动力矩为MS，然后根据公式K=MR/MS求稳定安全系数K值。

运用瑞典圆弧法分析尾矿坝稳定性的一般步骤如下：

1.坝体内潜在滑裂面的确定。首先需要根据某尾矿坝的地质勘探资料和现场实测资料，分析尾矿坝可能存在的软弱结构面和易滑动砂层，并基于边坡稳定分析软件对坝体进行静力分析计算，先指定区域搜索，分不同精度进行分析，逐步逼近最优解，从而确定最危险滑裂面的位置。

2.坝体潜在滑裂面上抗滑安全系数计算方法。为了计算坝体内潜在滑裂面在静力条件和地震作用下的抗滑安全系数，评价坝体的抗滑稳定性，假定坝体内的潜在滑裂面形状为圆弧形，采用边坡稳定计算软件，按有效应力法分别采用规范所推荐的不计及条块间作用力的“瑞典圆弧法”计算坝体在静力条件下潜在滑裂面上的抗滑安全系数，并采用拟静力法计算坝体所受的地震作用力，以计算在地震作用条件下潜在滑裂面上的抗滑安全系数。

整个砂石坝相应于滑动面的抗滑安全系数为：

(1.1)

其中：n——砂石条分条数

通过计算尾矿坝的抗滑安全系数，并与现行技术标准或规范的规定进行比较，以此来判断该尾矿坝的稳定性。

(二)尾矿坝管涌破坏判别手段

管涌破坏是尾矿坝渗流破坏的其中一种模式，因此需要根据管涌的发生条件及特点判断管涌的发生。通常施工现场判别尾矿坝管涌破坏基本用以下两种手段。

①手段一。管涌的形成与尾矿砂的不均匀系数、砂中细粒土含量等因素有关在，工程中也可用它们来判别尾矿砂的抗管涌安全性。砂的不均匀系数Cu与发生管涌的临界水力梯度ic存在一定的经验关系，砂土中的细颗粒土含量越多越容易发生管涌，在砂的级配曲线中，用d15与d85分别表示小于某粒径的土粒重量累计百分数为15%和85%时相应的粒径，如果d85/d15≤5，则不会发生管涌。

②手段二。一般情况下认为发生管涌破坏的临界水力坡度为康特拉契夫公式：

(1.2)

坝体溢水处水力坡降i可以按下式计算:

(1.3)

式中，m为坡度系数。求得某尾矿坝的水力坡降i后与管涌破坏的临界水力坡降比较icr，当i

通过以上两个手段可以判断尾矿坝是否发生管涌破坏。

三、尾矿坝管涌破坏过程分析

通过观察分析尾矿坝管涌破坏过程中不同粒径颗粒的运动状态，将管涌破坏过程分为以下三个阶段：

第一阶段为渗流稳定阶段。当尾矿坝内的水力梯度较小时，渗透力不足以克服颗粒的有效应力和颗粒间的咬合力，颗粒基本不会移动。随着水力梯度的增加，渗透力越来越大，传递骨架有效应力的大颗粒基本没有移动，存在于骨架空隙中的细小颗粒开始轻微的翻滚、漂浮，或许发生较小位移，但是并不会沿着渗透方向渗出坝体，基本上处于受力相对平衡状态。

第二阶段为尾矿坝局部破坏阶段。随着水力梯度继续增大，细颗粒翻滚、移动程度加剧，开始试图沿着渗流方向在骨架颗粒间的孔隙移动。当砂粒的粒径比孔隙小时，小颗粒会顺利的通过空隙，继而沿着渗流方向继续移动；然而当砂粒的粒径比孔隙的大时，砂粒就会被空隙阻挡，成为骨架颗粒的一部分，直至在更大的水力梯度下被冲开，在足够大的渗透力作用下，作为骨架颗粒的某一部分相对较小颗粒也会发生移动。坝体内部孔隙、空隙、裂缝等分布的不均匀性以造成了细小颗粒在渗透力作用下移动的不连续性、随机性，由此形成的通道是弯弯曲曲的、不规则的。

第三阶段为堆积坝表面渗透破坏直至坝体整体失稳阶段。随着水力梯度的继续增大，渗透力增大，细颗粒获得更大的移动速度，形成贯通软弱结构部位的管涌通道后，开始向尾矿坝内其他相对薄弱部位移动，穿过大孔隙，淤堵小孔隙，然后在更大的水压下，冲开小孔隙，扩展管涌通道。就这样，管涌通道在持续增加的水力梯度作用下不断延伸、扩展，管涌通道的这种生长是非连续的、无规则的，最终将延渗透方向贯通坝体，使尾矿砂和水的混合物在坝体表面涌出。

四、结论

(1)利用尾矿坝稳定性分析方法中瑞典圆弧法可以定量计算尾矿坝的稳定性问题；(2)在现场通过尾矿坝管涌破坏的两种判别方法可以较为迅速的判别管涌是否发生，但方法较粗糙；(3)尾矿坝管涌破坏的机理是：较小颗粒通过大颗粒之间的间隙或者坝体本身内部的孔隙在水力梯度的作用下不断流失，最终导致坝体破坏。

[1]郑欣,秦华礼,许开立.导致尾矿坝溃坝的因素分析[J].中国安全生产科学技术,2008(01),51-54;

[2]毛昶熙.渗流计算分析与控制(第2版)[M].北京；中国水利水电出版社,2003:91-97;

[3]倪旭,吕力行.尾矿坝管涌破坏的判别方法及应用[J].矿产保护与利用,2013,(02):50-53.[2017-09-08].

周福强(1992.12-)，研究生在读，土木工程专业。