尾矿库槽孔管外包土工布径向渗流试验模型及其渗透特性分析

杨春波，王树和，王 媛,2，李庆文，黄景琦，吴 龙

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 211100)

0 引 言

尾矿库作为储存矿山生产中排弃尾矿的设施，主要通过筑坝[1]拦截谷口或围地形成。目前，我国各类尾矿库8 000多座，在我国矿山生产中起到重要作用。据不完全统计，约1/4尾矿库溃坝事故是渗流控制失效[2]、浸润线位置过高引起的。因此，开展尾矿库中排渗体系的排渗特性研究具有重要的工程意义。

目前，我国尾矿库多采用铺设多层土工布作为排渗措施。在初期坝上、每级子坝上都会铺设一层或多层土工布起到排水反滤作用[3-6]。土工布作为工程中重要的排渗材料，很多学者对其渗透特性开展了研究。胡珺[7]研究了土工布无负荷时垂直渗透特性得到了土工布渗透系数的不确定性；王向钦等[8]研究了长丝针刺土工布垂直渗透系数随压强和孔径的变化。但在尾矿坝中，随着选矿技术的提升，尾矿砂的颗粒变得越来越细[9]，尾矿砂中包含的固体颗粒粒径变得越来越小，绝大多数属于细粉粒组、黏土粒组和胶体粒组。因此，尾矿砂颗粒间孔隙很小，细粒尾矿介质渗透性微弱，导致尾矿坝浸润线偏高，筑坝排渗困难。目前，槽孔管排渗体系作为尾矿坝新型的排渗技术，在细粒尾矿坝中具有广泛的应用，能够有效地降低尾矿坝的浸润线，其良好的排渗效果已在实际工程中得到验证。槽孔管基本构造如图1所示，沿PE塑料管轴向均匀的开凿若干个矩形槽，槽内开通直径为8 mm的圆孔，外包土工布或白钢网，起到排渗与反滤的双重作用。

图1 槽孔管的构造Fig.1 Slot tube construction

目前，很多学者对槽孔管的排渗机理和孔管外包白钢网的排渗方式进行了研究。金松丽等[10-11]在细粒尾矿坝的基础上进行了槽孔管排渗机理及其计算方法和反滤半径的计算，并进行了槽孔管外包白钢网的排渗机理及其排渗效果的分析与计算；彭海洋等[12]进行了槽孔管渗流理论的分析与计算；翟超等[13]进行了黏性土的一维室内模拟试验。相对于外包白钢网，槽孔管外包土工布更加适用于超细尾矿坝的情况，但目前对槽孔管外包土工布渗透特性的研究相对较少，且大多数研究停留在一维试验的方式上。

本文自主研发一套二维径向流试验装置，并据此开展槽孔管外包土工排渗体系的二维径向流试验。通过试验研究槽孔管外包土工布排渗体系的渗透特性，分析压力水头、外包土工布层数对整体渗透系数[14-15]的影响规律。

1 径向流试验

1.1 试验设备及试验原理

1.1.1 试验设备

本文自主研发的二维径向流试验设备如图2所示。该试验设备的主体是不锈钢外桶、槽孔管和溢流管，槽孔管和外桶底部中心处有一个20 mm的圆孔，溢水管穿过槽孔管和外桶底部中心的圆孔，将三者通过螺栓连接起来，组成一个完整径向流系统，通过调节溢水口来控制内外水头差稳定。

图2 二维径向流试验设备Fig.2 Two-dimensional radial flow device

1.1.2 试验原理

本试验装置要在槽孔管内外形成一个稳定的水头差，在较小水头差下可以认为水流为层流状态，符合达西定律。因此，由平面径向流公式推导可获得整体等效渗透系数K，见下式。

式中：Q为渗流量(指单位时间内从溢流管流出的水的体积)；re为外桶半径；rw为槽孔管半径；L为土工布高度；Δh为溢水口与溢流管的高度差。

1.2 试验材料及试验步骤

1.2.1 试验材料及制备

试验材料：土工布：400 g短线针刺土工布，每层土工布厚度为0.32 cm；槽孔管：直径d=100 mm的PE材料槽孔管。

试件制备：根据试验要求，分别裁剪宽和长为20 cm×38 cm、20 cm×76 cm、20 cm×114 cm、20 cm×152 cm、20 cm×190 cm，20 cm×228 cm的6种土工布，并在水中浸泡24 h，在研制装置内部贴上标有刻度的80 cm的软尺用于读取水头高度。

1.2.2 试验工况

本次研究共进行36组试验，分别为相同水头差，不同土工布层数下和相同土工布层数，不同水头差下槽孔管外包土工布试验，见表1。

表1 不同层数条件下渗透系数随水头差变化

1.2.3 试验步骤

第一步：用密封塑料将槽孔管包裹住，然后装到自制的设备中，在槽孔管外侧和外桶内部的中间位置，加入高度为30 cm的水，放置0.5 h，用于检测槽孔管的密封性，若无漏水现象，则取出密封的槽孔管，用剪刀在槽孔管外侧距离底部10 cm的位置上裁出一个高度为2 cm的圆，用做土工布渗透系数测定。

第二步：将裁剪好的土工布缠绕在第一步中已经裁出的口周围，然后用密封塑料再次将土工布包裹起来，再次装到自制的设备中，重复第一步中测试密封性的步骤，若无漏水现象，取出槽孔管，用剪刀在土工布外侧距离底部10 cm的位置上裁出一个高度为2 cm的圆，与内部的圆重合，然后将槽孔管装到自制的设备中。

第三步：向自制的设备中加水直至出水口有水流出为止，然后静置一段时间，直到出水口不再出水，读取水头高度，记录作为起始水头。

第四步：再次向设备中加水，每次增加水头为一个溢水口的高度，然后测出出水口一段时间的出水量，记录水头高度，出水时间及出水量。

第五步：当水头增加至1号溢水口时停止加水，拆卸槽孔管，更换土工布重复第二～四步骤，直到6种土工布全部测完。

2 试验结果

采用上述试验设备和试验步骤对槽孔管外包土工布的渗透特性进行研究，分析水头差、土工布层数等因素对槽孔管外包土工布渗透系数的影响。

2.1 水头差对槽孔管外包土工布整体结构渗透系数的影响

本文选取土工布层数为1层、2层、3层和4层时，不同水头差条件下槽孔管外包土工布整体结构渗透系数如图3所示。从图3可以发现两个现象，一是当进行同一种土工布的重复性试验时，槽孔管外包土工布的渗透系数在同一层数和同一水头差条件下表现为具有一定的离散性，如图3(a)和图3(b)所示。产生以上现象的原因是短线针刺无纺土工布是非织造土工布，由若干纤维逐层铺叠并加以机械或化学固结，再经机械反复压实而组成的纤维集合体，其厚度和孔隙的分布具有离散性[16-17]，如图4所示。当水流穿过不同位置的土工布时，其孔隙数量和土工布厚度会不同，表现为单位时间内溢水管的出水量不同，即渗透系数[7]不同，具有一定的离散性。二是同一层数的条件下，槽孔管外包土工布的渗透系数随着水头差的增加有轻微上升，但上升趋势不明显，如图3(c)和图3(d)所示。原因是水头差增加，水的流速增加，对土工布的冲击增加，在土工布厚度方向上会出现凹槽，如图5所示，使土工布纤维拉伸，孔隙增大，渗透系数轻微增加[18]。

2.2 土工布层数对槽孔管外包土工布整体结构渗透系数的影响

本文选取水头差m为2、3、4和5时，不同土工布层数条件下槽孔管外包土工布整体结构渗透系数如图6所示。从图6(a)～(d)发现，在进行重复性试验时，槽孔管外包土工布整体结构的渗透系数在土工布层数由一层增加到两层，即厚度由0.32 cm增加到0.64 cm时，渗透系数迅速下降，在不同水头差条件下均表现出此现象，但随着层数的继续增加，渗透系数有轻微上升，当增加到六层土工布时，渗透系数上升趋势不明显且趋于稳定。

图3 不同层数土工布渗透系数随水头差变化Fig.3 Different layers of geotextile permeability coefficient change with water head difference

图4 土工布孔隙分布示意图Fig.4 Schematic diagram of pore distribution of geotextile

图5 土工布凹槽示意图Fig.5 Geotextile groove diagram

图6 不同水头差下渗透系数随土工布层数的变化Fig.6 The variation of permeability coefficient with the number of geotextiles under different head differences

从上文分析可以发现，土工布层数对整体结构渗透系数具有一定影响，具体表现为整体结构渗透系数随土工布层数的增加而具有先迅速减小然后轻微上升最后趋于稳定的趋势，产生以上现象的原因是当槽孔管外包土工布中的两侧水位差一定时，沿土工布厚度方向上的渗透系数应维持稳定，即渗透系数与土工布层数无关，但土工布上的孔隙分布是不均匀的[16-17]，当两层土工布自由叠合在一起，层与层之间的孔隙不能完全重合，即孔隙不能完全匹配，当水流经过层与层之间的界面时，如图7所示，由于阻力的作用，出现水流变缓的现象，所以当土工布层数由一层变为两层时，槽孔管外包土工布渗透系数迅速减小。但由试验数据可知两层之后，渗透系数又随着层数的增加轻微上升，原因可能是土工布不仅具有垂直方向的渗透特性，在水平方向上也具有一定的渗透特性[19]，随着层数增加(三层之后)，即厚度的增加，有效过水面积增加，如图8所示，单位时间内通过水的体积增加且对渗透系数的影响大于层与层之间孔隙不匹配因素的影响，更深层次的原因需要进一步进行试验验证。综合以上原因，槽孔管外包土工布整体结构的渗透系数会随着层数的增加表现为先迅速减小再轻微上升的趋势。

图7 水流穿过土工布示意图Fig.7 Water flow through the geotextile

图8 有效过水面积增加示意图Fig.8 Schematic diagram of effective water area increase

3 结 论

本文首先自主研发一套二维径向流试验装置，并据此开展槽孔管外包土工排渗体系的二维径向流试验。对不同水头差条件下和不同土工布条件下的槽孔管外包土工布整体结构的渗透系数进行了系统研究，得出以下结论：当土工布层数不变时，同一水头差条件下的槽孔管外包土工布的渗透系数具有一定的离散性且渗透系数随着水头差的增加有轻微上升的趋势；当水头差不变时，槽孔管外包土工布整体结构的渗透系数随着土工布层数的增加表现为先迅速减小后轻微上升的趋势。