
第16卷第12期2020年12月
中國安全生產科學技術
JouenaooeSaeetyScoenceand Technooogy
Voo.16 No.12! Dec.2020
Soi : 10. 11731// issn. 1673-193x . 2020. 12. 010
國內尾礦庫物理模型試驗研究現狀分析*
*收稿日期:2020 -08 - 10
*基金項目:國家重點研發計劃項目(2017YFC0804603 )
作者簡介:馬海濤,博士,高級工程師,主要研究方向為非煤礦山安全及尾礦庫潰壩機理研究通信作者:張亦海,博士,工程師,主要研究方向為露天礦山邊坡安全及滑坡預警預報%
馬海濤1,張亦海",李京京2
(1.中國安全生產科學研究院,北京100012 ; 2?隴南紫金礦業有限公司,甘肅隴南746000)
摘要:為提高尾礦庫物理試驗的科學性與可靠性,采用文獻資料收集與分析方法,對國內尾礦庫物理模型試驗的研究現狀與主
要成果進行梳理和歸納;總結試驗模型存在的問題與不足%結果表明:潰壩機理試驗主要研究了管涌滲透、洪水漫頂、地震作用
下的潰壩及其演化過程;下游演進試驗主要揭示了潰壩過程中泥深、沖擊力、流速、泄砂量、淹沒范圍等時空分布規律;穩定性評
價試驗主要利用物理試驗得到的浸潤線位置、尾砂沉積分布等數據建立數值模型,對尾礦庫筑壩過程、不同工程狀況下的穩定性
進行分析;防護試驗主要對壩體加筋及攔擋壩防護效果等進行研究%從潰壩機理與過程、潰壩主要影響因素、潰壩下泄物運移過
程、物理模型設計和構建、監測技術和手段等方面提出相應的研究建議,供研究學者參考借鑒% 關鍵詞:尾礦庫;物理模擬;潰壩;研究現狀
中圖分類號:X936
文獻標志碼:A 文章編號:1673 - 193X ( 2020) - 12 -0061 -06
Ana eys ts on rearch status about phys tca emode etests of ta tetngs pond tn Ch tna
MA Haitao 1 , ZHANG Yihai 1 , LI Jingjing 2
(1. China Academy of Safety Science and Technology , Beijing 100012 , China ;
2. Longnan Zijin Mining Co. , Ltd. , Longnan Gansu 746000, China )
Abstract : In order to improve the scientificity and reliability of the physical tests of tailings pond, the rearch status and
main achievements of the physical model test of tailings pond in China were sorted out and summarize by using the litewturo
document callection and analysis methods. The pwb/ms and shoWcamings of the expeWmental model were summarized. The
eesuotsshowed thattheeeaech testsoedam beea' mechanosm maonoystudoed themechanosm and eeooutoon peoce s oedam
bwx' caud by the piping epaxe ,flood topping ,and exWhqua'e action. The wxwh tests of downstream evelution mainly eocud on themud depth , ompacteoece , eooweeoocoty , sand d oscha ege amount , submeeged eangeand othe et ome and spacedos-
t/bution laws during the dam bwx' process. The stability eveluation tests mainly ud the data of the infiltration One position
and tailings deposition distribution obtained from the physical tests to establish a numeWcsl model, so os to analyze the stabili -
ty of the dam canstwc/on process and diiewnt engineeVng canditions of the tailing pond. The protection tests mainly studied
the winfowament of the dam body and the protection effect of detention dam. The carwsponding rearch suggestions were put eoewaed eeom th/asp/ctsoeth/m/chanosm and peoc/s oedam be/a', th/maon on eou/nc ong eacto es o edam be/a', th/moe/m/nt
procas s of spilled mateVol under the dam bwx' , the design and canstwction of physical model , the monitoring technoloyy and
means , etc. , so as to provide wfewnca for the wxwhew.
Key words : tailings pond ; physical simulation ; dam bwx' ; rearch status
c n ’亠
水%近100 a 來世界上18 401個尾礦庫的潰壩率約為
0 弓1 =
1=1
1.2% ,為水壩潰壩率的120倍⑴。我國現有尾礦庫
尾礦庫是指用以存放礦山選礦后排出尾砂的場所; 8 869座,頭頂庫1 425座,截至2015年,潰壩事故占尾
尾礦壩是尾礦庫的外圍構筑物,用以攔截庫內的尾礦與
礦壩事故的56%,其中頭頂庫潰壩占潰壩總數的55%
?62?中國安全生產科學技術第16卷
以上;滲透作用、漫頂破壞是潰壩的主要原因,在國內分別占52.3%,32.9%,在國外分別占44.6%,19.6%,其為浸潤線、坡體、堆壩、地震液化等⑵。
一惡劣地區,且潰壩發展較,大多數安全研究的專家或者學采用查閱資料、問訪等方式進行調查,并未親臨現場,因此現場的數為匱乏。物理試驗研究可以彌補此缺陷,揭示尾礦壩潰壩形成與發展的機理和規律。
1潰壩試驗狀況與進展
早期國內尾礦庫物理模型研究主要以數學模型與數值為主,理型試驗發展較晚,主要以水工試驗為主,水工試驗則對排水滲透研究較為深入。尾礦理模型試驗目前還的相似律,主要參考攜砂水流的相似條件,如重力相似、阻力相似、斯達魯哈數相似等*3+%國外的研究主要集中于歷、環影響、數學模型、數值等方面,理試驗主要對土石壩潰壩進析,但理研究較少% Coleman等*4+采用重力相似、泥動相似原理建立均質非黏性土壩物理模型;Dupont等*5+力似和泥沙運動相似理論以及與原型的阻力系數,得出非黏性土均質壩相似準則;Hassan等*6+對壩體材料、庫容以及上下游水位差等影響潰壩的因素進行研究%—些國家在20世紀90年代開展了部分大型潰壩研究項目,如美國國家大壩安全計劃(NSDP)項目、歐洲IM-PACT,CADAM等項目*7-9+%目前,尾礦庫潰壩試驗系統一般包括主體模型、下型、以及'回收。圖1為中國安全生產科學研究院自主」的潰壩試驗臺%
圖1尾礦庫潰壩模擬試驗場
Fig.1Test fieli of dam break simulation for tailings pond
12潰壩機理試驗
潰壩理試驗主要研究滲透、水、地震作用等多種致災因素的潰壩及其演程。早期主要參考土石壩、水壩及堰塞湖的研究,匡國富*10+將然壩體潰壩為溢流侵蝕型、滑動崩決型以及逆流漸進型3種%但壩是人造壩,潰決時會形成人造泥石流,等*11+提出尾礦壩與擋水土石壩存在筑壩方式、尾砂沉積、潰決機理及下4個方面差異,并將壩潰壩為漫頂潰壩(溢流侵蝕型)、浸潤線過高(逆向漸進型)以及潰壩3種,但未考慮地震用的致災機理;潘建平等*12+將地震液壞:分為基礎破壞、初期壩破壞、子壩破壞以及內坡滑移破壞4%
魏勇等*13+將壩基管涌破壞分為無明顯滲透變形、、發展以及整體破壞4個,提出壩基?水力梯度與壞的;光等*14+研究降雨漫潰壩時潰口寬度及深度與時間的;敬非等*15+發水狀況下,浸潤線變,最大水力位于壩坡中部,并提出逆流漸進型潰決的過程與機理,垮塌以變形為主轉變為水平變形為主;楚金旺等*16+提出洪水潰壩的機理,水流侵蝕、縱向陡坎沖蝕與橫向坍塌分別是前、中、后期潰壩的主要特征;曹帥等*17+研究赤泥潰壩的發展過程,推導出赤泥流在下內演進的最大淹沒高度;黨
璋等*18+研究松散狀態、狀態、狀態下3不
堆積度的水潰決程,出提
壩堆積度能夠有效延遲潰壩泥石流的形成時間;楊玉婷等*19+自的潰壩試驗裝置,開展」庫室內堆(潰)壩模型試驗研究,分析在滲流破壞情況下潰壩程、潰發展、下泥砂沉積律%主要潰壩理研究試驗1%
1.2下性試驗
下演進特性試驗主要潰壩程中泥深、
力、流、泄砂、淹沒等規律進行探討。模型下游主要采用三維地形或置,三地似比進,面寬度、程進%試驗假定潰口大小及工程狀況,潰口的控制通過可移動擋板進,或電磁鐵自動來(全潰%試驗材多采用或體%敬非等*20+、尹光等*21+研究發現泥深、力潰門、壩體度的大非線性大,在一面泥深發展為迅長、定、降低3個;等*22+試驗發,潰坍塌、地等定性影響,泥深、流波動性變化;等*23+研究自然情況、工程等況下泥深、等特來析淹沒范圍;保泉等*24+探究2條件下,潰壩泥石流的流速變化、度和沉積深度等流動特性,并預測下游潰壩影響,研究發現在靠近潰壩的r 度最大,但沉積深度最,泥流的動,
度隨地差交替變化,而沉積深度總體%主要下演進試驗2
%
第12期中國安全生產科學技術?63?
表1潰壩機理研究試驗
Table1Rearch tests of Sam brrak mechanism
參考文獻試驗內容模型尺寸及比尺試驗材料*13]尾礦壩壩基管涌破壞演化過程砂槽模型(1.6mx0.33mX1.07m,1:250)超細尾礦:14:上游式尾礦壩降雨漫頂潰壩的潰口擴展機理室內模型(3.1m X0.72m X0.26m,1:50)經配置尾礦漿*15]尾礦庫洪水情況滲透垮塌機制及潰決模式試驗槽(1.8m X0.5mX0.5m,1:300)超細*16]尾礦壩洪水漫頂潰壩垮塌機制室外模擬平臺(4m X0.2m X0.4m,1:100)尾粗砂:17:變壩坡赤泥庫漫頂潰壩發展過程及其機理室內模型(3.1m X0.72m X1.52m,水平:160,垂直1:100)電廠粉煤灰
*18]研究不同堆積密實度下尾礦庫發生洪水漫頂
的潰決程及理
尾礦庫潰壩模型平臺(1:35)粉煤灰
*19]滲流破壞情況下尾礦庫潰壩過程、潰口發展、
下泄泥砂沉積規律
室內堆(潰)壩模型(1:100)
堆壩
砂
表2下游演進試驗
Tabee2Tests of Sownstrram evoletion
參考試驗內型寸及比試驗材*20]3種不同潰口下,泥深、流速以及沖擊力特性模擬試驗臺(1:400)石膏粉漿體*21:下游壩、上游主壩或子壩潰壩時下斷面參數、泥沙沖刷量河工模型(水平1:200,垂直1:150)擬焦沙*22:不同壩高潰壩,流態、沖擊力特性相似模擬試驗系統(高0-25-0.3m)體*23:漫頂潰壩時流量過程及提出洪水預測數學模型大型物理模型(35mX8mX5m,1:180)擬焦沙
*24:2種不同溝槽條件下泥石流流速變化、沖擊高度和
沉積深度等流動特性及下游潰壩影響范圍
室外物理模型(1:200)
石膏粉、原尾砂與
水的混合體
1.3穩定性評價試驗
穩定性評價試驗的主要步驟為:1)根據相似原理構建物理模型;2)采集尾礦沉積分布及浸潤線分布等試驗數據;3)以試驗資料為基礎,進行數值計算分析,主要分析方法為有限元法和極限平衡法;4)進行穩定性評價并提出相應建議%
張東明等[25]發現高濃縮尾礦壩堆壩時泥夾層現象明顯,改進上游法有助于改善滲透性,使壩體穩定性提高19%?32%'尹光志等
*旳、敬小非等切以秧田菁尾礦庫與小打鵝尾礦庫為背景進行試驗,將得到的尾礦沉積與分布狀況以及浸潤線深度進行穩定性分析,發現洪水狀況下較為危險,須采取排滲措施;張敏哲等1281通過對西門鐵礦尾礦壩的試驗發現,壩體中部是工程的關鍵部位,其加壓時變形最大,且壩體存在臨界高度,超出臨界高度易失穩破壞;張衛中等*切以云南某銅礦尾礦庫為背景,得到不同壩高的浸潤線分布數據并進行堆壩速率對安全系數影響的數值分析,發現分析結果與傳統固結理論相反,堆積加快并不會使固結時間縮短,安全系數不增反降%主要穩定性評價試驗見表3%
1-4尾礦庫防護試驗
尾礦庫防護試驗主要對壩體加筋及攔擋壩防護效果進行研究%趙一姝等[30]通過試驗將加筋壩體漫頂潰
表3穩定性評價試驗
Table3Tests of stability evaleation
參考試驗內型寸及比試驗材件*25]傳統與改進上游法堆壩穩定性對比室內模型(11.0m X7.0m X1.5m,1:150)細砂、砂等SLOPE/W *26]洪水狀況下尾礦庫穩定性評價室內模型(1:200)尾細砂、尾粉砂SLIDE *27:正常狀態與洪水狀況下穩定性分析試驗槽(7m X2.5m X1.5m,1:200)廢石、礦渣ANSYS *28]不同荷載下尾礦壩穩定性分析試驗槽(3.5m X1.5m X1.4m,1:100)砂無*29:堆壩壩定性影響試驗槽(8mX5mX1.5m,1:200)尾粉砂、尾粉土SIGMA/W 等
-64-中國安全生產科學技術第16卷
壩過程分為5個階段,并發現加設筋帶可降低壩體滲透速率及增強抗滑移能力,但會使浸潤線上升;尹光志等[31]研究發現加筋破壞呈楔形破壞,加筋提高壩體強度及減少水平與垂直位移,加筋間距對位移和載荷承受能力影響不大;敬小非等陽研究發現筋帶密度增加使潰口形狀從“Y)型向“H)型轉變,
限制潰口橫向、縱向的發展;唐建新等[33]研究發現細尾礦庫加筋時破壞滑動面與未加筋時有所差異,無明顯連續破壞面%主要尾礦庫防護試驗見表4%
2存在的問題分析
2.模型試驗與原型差異性
尾礦庫潰壩發生和演進過程是滲流場、應力場和位移場的多場耦合作用的時空過程%常規的物理模擬試
表4尾礦壩防護試驗
Table4Protective tests of tailicgs Sam
參考文獻試驗內容模型尺寸及比尺試驗材料*30]加筋與未加筋粗尾礦壩潰壩破壞情況對比試驗槽(1.4m X0.2m X0.3m)尾粗砂*31]垂直荷載作用下加筋與未加筋破壞模式對比試驗槽(1.75mX0.5m x0.25m,1:200)尾細砂*32:筋帶密度對漫頂潰壩影響試驗槽(1.4m X0.6m X0.4m)尾細砂
*33]筋與筋細潰壩壞況比
試驗槽(1.4m X0.5m X0.25m,1:200)細砂
驗無法模擬尾礦在高應力條件下的物理特性,尾礦砂特性與砂土、粉土相似,但加卸載均極易破碎,具有反向剪縮特點;上游法筑壩時尾礦上粗下細、前粗后細的沉積分布特征以及夾層、千層餅等現象,與一般試驗采用的單種材料或者分區簡易設置2-3種不同粒徑材料的布置方式有較大差異;而且粗粒尾礦一般用于填補采空區,庫內尾礦顆粒通常極細,試驗材料粒徑按照比例尺縮放會導致黏聚力高、流態與崩塌特性失真等不良效果%除縮尺效應外,邊界效應也會對試驗結果帶來偏差,如容器邊界作用以及糙率的影響%
2.2試驗內容分析
從試驗內容來看,目前多是對洪水狀況、地震等致災因素造成的潰壩機理進行宏觀尺度上的分析,有必要從細觀、微觀多尺度進行潰壩分析%試驗對下游演進過程的泥深、流速等特征指標進行定量分析時,常以測量結果與建立的數學模型進行比較,缺少實際事故監測資料的驗證對比%由于工程的特殊性與復雜性,尾礦庫的穩定性受到多種復雜因素影響%國內尾礦庫潰壩試驗對結果的誤差分析研究較少,且尾礦壩潰壩演進過程較水壩更為復雜%
2=3分
測量方法的好壞直接決定試驗的成敗,尤其是重復性差、耗時耗財的大型室外模擬試驗%試驗通常采用鋼及來泥深,邊及{在或邊界上的泥漿會造成測量誤差%對于流速的測量,接觸式的流速儀對水流
干擾較大;電磁流速彳受磁場影響較大且不適用于磁鐵礦等;熱線熱膜流速儀不適用測量泥砂流速%地形測量儀測量潰口展寬受水流及泥沙影響較大;由于下泄物質的阻擋,人工難以準確測量沖溝或陡坎擴展狀況,在室外,大尺度模型試驗存在安全問題%此外,對模型的壩體內部變形量和位移的監測、下泄物質的容量等測量也是需要攻克的難題%
3研究建議
1)建議采用多尺度模型,結合室外大比尺與多組室內小比尺試驗,減少縮尺效應;加強歷史數據、現場監測結果、物理模擬試驗及數值模擬的結合及比較,研究試驗誤差范圍及適用范圍;結合離心模型試驗以及大型水工模型試驗,深入研究尾礦壩在水流漫頂潰壩、排水系統淤堵潰壩、滲透破壞和壩坡失穩等主要致災因素作用下的尾礦庫潰壩機理與過程%
2"因相似準則往往不相容,可考慮主要影響因素及積聚效應,應根據洪水漫頂、滲透破壞、地震等潰壩因素的差異以及其研究內容側重點不同分別建立相應的相似條件;在下游演進特性試驗中,應重點研究沖擊力、泥深厚度及淹沒范圍等,而不是單個尾砂顆粒的運移軌跡及速度%
3)深入研究潰壩下泄物運移過程的能量特征、波及范圍及運動距離%水壩、尾礦壩、泥石流、碎屑流等災害事故演化規律既有共性又存在差異,下泄物質分別為水、水砂混合物、水土混合物、砂礫混合物等%通過研究不同下泄物質組成成分對流動特征的影響及機理,使水壩、泥石流等研究成果可以通
過一定的關系推廣至尾礦庫的研究,以加深下泄物質流動規律的認識,更準確地進行災害評估及致災范圍預測,對實際工程進行指導%4)物理模型的設計和構建直接影響試驗結果,但構建手段和技術目前無較大的提升%如下游地形采用直道或者彎道時,并不能很好地反應復雜地形條件對下泄物質流動造成的影響%采用漿砌的下游地形存在可重復性低、構建周期長等缺點,且模型存在一定的誤差%
第12期中國安全生產科學技術-65-
目前,迅速發展的3D打印技術為構建物理模型提供了新途徑,基于激光掃描或無人機航測等技術獲取地形地表數據;基于地表粗糙度應用3D打印技術建立復雜地質條件下的三維地表模型%也可通過設計下游地形可變化的物理模型試驗場,對不同實際工程進行多次重復物理試驗,減少地形因素對試驗結果的影響%
5)利用和發展現有的監測技術和手段,以自動化數據采集替代人工讀數,結合數值計算方法,建立三維全場實時信息系統,研究潰壩前水位、應力應變和位移等參數變化特征,建立安全評價體系及預警閾值,為預警預報提供理論基礎。同時,基于對水固二相流監測技術和裝備的研發,研究尾礦庫預警技術,并開發尾礦庫監控、評估、預警和預測于一體的專業軟件%
4結論
1"物理模擬試驗是研究尾礦庫潰壩發生、發展及致災后果的重要手段%近年來國內主要開展的尾礦庫物理試驗可歸結為4類:潰壩機理研究試驗、下游演進研究試驗、穩定性評價試驗、尾礦庫防護試驗%
2"尾礦庫物理模擬試驗主要由相似理論、相似材料、試驗方法、試驗裝置、監測技術及結果處理分析等構成%目前在模型試驗與原型差異性分析、試驗內容分析、測量手段分析等方面存在一定問題%
3)針對目前尾礦庫潰壩物理模型試驗的主要研究內容和存在的問題,從尾礦潰壩試驗在潰壩機理與過程、潰壩主要影響素、潰壩下移程、理型的設計和構建、監測技術和手段等方面提出5條建議,供研究學者參考%
參考文獻
[1+AZAM S, LI Q.Tailings dam failure: a review last one hundred years * J].Wastes GEO Technics,2010,12:50-33?
*2+柴敬,袁強,汪志力,等?物理模型試驗方法的應用分析*J]?西安科技大學學報,2013,33(5):505-311?
CHAI Jiny,YUAN Qiany,WANG Zhili,et al.Application analysis of physical model test method*J+.Journal of Xi'an University of Sci-ence and Tcchnolovy,2013,33(5):505-511.
*3+王協康,方鐸?泥石流模型試驗相似律分析*J]?四川大學學報:工程科學版,2000,32(3):9-12?
WANG Xiekany,FANG Duo.Study on laws of debris flow model sim-ilaeity*J].JouenaloeSichuan Unieeesity:EnyineeeinyScienceEdi-E/i,2000,32(3):9-12.
*4+COLEMAN S E,ANDREWS D P,WEBBY M G.Ovartoppiny breac-hing of non-cohesive homogeneous embankments*J+.Journal of Hy-draulic Engineering,2004,128(9):829-838.
*5+DUPONT E,DEWALS B,ARCHAMBEAU P,et ol.Experimental and numerical study of the breaching of an embankment dam*J+.
Journal of Bocteriolovy,2007,189(9):3645-3649.*6+HANSON G J,TEMPLE D M,ROBINSON K M,et ol.Oves view of
dam gully erosion rearch*J+.International Journal of Sedirnent Rc-
a ech,2005,20(3):259-269.
*7+MORRIS M W,HASSAN M,KORTENHAUS A,et ol.Modeling
breach initiation and growth*R+.Munich:Hr Wallingford Limited,
20089
*8+MORRIS M W.CAD AM:concerted action on dam break modelOny *R].Munich:Hr Wdingford Limited,2000.
*9+MORRIS M W,HASSAN MAA M,VASKINN K A.Conclusions and recommendations from the IMPACT Project WP2:breach forma-tion*R].Munich:Hr Wdingford Limited,2004.
*10+匡尚富?天然壩潰決的泥石流形成機理及其數學模型*J]?泥沙研究,1993(4):42-57.
KUANG Shangfu.Formation mechanisms and prediction models of
debris flow duc to natural failures*J+.Journal of Sediment Re-
arch,1993(4):42-C7?
*11+趙天龍,陳生水,鐘啟明?尾礦壩潰決機理與潰壩過程研究進展*J]?水利水運工程學報,2015(1):105-111.
ZHAO Tianlony,CHEN Shenyshui,ZHONG Qiminy.Adeancesin
studies of tailing dam break mechanism and process*J+.Hydro-
Science and Engineering,2015(1):105-111.
*12+潘建平,王笙屹,朱洪威?尾礦壩液化流滑破壞模型與穩定措施研究*J]?金屬礦山,2011(4):134-136.
PAN Jianpiny, WANG Shengyi,ZHU Honywci.Study on flow slide
destruction models induced by ismic liquefaction and stabilizing
measures of tailings dam*J+.Metal Mine,2011(4):134-136.
*13+魏勇,趙安文,許幵立?尾礦庫壩基管涌破壞試驗*J]?金屬礦山,2015(9):157-160?
WEI Yong, ZHAO Anwen,XU Kaili.Failure experiment of tailings
dam foundation piping*J+.Metal Mine,2015(9):157-160.
*14+肖經光,姚美良,槐以高,等?上游式尾礦壩漫頂潰壩的潰口擴展機理*J]?價值工程,2017,36(19):117-119.
XIAO Jingyuany,YAO Meiliany,HUAI Yioao,et al.Expansion
mechanism of collap gates of upstream tailings dam break duc to
ovartoppiny*J+.Value Engineering,2017,36(19):117-119.
*15+敬小非,尹光志,魏作安,等?尾礦壩垮塌機制與潰決模式試驗研究*J]?巖土力學,2011,32(5):1377-1384,1404.
JUG Xiaofci,YIN Guangzhi, WEI Zuoen, et al.Model experimental
study of collap mechanism and broken mode of tailings dam*J+.
Chine Journal of Rock and Soil Mechanics,2011,32(5):1377-
1384,1404.
*16+楚金旺,宋會彬,張紅武?尾礦庫漫頂潰壩模型試驗研究*J].
中國礦山工程,2015,44(3):73-77.
CHU Jizwang,SONG Huibin,ZHANG Hongwu.Experimental study
on tailing dam break duc to ovartoppiny*J+.Chino Mine Engineer-
ing,2015,44(3):73-77.
*17+曹帥,張紅武,趙晨蘇,等.變壩坡赤泥庫漫頂潰壩模型試驗研究
*J].水利學報,2019,50(4):428-39.
CAO Shuoi,ZHANG Hongwu,ZHAO Chensu,et ol.Experimental
study on dam-break of a red mud rervvis with complex dam slopes
*J+.Journal of Hydraulic Engineering,2019,50(4):428-439.
*18+黨顯璋,高茂生,張力霆,等?不同堆積密實度下尾礦庫洪水漫