金佳旭 李世旺

摘 要：寒區(qū)凍融環(huán)境條件下，尾礦砂的凍融、縮脹、損傷破壞給寒區(qū)尾礦壩工程造成極大的危害。為探究凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形規(guī)律，揭示其變形機(jī)制。采用自主設(shè)計(jì)的尾礦壩相似模型試驗(yàn)裝置，開展不同凍結(jié)溫度（-5、-25、-45 ℃）條件下，尾礦壩的變形規(guī)律模型試驗(yàn)。借助土壓力、激光位移、孔隙水壓力傳感器，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析凍融循環(huán)過程中尾礦壩各關(guān)鍵位置應(yīng)力、變形、孔隙水壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：壩體內(nèi)應(yīng)力隨凍結(jié)溫度的降低而增大;在凍融循環(huán)前期，尾礦壩各關(guān)鍵位置應(yīng)力增長速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段。壩體內(nèi)孔隙水壓力隨凍結(jié)溫度的降低而減小;壩體越深，孔隙水壓力的變化幅度越大，周期性更強(qiáng)，也更具有規(guī)律性。凍結(jié)溫度具有明顯的位置效應(yīng)，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

關(guān)鍵詞： 巖土工程;尾礦壩;凍融循環(huán);力學(xué)響應(yīng)特性;變形機(jī)制

中圖分類號(hào)：TU431? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The freezing and thawing， shrinkage， expansion and damage of tailings sand cause great damage to the project of tailing dam in cold regions. In order to explore the deformation law of tailing dam and reveal the deformation mechanism under freeze-thaw cycle，tailings dam of similar model test device was designed and carried out different freezing temperature （5， 25， - 45 ℃） under the condition of the deformation law. By means of soil pressure， laser displacement and pore water pressure sensor， the dynamic data acquisition instrument was used to collect relevant data and analyzed the dynamic change law of stress， deformation and pore water pressure at each key position of tailing dam during the freeze-thaw cycle. The test results show that： The internal stress of dam increases with the decrease of freezing temperature; In the early stage of freeze-thaw cycle， the stress growth rate at each key position of tailing dam is higher than that at other stages of freeze-thaw cycle.The pore water pressure in the dam decreases with the decrease of freezing temperature; the deeper in the dam， the larger the change range of pore water pressure， and the stronger periodicity and more regular.The freezing temperature has obvious position effect. The closer to the tailings dam edge， the larger the deformation amount of dam body， the deformation speed is faster.

Keywords：geotechnical engineering; tailings dam. freeze-thaw cycle; mechanical response characteristics; deformation mechanism

尾礦壩是金屬、非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源[1-8]。它不僅給生態(tài)環(huán)境的治理帶來困難，更會(huì)威脅到附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的季凍區(qū)面積約占全國面積的55%，而凍融循環(huán)是季凍區(qū)尾礦壩穩(wěn)定性的重要影響因素之一，直接影響尾礦砂物理力學(xué)性質(zhì)的變化[9-10]。同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壩體內(nèi)孔隙壓力等力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦壩壩體變形，即穩(wěn)定性發(fā)生變化。而尾礦壩穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)項(xiàng)目工程安全是否可靠的關(guān)鍵指標(biāo)，故研究凍融條件下尾礦壩力學(xué)響應(yīng)特性具有重大意義。

目前，針對(duì)凍融循環(huán)作用下尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究。Beier等[11]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室冷凍試驗(yàn)，結(jié)果表明，凍融是提高尾礦強(qiáng)度和表面穩(wěn)定性的一種技術(shù)方法。Maria[12]等研究了毛細(xì)作用對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響。張二軍等[13]使用高低溫試驗(yàn)箱和應(yīng)變控制式三軸剪力儀對(duì)處于不同初始條件下的尾礦砂進(jìn)行不排水、不固結(jié)試驗(yàn);彭成等[14]研究了細(xì)粒尾砂孔隙比與滲透系數(shù)常用對(duì)數(shù)的擬合規(guī)律;但是，這些研究多涉及凍融循環(huán)條件下的尾礦砂物理力學(xué)特性，而關(guān)于凍融循環(huán)條件下尾礦壩變形規(guī)律的研究鮮有報(bào)道，相關(guān)機(jī)理不甚清晰，因此，有必要開展不同凍結(jié)溫度對(duì)尾礦壩變形、內(nèi)力、孔隙水壓力的影響規(guī)律研究，明晰尾礦壩穩(wěn)定性的影響因素，進(jìn)而為提高季凍區(qū)尾礦壩的穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)資料，為保證季凍區(qū)尾礦壩的安全運(yùn)營與科學(xué)管理提供重要依據(jù)。

1 尾礦壩凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 相似模型定律

1.1.4 邊界相似 考慮到尾礦壩現(xiàn)場實(shí)際情況，模型的邊界條件設(shè)置為：左右界面全約束，上表面為自由面，后表面有水平方向約束，前表面為自由面。

1.2 試驗(yàn)裝置

采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“一種基于凍融循環(huán)作用的尾礦壩模型試驗(yàn)箱”，該設(shè)備密封性良好，溫度模擬準(zhǔn)確，同時(shí)，輔以溫度傳感器（GYH-2型）、土壓力傳感器（BX-1型）、激光位移傳感器（FT50220型）等，能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度條件下對(duì)模型壩體內(nèi)部應(yīng)力和各級(jí)子壩位移變形的監(jiān)測。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀選用靖江泰斯特電子有限公司生產(chǎn)的TST5912動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)（圖1）;試驗(yàn)選用美國Decagon公司生產(chǎn)的5TM孔隙水壓力傳感器。

1.3 試驗(yàn)材料

選用粉細(xì)砂狀的鉛礦砂為試驗(yàn)材料，風(fēng)干，過2 mm篩，取其細(xì)粒部分進(jìn)行試驗(yàn)。依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，測得尾礦砂平均比重為3.21、天然含水率為16.8%、干密度為1.77 g/cm3，液限WL為34.6%，塑限Wp為17.3%。主要的物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

因尾礦壩潰壩形式多為壩基及各級(jí)子壩發(fā)生橫向位移，即失穩(wěn)破壞，因此，需監(jiān)測初期壩及各級(jí)子壩處的橫向位移，以及在各級(jí)子壩及后方庫區(qū)內(nèi)布置土壓力及孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)。各監(jiān)測點(diǎn)布置位置按照工況要求，總體依照平均分布各點(diǎn)的思路，以便觀察和總結(jié)凍融循環(huán)作用下尾礦壩各位置的應(yīng)力、孔隙水壓的變化情況。具體監(jiān)測點(diǎn)布置見圖2。如圖2所示，7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處均設(shè)置有土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，模型外部共布置3個(gè)激光位移傳感器，分別為對(duì)準(zhǔn)初期壩、一級(jí)子壩、二級(jí)子壩中部，用于監(jiān)測各級(jí)子壩水平向的變形位移情況。模型內(nèi)，等間距設(shè)置有3根測壓管，保證能夠?qū)崟r(shí)確定浸潤線的位置。

綜合前人研究成果[18-19]，并根據(jù)礦區(qū)所在地區(qū)的氣候變化特征以及試驗(yàn)的可行性，最終確定凍融循環(huán)次數(shù)為8次，凍結(jié)溫度分別為-5、-25、-45 ℃，融化溫度均設(shè)定為25 ℃，每個(gè)循環(huán)凍結(jié)和融化時(shí)間均為12 h，保證模型內(nèi)尾礦砂能夠完全凍透和融透。

1.5 尾礦壩相似模型的建立

1.5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備 試驗(yàn)選用外徑32 mm，壁厚2 mm的高密聚乙烯（HDPE）管作為放礦管。尾礦砂漿采用攪拌機(jī)攪拌至均勻，按照實(shí)驗(yàn)方案控制攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，使尾礦砂漿能夠順利地通過放礦管。

1.5.2 模型制作 ①將自制的放礦管架設(shè)在尾礦壩模型的初期壩上，調(diào)整管道傾角，使尾礦砂能夠順利地通過放礦管流入至壩體模型中;②待尾礦砂鋪滿模型箱底部，按照實(shí)驗(yàn)方案埋設(shè)第1層土壓力傳感器（編號(hào)分別為1～3）后，用尾礦砂將傳感器上部鋪平，以保證試驗(yàn)過程能夠順利進(jìn)行;③待模型箱內(nèi)堆積尾礦砂高度增加之后，按照設(shè)計(jì)資料筑造一、二級(jí)子壩，同時(shí)，分別在一、二級(jí)子壩內(nèi)部及庫區(qū)埋設(shè)4、5號(hào)和6、7號(hào)土壓力傳感器;④將各傳感器與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連通，實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù);⑤實(shí)驗(yàn)過程中，需要不斷地將流入模型箱后方的水清除，定時(shí)檢查放礦管是否堵塞，以保證尾礦砂的順利流入;⑥當(dāng)壩體模型堆積完成后，靜置24 h，將模型箱放入主箱體內(nèi)，反復(fù)進(jìn)行8次凍融循環(huán)。圖3為堆壩完成后尾礦壩模型全貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以初期壩（2#監(jiān)測點(diǎn)）、一級(jí)子壩（4#監(jiān)測點(diǎn)）、二級(jí)子壩（7#監(jiān)測點(diǎn)）為例，對(duì)比分析凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化對(duì)各關(guān)鍵位置應(yīng)力、孔隙壓力、變形量的影響規(guī)律。

2.1 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值分析

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置應(yīng)力變化趨勢見圖4。凍融循環(huán)初期（前5次凍融循環(huán)），各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值呈增長趨勢，后3次凍融循環(huán)，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)，凍結(jié)溫度越低，壩體內(nèi)應(yīng)力越大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間越早，這是凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)耦合作用的結(jié)果。此外，在凍融循環(huán)前期，各位置應(yīng)力增長速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段，這是因?yàn)?，凍融循環(huán)前期，尾礦壩內(nèi)的溫度梯度大，凍融循環(huán)作用明顯，應(yīng)力增長速率大。通過上述分析可知，在解決凍融循環(huán)作用下尾礦壩失穩(wěn)或承載能力降低的實(shí)際工程問題上，要重點(diǎn)關(guān)注凍融循環(huán)前期的作用，也即在凍融循環(huán)開始前就做好對(duì)策。具體可采取的措施包括：在一定程度上阻隔或降低溫度傳遞，避免出現(xiàn)較大的溫度梯度，降低冰水的轉(zhuǎn)化速率。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力值分析

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置孔隙水壓力變化趨勢見圖5。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，且凍融循環(huán)前期的衰減幅度較大;同時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力隨凍結(jié)溫度的降低也呈減小趨勢，凍結(jié)溫度越低，經(jīng)歷8次凍融循環(huán)后的孔隙水壓力衰減幅度越大。凍結(jié)溫度的不同會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力產(chǎn)生周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦砂內(nèi)冰水相變效果不同，即孔隙水壓力出現(xiàn)差異。溫度降低過程中，孔隙水的吸附作用和毛細(xì)作用逐漸減小，孔隙水壓力下降，當(dāng)溫度達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)時(shí)，水逐漸凍結(jié)。其中，冰水界面曲率半徑、毛細(xì)勢和孔隙水壓力三者的大小成正相關(guān)關(guān)系，隨溫度的降低，冰水界面的曲率半徑逐漸減小，導(dǎo)致毛細(xì)勢和水壓力逐漸減小;未凍水膜厚度逐漸變小，導(dǎo)致吸附勢變小，孔隙水壓力也隨之變小。

此外，孔隙水壓力的大小和壩體深度也有一定的關(guān)系。在同一凍結(jié)溫度條件下，2#監(jiān)測點(diǎn)處孔隙水壓力的變化幅度要大于其他兩處，且周期性更強(qiáng)，也更具有規(guī)律性。在凍融循環(huán)過程中，孔隙水的深度和凍結(jié)速率會(huì)影響孔隙水壓力，越深或者凍結(jié)速率越小，越有利于孔隙水壓力的發(fā)育。在單向凍結(jié)過程中，較淺處的尾礦砂溫度梯度較大，其溫度變化也很快，因此，尾礦砂的凍結(jié)速率較快。而較深處的尾礦砂，溫度梯度較小，溫度變化速率也較緩慢，因此，尾礦砂的凍結(jié)速率也相對(duì)較小。凍融循環(huán)作用會(huì)改變尾礦砂的結(jié)構(gòu)，從而影響孔隙水壓力，較淺處的尾礦砂凍結(jié)速率較大，凍融循環(huán)對(duì)其影響程度更大，尾礦砂結(jié)構(gòu)的改變也更嚴(yán)重，此處的孔隙水壓力變化比較雜亂，很難得出明顯規(guī)律。而較深處的尾礦砂凍結(jié)速率小，凍融循環(huán)對(duì)其影響程度也不大，尾礦砂結(jié)構(gòu)幾乎保持不變，此處孔隙水壓力的變化規(guī)律性比較明顯。

（a）2#監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果 （b）4#監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

（c）7#監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

2.3 不同凍結(jié)溫度下尾礦壩的位移變化規(guī)律

不同凍結(jié)溫度條件下，尾礦壩各關(guān)鍵位置的位移變化趨勢見圖6。在凍融循環(huán)過程中，一、二級(jí)子壩均呈現(xiàn)變形先突然增大后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢，凍結(jié)溫度越低，變形幅度越大。原因在于，凍融循環(huán)前期，模型內(nèi)未凍結(jié)水較多，溫度降低凍結(jié)后，由于膨脹導(dǎo)致子壩變形大幅增大;在融化階段，凍結(jié)的冰開始融化，膨脹力減小，使得壩體變形減小，繼續(xù)凍結(jié)，由于此時(shí)尾礦砂傳遞熱量變慢，即使在相同的凍結(jié)溫度下，融化的水分也不會(huì)快速凝結(jié)成冰，尾礦砂內(nèi)的冰？水轉(zhuǎn)換趨于平衡，故而，出現(xiàn)尾礦壩變形繼續(xù)降低的現(xiàn)象。此外，凍融循環(huán)和凍結(jié)溫度具有明顯的位置效應(yīng)，越靠近尾礦壩，溫度梯度越大，凍融速度越快，進(jìn)而導(dǎo)致變形量越大，變形速率越大。因此，可以得出溫度是影響凍融循環(huán)作用的關(guān)鍵因素，壩體變形實(shí)際上同時(shí)受凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度的影響，在一定條件下，凍結(jié)溫度比凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)壩體變形的作用更為明顯，特別是在凍融循環(huán)后期，凍結(jié)溫度往往發(fā)揮主要作用。

3 結(jié)論

通過開展不同凍結(jié)溫度作用下尾礦壩的凍融循環(huán)試驗(yàn)，基于對(duì)壩體關(guān)鍵位置處的應(yīng)力、孔隙水壓力、位移等數(shù)據(jù)的分析，得到尾礦壩的應(yīng)力？變形演化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）凍融循環(huán)初期，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值均不斷增長，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值開始趨于穩(wěn)定;凍結(jié)溫度越低，壩體內(nèi)的應(yīng)力越大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)越早，在凍融循環(huán)前期，尾礦壩及尾礦庫各位置的應(yīng)力增長速度明顯高于凍融循環(huán)其他階段。

2）隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，壩體及庫區(qū)孔隙水壓力先降低后趨于穩(wěn)定，孔隙水壓力在凍融循環(huán)前期衰減速度較大;凍結(jié)溫度越低，孔隙水壓力越小，孔隙水壓力衰減速度越大。在負(fù)溫情況下，孔隙水壓力隨凍融循環(huán)的溫度改變呈規(guī)律性變化。

3）在凍融循環(huán)前期，一、二級(jí)子壩均呈現(xiàn)變形先突然增多后緩慢減小，最終穩(wěn)定的變化趨勢，凍結(jié)溫度越低，變形幅度越大;凍融循環(huán)和凍結(jié)溫度具有明顯的位置效應(yīng)，越靠近尾礦壩邊緣，壩體變形量越大，變形速度越快。

4）通過進(jìn)行不同凍結(jié)溫度下尾礦壩凍融循環(huán)試驗(yàn)，為凍融循環(huán)作用下尾礦壩變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供重要參考，實(shí)現(xiàn)凍融循環(huán)過程中尾礦壩結(jié)構(gòu)性演化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

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（編輯：王秀玲）