CN104021280B - 一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法，其步骤如下：（1）、通过分析尾粉砂颗粒级配特征，确定尾粉砂产生管涌的颗粒级配条件；（2）、测定临界水力梯度与孔隙之间的关系；（3）、得到特定条件下尾粉砂临界水力梯度与孔隙率(比)之间关系式；（4）、推导出计算临界水力梯度的计算通式，从而计算出临界水力梯度。其优点是：直接采用常规物理指标与颗分试验的颗粒级配特征参数进行计算，无需增加额外的工作量；通过采用特点的尾粉砂试样测得的函数关系，经过理论推导得的适用于任意尾粉砂的计算通式，计算结果准确性高；在实体工程中，那种类型的临界水力梯度值小就表现那种破坏类型，可准确判定该尾粉砂发生渗透变形的破坏类型。

Description

一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察、设计领域，具体地说是一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法。

背景技术

上游法尾矿坝是尾矿库最主要的筑坝方法之一，尾矿堆积坝是否稳定，直接涉及尾矿库能否安全正常使用。渗流稳定性验算是进行上游法尾矿堆坝设计、治理与安全运行评价的重要内容之一，而尾矿的渗透变形临界水力梯度是进行渗流稳定性验算的主要参数。尾矿发生渗透变形的破坏类型有流土与管涌两种类型。管涌是指在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙孔道中发生移动并被带出，逐渐形成管形通道，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳的现象。一般管涌多发生在非粘性土中，其特征是：颗粒大小比值差别较大，往往缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙，颗粒多由比重较小的矿物构成，易随水流移动，有较大的和良好的渗透水流出路等。《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-1999)给出了常规土发生管涌的临界水力梯度计算公式。

J_cr＝2.2(G_s-1)(1-n)²d₅/d₂₀ 式一

式中，d₅、d₂₀—分别占总土重的5％和20％的土的粒径(mm)。

将管涌型尾粉砂相关物理指标代入(1)式计算的临界水力梯度远小于实测值(见表1)。

临界水力梯度对比表 表1

构成尾矿堆积坝的细粒尾矿分别是尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土及尾粘土四类，与天然土相比，这四类尾矿只有尾粉砂的结构具有能形成管涌的部分特征，实体工程案例与室内试验证明，在某些级配条件下，尾粉砂在动水压力作用下，确实能产生管涌型渗透变形。

尾粉砂与天然土相比，磨圆度差，基本呈棱角状，分选性差，比重大，级配连续，主要粒组含量在0.075-0.25mm之间，颗粒直径分布范围窄，孔隙率大多在0.35-0.55之间。尾粉砂在动水压力作用下，抵抗管涌发生的能量主要由能移动的颗粒的浮重力与孔隙通道对能移动的颗粒的摩阻力构成，尾粉砂的结构构造特点决定了尾粉砂的临界水力梯度大于常规的砂性土。公式(1)考虑了颗粒的浮重力的变化，造成计算结果远小于实测值的因素是由于常规土的孔隙阻力分量计算方法不适用于尾粉砂。

发明内容

本发明的目的是研究一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法。

本发明一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法，其步骤如下：

(1)、通过分析尾粉砂颗粒级配特征，确定尾粉砂产生管涌的颗粒级配条件：

将收集的尾矿堆积坝的尾粉砂的室内试验资料，按工程调查与室内试验检验得到的渗透变形破坏类型，进分类统计分析，分别绘制总体呈流土型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图、颗粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图，有管涌现象堆积坝不均系数与不小于0.005含量散点图、有管涌现象堆积坝不均系数与小于0.075含量散点图；将颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图与有管涌现象堆积坝不均系数与不小于0.005含量散点图、粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图与有管涌现象堆积坝不均系数与小于0.075含量散点图叠加，取主要重合部分的平均值作为流土与管涌的区分界限，并经室内试验校验得到尾粉砂发生管涌的级配条件；

尾粉砂发生管涌的颗粒级配条件 表2

其中，在尾矿堆积坝岩土勘察时，按照一定的间距(1m或2m，一般不大于2m)采取尾粉砂原状或扰动试样密封包装送到试验室；在室内将野外采取的尾粉砂原状试样，按相关的土工试验规程进行物性与颗粒分析试验，要求测得粘粒组含量，当粘粒组含量不大于10％时，计算不均匀系数与d₅/d₂₀值；

(2)、测定临界水力梯度与孔隙之间的关系：

①从尾矿库(铁矿)采取了具有管涌特征的尾粉砂试样，将试样风干、拌匀，取代表性试样测定其比重与级配特征，判定试样是否属管涌型；

②取经判定符合要求的试样，测定其最大干密度与最小干密度，在最大干密度与最小干密度之间设定4-5个干密度值，使试样的孔隙率在0.35-0.55之间；

③按该密度值制备试样进行渗透变形试验，测定其发生管涌的临界水力梯度，每个密度值平行测2次，两次平行差小于10％时有效，取其平均值，两次平行差大于10％时重做，对应的临界水力梯度试验成果汇总；

临界水力梯度试验成果汇总表 表3

④绘制临界水力梯度与孔隙率关系曲线图和临界水力梯度与孔隙比关系曲线图；

(3)、根据临界水力梯度与孔隙率关系曲线图和临界水力梯度与孔隙比关系曲线图得到特定条件下尾粉砂临界水力梯度与孔隙率(比)之间关系式：

即：

J_cr＝0.1919n^-2.0578 式二

J_cr＝0.7781e^-1.2143 式三

式中：J_cr---临界水力梯度；

n---孔隙率(比)；

e----孔隙率(比)。

(4)、根据尾矿颗粒浮密度、d₅/d₂₀比值与临界水力梯度成正比例关系，推导出用尾粉砂的孔隙率(比)、d₅/d₂₀比值及颗粒比重等参数计算其临界水力梯度的计算通式：

即：

J_cr＝2.17(G_s-1)e^-1.2143d₅/d₂₀ 式十二

J_cr＝0.5352(G_s-1)n^-2.0578d₅/d₂₀ 式十三

式中：J_cr----临界水力梯度；

G_s----尾粉砂的比重；

e----孔隙比；

n----孔隙率；

d₅----含量为5％的颗粒直径(mm)；

d₂₀----含量为20％的颗粒直径(mm)。

本发明提供的一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法的优点如下：

(1)本计算方法直接采用常规物理指标与颗分试验的颗粒级配特征参数进行计算，无需增加额外的工作量。

(2)本方法是通过采用特点的尾粉砂试样测得的函数关系，经过理论推导得的适用于任意尾粉砂的计算通式，计算结果准确性高。

(3)本方法计算得到的尾粉砂管涌临界水力梯度值与采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-2008)推荐的公式进行计算的流土的临界水力梯度值进行比较，在实体工程中，那种类型的临界水力梯度值小就表现那种破坏类型，可准确判定该尾粉砂发生渗透变形的破坏类型。

附图说明

图1为本发明一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度计算方法的尾粉砂临界水力梯度与孔隙率关系曲线图。

图2为本发明一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度计算方法的尾粉砂临界水力梯度与孔隙比关系曲线图。

图3为本发明适用于呈流土型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图。

图4为本发明适用于呈流土型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图。

图5为本发明适用于呈管涌型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图。

图6为本发明适用于呈管涌型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图。

具体实施方式

本发明提供的一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法，其步骤如下：

(1)将收集的40座上游法尾矿堆积坝的4000余组尾粉砂的室内试验资料，按工程调查与室内试验检验得到的渗透变形破坏类型，进分类统计分析，分别绘制总体呈流土型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图3、颗粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图4，有管涌现象堆积坝不均系数与不小于0.005含量散点图5、有管涌现象堆积坝不均系数与小于0.075含量散点图6。将图3与图5、图4与图6叠加，取主要重合部分的平均值作为流土与管涌的区分界限，并经室内试验校验得到尾粉砂发生管涌的级配条件，如表2所示。

尾粉砂发生管涌的颗粒级配条件 表2

其中，在尾矿堆积坝岩土勘察时，按照一定的间距(1m或2m，一般不大于2m)采取尾粉砂原状或扰动试样密封包装送到试验室；在室内将野外采取的尾粉砂原状试样，按相关的土工试验规程进行物性与颗粒分析试验，要求测得粘粒组含量，当粘粒组含量不大于10％时，应计算不均匀系数与d₅/d₂₀值。

(2)测定临界水力梯度与孔隙之间的关系

①在武钢大冶白雉山尾矿库(铁矿)采取了具有管涌特征的尾粉砂试样。将试样风干、拌匀，取代表性试样测定其比重与级配特征，依据表2判定试样是否属管涌型。

为了探讨尾粉砂孔隙特性与临界水力梯度的关系，

②取经判定符合要求的试样测定其最大干密度与最小干密度，在最大干密度与最小干密度之间设定4-5个干密度值，使试样的孔隙率在0.35-0.55之间。

③按该密度值制备试样进行渗透变形试验，测定其发生管涌的临界水力比降，每个密度平行测2次，两次平行差小于10％时有效，取其平均值，两次平行差大于10％时重做，对应的临界水力梯度试验成果汇总表见表3。

临界水力比降试验成果汇总表 表3

④绘制临界水力梯度与孔隙率关系曲线，见图1；临界水力梯度与孔隙比关系曲线，见图2。

(3)由图1、图2得到尾粉砂在比重与级配特征保持不变时临界水力梯度与孔隙率、临界水力梯度与孔隙比之间的关系。

即：

J_cr＝0.1919n^-2.0578 式二

J_cr＝0.7781e^-1.2143 式三

(4)临界水力比降的大小受悬浮颗粒的浮重度、孔隙特性影响。尾粉砂的比重因矿种的差异，比重基本在2.60-3.50之间波动，对临界水力比降值有很大的影响，假定两种比重不同的管涌型尾粉砂的孔隙率完全一样，令其孔隙对临界水力比降的影响因子为N；第一种比重为G_s1、临界水力比降为J_cr1；第二种比重为Gs₂、临界水力比降为J_cr2。

则有：

J_cr1＝(G_s1-1)N 式四

J_cr2＝(G_s2-1)N 式五

两式相除并整理得：

J_cr2＝(G_s2-1)J_cr1/(G_s1-1) 式六

根据式一也可推导出与式六相同的结论。

将式二及对应的比重值代入式六得

J_cr＝(G_s2-1)0.1919n^-2.0578/(3.2-1)

J_cr＝0.08723(G_s-1)n^-2.0578 式七

同理将式三及对应的比重值代入式六得

J_cr＝0.3537(G_s-1)e^-1.2143 式八

管涌型尾粉砂的颗粒形状特征与级配特征基本一致，发生管涌时，均是粘粒与极细粉粒在砂粒组的孔隙中移动，粘粒与极细粉粒相对含量的大小对尾粉砂的临界水力梯度值有一定的影响。在《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-1999)中，这种影响因素用d₅/d₂₀(d₅、d₂₀-----分别占总土重的5％和20％的土的粒径)值表示，且临界水力梯度值与d₅/d₂₀值成正比。

假定两种管涌型尾粉砂的比重、孔隙率完全一样，令其孔隙对临界水力比降的影响因子为N₁，比重影响因子为N₂，第一种d₅/d₂₀值x₁、临界水力比降为J_cr1；第二种d₅/d₂₀值x₂、、临界水力比降为J_cr2。

J_cr1＝x₁N₁N₂ 式九

J_cr2＝x₂N₁N₂ 式十

两式相除并整理得：

J_cr1/J_cr2＝x₁/x₂

即：

J_cr＝x J_cr1/x₁ 式十一

表3中x₁(d₅/d₂₀)值为0.163，将式七、式八分别代入式十一中，得：

J_cr＝2.17(G_s-1)e^-1.2143d₅/d₂₀ 式十二

J_cr＝0.5352(G_s-1)n^-2.0578d₅/d₂₀ 式十三

式中：J_cr----临界水力梯度；

G_s----尾粉砂的比重；

e----孔隙比；

n----孔隙率；

d₅----含量为5％的颗粒直径(mm)；

d₂₀----含量为20％的颗粒直径(mm)。

式十二、式十三即是采用尾粉砂的物性指标计算其临界水力梯度的通用计算公式。

试验检验

为了检验计算式的计算结果的可靠性，分别从某铁矿、铜矿和金矿尾矿库各采取了一组尾粉砂样品，在试验室风干碾散，用比重瓶法测定其比重。将每组样品分别过0.075mm筛，分成筛上与筛下两部分。按试验设计的比例称取相应的筛上与筛下尾砂拌匀，制成9个试验样品。选用密度计法分别测定9个试验样品的颗粒级配特征参数。

按设计的控制干密度从试验样品种称取砂样，加入砂样质量的1-2％的水拌匀，在渗透变形试验仪试样管中分层击实成型。在试样的出水端放置多孔(孔径3-5mm)透水板，并锁定。按渗透变形试验的要求，对试样进行饱和与分级施加水头(试验用水为脱气自来水)，试样破坏时，结束试验，试验结果见表4。

室内检验测试成果汇总表 表4

由表4可知实测值与计算值基本吻合，实测临界水力梯度平均值略大于用公式计算的平均值，计算结果偏于安全。

表4中的实测与计算的临界水力梯度是指尾粉砂发生管涌的临界值，当其发流土的临界水力梯度值小于发生管涌的临界值时，发生渗透变形的破坏类型应为流土，取流土的临界水力梯度值为其临界水力梯。流土的临界水力梯度值可按《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-2008)推荐的公式进行计算。

本发明提供的适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法的原理如下：

通过分析尾矿堆积坝的尾粉砂的颗粒级配特征和其堆积体的孔隙特征，发现了尾粉砂产生管涌型渗透变形的颗粒级配条件；取符合管涌型渗透变形的颗粒级配条件的尾粉砂试样测定其在不同密度状态时，产生管涌的临界水力梯度值与孔隙率(比)之间的函数关系；利用临界水力梯度与颗粒浮密度、级配特征参数d₅/d₂₀(d₅、d₂₀-----分别占总土重的5％和20％的土的粒径)值与临界水力梯度呈正比例关系，推导得到尾粉砂发生管涌的临界水力梯度计算公式。

Claims (1)

1.一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法，其特征在于：其步骤如下：

（1）、通过分析尾粉砂颗粒级配特征，确定尾粉砂产生管涌的颗粒级配条件；

将收集的尾矿堆积坝的尾粉砂的室内试验资料，按工程调查与室内试验检验得到的渗透变形破坏类型，进分类统计分析，分别绘制总体呈流土型的尾矿堆积坝的尾粉砂颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图、颗粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图，有管涌现象堆积坝不均系数与不小于0.005含量散点图、有管涌现象堆积坝不均系数与小于0.075含量散点图；将颗粒直径小于0.005mm的含量与不均匀系数的关系散点图与有管涌现象堆积坝不均系数与不小于0.005含量散点图、粒直径小于0.075mm的含量与不均匀系数的关系散点图与有管涌现象堆积坝不均系数与小于0.075含量散点图叠加，取主要重合部分的平均值作为流土与管涌的区分界限，并经室内试验校验得到尾粉砂发生管涌的级配条件；

其中，在尾矿堆积坝岩土勘察时，按照1m或2m的间距，采取尾粉砂原状或扰动试样密封包装送到试验室；在室内将野外采取的尾粉砂原状试样，按相关的土工试验规程进行物性与颗粒分析试验，要求测得粘粒组含量，当粘粒组含量不大于10%时，计算不均匀系数与d₅/d₂₀值，d₅、d₂₀分别为占总土重的5%和20%的土的颗粒直径、单位mm；

（2）、测定临界水力梯度与孔隙之间的关系：

①从尾矿库或铁矿采取了具有管涌特征的尾粉砂试样，将试样风干、拌匀，取代表性试样测定其比重与级配特征，依据步骤（1）级配条件判定试样是否属管涌型；

②取经判定符合要求的试样，测定其最大干密度与最小干密度，在最大干密度与最小干密度之间设定4-5个干密度值，使试样的孔隙率在0.35-0.55之间；

③按该密度值制备试样进行渗透变形试验，测定其发生管涌的临界水力梯度，每个密度值平行测2次，两次平行差小于10%时有效，取其平均值，两次平行差大于10%时重做；

④绘制临界水力梯度与孔隙率关系曲线图和临界水力梯度与孔隙比关系曲线图；

（3）、根据临界水力梯度与孔隙率关系曲线图和临界水力梯度与孔隙比关系曲线图得到特定条件下尾粉砂临界水力梯度与孔隙率或孔隙比之间关系式：

即：

J_cr=0.1919n^-2.0578 式二

J_cr=0.7781e^-1.2143 式三

式中：J_cr---临界水力梯度；

n---孔隙率；

e----孔隙比；

（4）、根据尾矿颗粒浮密度、d₅/d₂₀比值与临界水力梯度成正比例关系，推导出用尾粉砂的孔隙率或孔隙比、d₅/d₂₀比值及颗粒比重等参数计算其临界水力梯度的计算通式，从而计算出临界水力梯度：

即：

J_cr=2.17（G_s-1）e^-1.2143d₅/d₂₀ 式十二

J_cr=0.5352（G_s-1）n^-2.0578 d₅/d₂₀ 式十三

式中：J_cr----临界水力梯度；

G_s----尾粉砂的比重；

e----孔隙比；

n----孔隙率；

d₅----含量为5%的颗粒直径(mm)；

d₂₀----含量为20%的颗粒直径(mm)。