1、3.2.2 尾礦的滲透特性影響上游法筑壩尾礦庫安全穩定性的諸多因素中， 尾礦庫的滲流狀態是最重 要的因素之一。只有深入分析尾礦庫的滲流狀態， 才能確定合理的筑壩工程指標， 選擇合適的排滲方案，從而保證尾礦庫的安全 65,73,74。目前，國內外對尾礦庫進行滲流分析時很少考慮尾礦的滲透系數隨填埋位置 和時間的變化。 近代土力學的研究表明， 土的滲透特性與土中孔隙的多少和孔隙 的分布情況密切相關。隨著尾礦的排放，下部堆積尾礦的上覆土壓力逐漸增加。 在上覆土壓力的作用下， 尾礦將逐漸排水固結， 隨著固結的進行， 尾礦孔隙比逐 漸減小，而孔隙比的減小必然引起滲透系數的變化。 堆積尾礦的滲透系數與上部

2、固結壓力和孔隙比之間存在何種關系是一個值得探討的問題 75-76。本文通過室內 試驗的方法，研究不同固結壓力和孔隙比條件下各類尾礦的滲透系數變化情況， 從而為尾礦庫滲流穩定性分析提供科學依據。(1) 固結滲透聯合測定裝置說明 固結滲透聯合測定裝置構造說明現有技術中進行土樣滲透試驗 主要儀器為土工試驗方法標 準 68(GB/T50123-1999)中所述的“常水頭滲透試驗”中的常水頭滲透儀和“變水 頭滲透試驗” 中的變水頭滲透儀。 上述儀器僅能進行單純的滲透試驗， 但無法定 量并均勻施加固結壓力，因此很難精確得到孔隙比，導致試驗數據不準確。針對目前常見滲透試驗裝置存在的不足， 為了減少同一試驗中

3、相同土樣的制 備數量和消除同一試驗相同土樣在制備過程中產生的誤差，作者在 70型滲透儀 的基礎上進行了合理改進， 自行研制了固結滲透聯合測定裝置， 該裝置不僅實 現了定量、均勻施加固結壓力，精確測定單一固結壓力下的滲透系數的基本目的， 而且實現了針對一個土樣可以連續精確測定不同固結壓力條件下土樣的滲透系 數，得到固結壓力孔隙比滲透系數的定量變化規律， 彌補了普通滲透裝置由 于無法定量、均勻施加固結壓力， 導致無法精確測定固結壓力條件下土樣的滲透 系數，同時也不能連續測定不同固結壓力下土樣滲透系數的不足， 提高了固結壓 力下滲透系數的測量精度而且大大減少了測定不同固結壓力條件下土樣滲透性 的試驗

4、次數，該參數精度的提高使相關問題的研究更貼近實際。固結滲透聯合測定裝置的詳細構造如圖 3.6 所示：1加壓活塞;32802加壓筒;3進水口;4溢水孔;5支架;6透水石;7濾紙;8土樣;9量筒。.圖3.6固結一滲透聯合測定裝置示意圖Fig. 3.6 Schematic plot of Osmotic Oedometer固結一滲透聯合測定裝置構造說明：本裝置的溢水孔亦是測量孔。通過加壓 活塞可以改變土樣所承受的軸向荷載， 加壓活塞與加壓筒的筒壁之間有間隙， 水 可在加壓活塞與加壓筒筒壁之間自由流動。 試驗方法：a. 將透水石放入加壓筒的底部，在透水石上放一層濾紙并將土樣放入加壓筒 的內腔中，在土樣

5、上再放一層濾紙，放上透水石并在透水石上放上加壓活塞；b. 在支架兩邊分別安裝1個百分表，并使兩個百分表的觸頭分別頂在加壓筒 的上表面，在進水口上安裝進水管，在溢水孔上安裝流量計或在溢水孔外設置量 筒，將本裝置安裝在固結試驗臺上；C.通過安裝在進水口上的進水管向加壓筒內注水，使土樣排氣、飽和；d. 通過固結試驗臺施加一定的固結壓力來模擬試樣的不同壓力狀態，通過百分表讀取土樣的軸向變形量，當土樣變形穩定時，測定滲透系數；e. 通過固結試驗臺改變固結壓力，再次進行其他固結壓力條件下的滲透試 驗。（2）不同固結壓力條件下尾礦固結滲透試驗實驗內容：使用固結一滲透聯合測定裝置采用常水頭法分別測定阿哈來、同

6、乃尾礦庫各類型尾礦及混合尾礦、分層尾礦在0 kPa 32.5 kPa65 kPa、130 kPa 260 kPa 390 kPa 780 kPa、1170 kPa八級固結壓力下的滲透系數，每施加一級 荷載后需等待沉降穩定后再測量其滲透系數，每個滲透系數測兩次，固結穩定的判別標準為每小時沉降量小于 0.01 mm。取兩次測量值的平均值作為該級荷載下 的滲透系數。為了減小試驗誤差，所有試驗均在常溫下進行。砂類尾礦固結一滲透試驗方法：砂類尾礦滲透系數很大，因此為避免由于 透水石滲透系數小于砂類尾礦滲透系數而造成的測量結果錯誤，采用金屬網代替透水石，并在金屬網上邊鋪上一層粗砂代替濾紙作為反濾層來進行砂

7、類尾礦的固 結一滲透試驗。修正各砂類尾礦的實際固結數據，以消除兩端反濾層及金屬網壓縮變形對試 驗結果的影響，得到不同固結壓力條件下砂類尾礦的實際單位沉降量和孔隙比。圖3.7合試驗Fig. 3.7 of taili ngs阿哈來、固結一滲透聯合測定裝置Osmotic Oedometer圖3.8 尾礦的固結一滲透聯Fig. 3.8 Osmotic Oedometer test同乃尾礦庫各類型尾礦的滲透試驗結果及分析阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦，不同固結壓力條件下孔隙比數據如表3.8Fig. 3.10 Relationship of e_p of all types of the Tong nai

8、tailings所示:表3.8阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦在各固結壓力下的孔隙比數據Tab. 3.8 Void ratio datas of all types of tail ings un der con solidati on p ressures孔隙比e/kPa阿哈來阿哈來阿哈來阿哈來同乃同乃同乃尾細砂尾粉砂尾粉土原尾礦尾粉砂尾粉土原尾礦00.8510.8491.5290.8390.9931.1451.02132.50.8460.8361.5130.8750.9241.0320.946650.8390.8291.50.8620.8470.9680.8891300.8320.8181.4

9、890.8560.7580.9340.8482600.8210.81.4710.840.6830.8970.7633900.8140.7891.4590.8250.6590.8530.7347800.8010.7781.4380.8010.6140.8210.70211700.7840.7691.4240.7970.5980.7820.679根據表3.8繪制阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦孔隙比與固結壓力關系曲線,如圖3.9、3.10所示:, 阿哈來原尾礦, 阿哈來尾細砂 亠 阿哈來尾粉砂 Y阿哈來尾粉土-1000100200300400500600700800900100011001200130

10、0固結壓力P(kpa)Fig. 3.9圖3.9阿哈來尾礦庫各類型尾礦的e P關系固結壓力P (kpa)Relationship ofe p of all types of the A halai tailings圖3.10同乃尾礦庫各類型尾礦的e P關系當固結壓力增大時，各種尾礦試樣的壓縮規律與前面的壓縮特性規律相近,但因有持續水流的作用，其結果有細微的差別，體現在阿哈來原尾礦和同乃尾粉土試樣上，其孔隙比隨固結壓力的增大變化梯度稍大,阿哈來尾粉砂的最終孔隙比最小。不同固結壓力條件下尾礦土樣滲透系數數據如表3.9所示:表3.9阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦在不同固結壓力下的滲透系數數據Tab. 3

11、.9 Permeability coefficie nt datas of all types of tail ings un der con solidati on p ressures固結壓力/kPa滲透系數/(10-2cm/s)阿哈來尾細砂阿哈來尾粉砂阿哈來尾粉土阿哈來原尾礦同乃尾粉砂同乃尾粉土同乃原尾礦06.299.20.08910.580.0950.00530.006532.56.198.180.07460.50.0840.00420.0056656.0157.680.06690.420.0770.00390.00521305.8046.980.06160.370.0720.0037

12、0.00492605.656.560.05650.340.0680.00350.00473905.546.310.05290.320.0670.00320.00457805.415.780.04860.30.0660.00310.004411705.335.460.04650.290.0650.00290.0043根據數據表3.9繪制阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦滲透系數與固結壓力關系曲線圖3.11、3.12：0.05.0x10 -29.0x10 -28.0x10 -27.0x10 -26.0x10 -24.0x10 -23.0x10 -22.0x10 -21.0x10 -2-100010020

13、03004005006007008009001000110012001300固結壓力(KPa圖3.11阿哈來尾礦庫各類型尾礦k - P關系Fig. 3.11 Relationship of kp of all types of the A halai tailings數透滲固結壓力P (KPak p關系圖3.12同乃尾礦庫各類型尾礦Fig. 3.12 Relationship of k-p of all types of the Tong nai tailings阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦試樣滲透系數與孔隙比的相關關系，如表3.10所示:表3.10阿哈來、同乃各類型尾礦滲透系數與孔隙比的關系

14、數據Tab. 3.10Datas of p ermeability coefficie nt and void ratio of all types of taili ngs阿孔隙比e0.8510.8460.8390.8320.8210.8140.8010.784哈 來尾 細 砂滲透系數k(10-2 cm/s)6.296.196.0155.8045.655.545.415.33阿孔隙比e0.8490.8360.8290.8180.8000.7890.7780.769哈 來尾 粉 砂滲透系數k(10-2 cm/s)9.28.187.686.986.566.315.785.46阿孔隙比e1.529

15、1.5131.5001.4891.4711.4591.4381.424哈 來尾 粉 土滲透系數k0.0890.0740.0660.0610.0560.0520.0480.046-2（10 cm/s）16965965阿孔隙比e0.8390.8750.8620.8560.8400.8250.8010.797哈 來原 尾 礦滲透系數k(10-2 cm/s)0.580.50.420.370.340.320.30.29同孔隙比e0.9930.9240.8470.7580.6830.6590.6140.5986.0x10乃尾 粉 砂滲透系數k(10'2 cm/s)0.0950.0840.0770.

16、0720.0680.0670.0660.065同孔隙比e1.1451.0320.9680.9340.8970.8530.8210.782乃滲透系數k0.0050.0040.0030.0030.0030.0030.0030.002尾 粉 土_2(10 cm/s)32975219同孔隙比e1.0210.9460.8890.8480.7630.7340.7020.679乃滲透系數k0.0060.0050.0050.0040.0040.0040.0040.004原 尾 礦(10_2 cm/s)56297543根據表3.10中阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦滲透系數與孔隙比的關系作各尾礦土樣的滲透系數與孔隙

17、比的關系曲線，如圖3.133.19所示:-25.0x10-24.0x10-2認繫透滲3.0x102.0x101.0x100.01 I I,. I I J,. L0.860.850.840.830.820.810.800.790.78孔隙比e圖3.13 阿哈來尾細砂 k_e關系3.13Relationship ofk e of the A halai fine sand tailings.)s/c d數系透滲9.5x100x105x100x105x100x105x100x105x100x105x100x105x100x105x100x105x100x100x100.02222阿哈來尾粉砂數據阿哈

18、來尾粉砂擬合曲線0.860.850.840.830.820.810.800.790.780.770.76孔隙比e圖3.14阿哈來尾粉砂k-e關系阿哈來尾細砂數據阿哈來尾細砂擬合曲線3Fig. 3.14 Relationship ofk _e of the A halai fine silty sand tailings9.5x10 49.0x10 "8.5x10 "8.0x10 47.5x10 "7.0x10 "6.5x10 46.0x10 "5.5x10 45.0x10 44.5x10 "4.0x10 43.5x10 "3

19、.0x10 "2.5x10 42.0x10 "1.5x10 "1.0x10 4阿哈來尾粉土數據 阿哈來尾粉土擬合曲線5.0x100.01.541.521.501.481.461.441.421.40孔隙比e圖3.15 阿哈來尾粉土k -e關系Fig. 3.15Relationship ofk -e of the A halai silty soil tailings6.0x10-35.5x105.0x10-34.5x10-34.0x103.5x10-33.0x102.5x10-32.0x101.5x10-31.0x10-35.0x10-40.920.900.880

20、.860.84孔隙比e0.820.800.780.76圖3.16阿哈來原尾礦k e關系Fig. 3.16 Relationship of k-e of the A halai original tailings-29.5x109.0x108.5x108.0x107.5x107.0x10-26.5x10-26.0x10-25.5x10-25.0x10-24.5x10-24.0x10-23.5x103.0x10-2-22.5x10-22.0x10-21.5x10-21.0x10-25.0x100.00.860.850.840.830.820.810.800.790.780.770.76孔隙比eFi

21、g. 3.175.5x10-55.0x10-54.5x104.0x103.5x10-53.0x10-52.5x10圖 3.17同乃尾粉砂 k-e關系Relationship of k-e of the Tong nai silty sand tailings同乃尾粉土數據 同乃尾粉土擬合曲線一一,系透滲2.0x101.5x10-51.0x10-55.0x10-61.151.101.051.000.950.900.850.800.75孔隙比eFig. 3.186.5x10-56.0x105.5x105.0x104.5x104.0x10圖 3.18同乃尾粉土 k-e關系Relationship o

22、fk-e of the Tong nai silty soil tailings同乃原尾礦數據同乃原尾礦擬合曲線認數系透滲3.5x103.0x102.5x102.0x101.5x10 1.0x10 5.0x101.051.000.950.900.850.800.750.700.65孔隙比e圖3.19 冋乃原尾礦 k -e關系56Fig. 3.19 Relationship of k _e of the Tong nai original tailings阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦的滲透系數 尾粉砂的最初滲透系數最大，但隨著孔隙比 最終的滲透系數小于尾細砂的滲透系數；尾 兩者相差近1個數量級；

23、原尾礦的滲透由圖3.133.19可知，阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦的滲透系數均隨著孔 隙比的減小而減小，但是減小的程度不同，其中的阿哈來尾粉土、阿哈來原尾礦、 同乃尾粉土減小了 1倍左右。在孔隙比減小的初期階段，各尾礦的滲透系數減小 較快，而在孔隙比減小的后期階段， 減小速度放緩。對于阿哈來尾礦庫， 減小其滲透系數的下降速度卻最快， 粉土的滲透系數小于原尾礦的滲透系數， 系數小于尾粉砂的滲透系數，也相差近1個數量級。對于同乃尾礦庫，尾粉砂的 滲透系數最大，原尾礦的次之，尾粉土的最小，尾粉砂的最終滲透系數是尾粉土 的約20倍。根據水利水電工程地質勘察規范77可知阿哈來尾粉土和阿哈來原尾礦 為中等

24、透水，阿哈來尾細砂和阿哈來尾粉砂為強透水；同乃尾粉砂為中等透水， 同乃原尾礦和同乃尾粉土為弱透水。滲透系數隨孔隙比的變化規律公路土工試驗規程78中認為很多砂類土的滲透系數k與孔隙比e的關系 服從幕函數曲線關系。王崇淦17在其研究成果中驗證了該規律。本文將各類尾 礦的滲透系數k與孔隙比e的試驗數據擬合為幕函數曲線關系，如k = Cea的形式，擬合效果不理想。歐孝奪73在其研究成果中認為所研究的尾礦砂土滲透系數和孔隙比可擬合為對數函數曲線關系。本文也嘗試將鐵尾礦的滲透系數k與孔隙比e的關系擬合為對數函數曲線關系，如k =CiL n(e)+C2的形式，擬合效果也不是很理想。經多次嘗試后，發現滲透系數

25、隨孔隙比的變化符合高斯曲線關系，且曲線十分平滑，擬合效果良好，如圖3.133.19所示。其擬合關系式如下：阿哈來尾細砂k-e曲線擬合方程：k =0.053+(2咒0.002%)<(0.083(4x(e-0.9丫 ”0.0832 )(3.13)阿哈來尾粉砂k-e曲線擬合方程：k =0.048+(2咒0.08% k(0.0221(4x(e 1.066 )2 H0.02212 )(3.14)阿哈來尾粉土 k-e曲線擬合方程：k =0.0004 +(2x0.00% ><(0.197(4咒(e-1.732 f H0.1972 )(3.佝阿哈來原尾礦k-e曲線擬合方程：k =0.0 0

26、3(2x0.0(0.0 5 74x(e-0.9 0 f )+0.0 5 7)(3.同乃尾粉砂k-e曲線擬合方程：k =0.0006 +(2x0.00% )<(0.813(4x(e-1.829 )2 ”0.8132 )(3.17)同乃尾粉土 k-e曲線擬合方程：k =0.00002 +(2x0.0001% ><(1.061(4x(e1.97 $ 片1.0612 )(3.18)同乃原尾礦k-e曲線擬合方程：k =0.000007 +(2x0.000% )<(0.663(4x(e-2.178 )2 片0.6632 )(3.19)另外本文采用羅倫斯曲線擬合后的效果也比較理想。即

27、阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦在固結壓縮過程中滲透系數隨孔隙比的變化規律符合高斯曲線、羅倫斯曲線規律，同時說明試驗方法的改進增加了數據精度，使固結壓力一孔隙比一 滲透系數之間的關系更符合實際。此規律的獲得可為尾礦庫滲流和穩定性分析提 供可靠依據。試驗中得到的兩種尾粉土的固結滲透試驗結果與一般砂的特性類似，而與一般的黏性土不同，這是因為尾粉土的結構情況與一般的黏性土具有很大差別。因為形成的時間較短，尾粉土中的黏粒含量相對較少，且尾粉土黏粒的顆粒大小比 黏性土黏粒要大得多，因此在黏粒的概念上與一般黏性土的黏粒有區別，黏性土的微細顆粒能形成絮狀結構而尾粉土的微細顆粒無法形成這種絮狀結構。(3) 混合尾

28、礦、分層尾礦固結一滲透試驗試驗方法本次試驗仍采用自制的固結一滲透聯合測定裝置測定在不同固結壓力下的 混合尾礦、分層尾礦的滲透系數，按照前面 3.2.1節中所述的質量比稱取各級尾 礦共300 g,因為固結一滲透試驗是由下部進水，所以將各級土樣裝填順序調整 為：下面一層為最細層，由下至上越來越粗，在最上層以上和最底層以下各加一 層大于上下兩層尾礦試樣滲透系數的反濾層。本次試驗采用的壓力級別分別為：0 kPa 32.5 kPa 65 kPa 130 kPa、260 kPa 390 kPa 780 kPa。試驗步驟按照 土工試驗方法標準68的要求進行?；旌衔驳V與分層尾礦的滲透特性a.阿哈來混合尾礦和分

29、層尾礦的固結一滲透特性比較分析在持續水流的作用下，兩種阿哈來尾礦的孔隙比與固結壓力的關系如表3.11所示:表3.11阿哈來混合尾礦和分層尾礦的孔隙比與固結壓力關系數據Tab. 3.11 Datas of void ratio and con solidati on p ressure of the A halai mixed taili ngs and layered taili ngs固結壓力/kPa孔隙比e阿哈來混合尾礦阿哈來分層尾礦01.341.4332.51.301.36651.251.301301.191.252601.121.213901.071.177801.021.14由試驗數

30、據繪制圖形，得出各固結壓力條件下阿哈來混合尾礦和分層尾礦試樣孔隙比的變化規律，如圖3.20所示:固結壓力P (kpa)圖 3.20阿哈來混合尾礦和分層尾礦的e - p關系Fig. 3.20 Relatio nship ofe P of the A halai mixed tailings and layered tailings試驗得出的不同固結壓力條件下阿哈來混合尾礦和分層尾礦試樣的滲透系數如表3.12所示:表3.12阿哈來混合尾礦和分層尾礦的滲透系數與固結壓力關系數據Tab. 3.12Datas of p ermeability coefficie nt and con solidati

31、on p ressure of the A halai mixedtaili ngs and layered taili ngs固結壓力/kPa滲透系數/(10-5cm/s)阿哈來混合尾礦阿哈來分層尾礦06.79.232.55.34.3654.23.11303.251.82602.43901.90.867801.60.69根據數據表3.12繪制阿哈來混合尾礦和分層尾礦滲透系數與固結壓力關系曲線，如圖3.21所示:-4固結壓力kpa認!數系透圖3.21阿哈來混合尾礦和分層尾礦的k -P關系孔隙比e阿哈來混合尾礦滲透系數k /（10-5cm/s）6.75.34.23.252.41.91.6孔隙比e

32、1.431.361.301.251.211.171.14阿哈來分層尾礦滲透系數k /（10-5cm/s）9.24.33.11.80.860.69Fig. 3.21Relationship of k - p of the A halai mixed tailings and layered tailings進而得到阿哈來混合尾礦和分層尾礦滲透系數與孔隙比的相關關系，如表3.13所示:表3.13阿哈來混合尾礦和分層尾礦滲透系數與孔隙比的關系數據Tab. 3.13 Datas of p ermeability coefficie nt and void ratio of the A halai mi

33、xed taili ngs and layered taili ngs1.341.301.251.191.121.071.02根據表3.13中的數據，繪制滲透系數與孔隙比的關系曲線如圖3.22所示:65孔隙比e圖3.22阿哈來混合尾礦和分層尾礦的k _e的關系Fig. 3.22 Relationship of k -e of the A halai mixed tailings and layered tailingsb.同乃混合尾礦和分層尾礦固結一滲透特性對比。在持續水流的作用下，同乃混合尾礦和分層尾礦在不同固結壓力下的孔隙比數據，如下表所示:3.14同乃混合尾礦和分層尾礦孔隙比與固結壓力的

34、關系數據Tab. 3.14 Datas of void ratio and con solidati on p ressure of the Tong nai mixed taili ngs and layered taili ngs固結壓力/kPa孔隙比e同乃混合尾礦同乃分層尾礦01.451.6432.51.381.57651.321.521301.251.472601.191.433901.151.397801.121.34根據表3.14,繪制孔隙比與固結壓力的關系曲線如圖3.23所示:60555045403530252015100500-100 010020030040050060070

35、0800900固結壓力kpa圖 3.23同乃混合尾礦和分層尾礦的e- P關系Fig. 3.23 Relatio nship ofe P of the Tong nai mixed tailings and layered tailings不同固結壓力條件下同乃混合尾礦和分層尾礦試樣滲透系數試驗數據如表3.15所示:表3.15同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數與固結壓力關系數據Tab. 3.15 Datas of p ermeability coefficie nt and con solidati on p ressure of the Tong nai mixed taili ngs and

36、layered taili ngs固結壓力/kPa滲透系數心0-5cm/s)同乃混合尾礦同乃分層尾礦09.33.132.57.21.57655.81.071303.90.72602.70.473902.30.267801.90.17根據表3.15，繪制同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數與固結壓力關系曲線，如圖3.24所示:固結壓力kpa圖 3.24同乃混合尾礦和分層尾礦的k_ P關系Fig. 3.24Relatio nship ofk 一 p of the Tong nai mixed tailings and layered tailings進而得到同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數與孔隙比數據，如表3.16 所示:表3.16同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數與孔隙比關系數據Tab. 3.16 Datas of p ermeability coefficie nt and void ratio of the Tong nai mixed taili ngs and layered tail ings同乃孔隙比e1.451.381.321.251.191.151.12混合尾礦滲透系數k / ( 10" cm/s)9.37.