矿 冶MINING &
METALLURGY
第28卷第5期2019年10月Vol. 28, No. 5October 2019
doi： 10.
3969/j. issn. 1005-7854.
2019. 05. 003
尾矿库渗流溃坝模型试验研究
杨玉婷王光进艾敏赵怀刚 许志发 杨安银
(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明
650093)
摘 要：以云南某尾矿库为工程背景，采用自制的尾矿库溃坝试验装置，开展尾矿库室内堆(溃)坝模型试验研究，分析在 渗流破坏情况下尾矿库溃坝过程、溃口发展、下泄泥砂沉积规律。结果表明：空隙中的可动颗粒被渗出水流带走，造成初始渗
流通道建立并扩大，坝肩中部出现“砂流溢出”和“沼泽化”现象；随着坝体集中渗流通道的扩展，出渗点位置上部饱和坝体 在自重作用下发生沉降和垮塌，并向上游呈牵引式发展，随后库内水流漫过坝顶垮塌部分的最低点，
导致溃口的形成
，坝体破
坏模式由逆向牵引破坏向溢流侵蚀破坏转变；在溃坝的不同时刻溃口发展是不同的，初中期以下切为主，后期以横向展宽为 主；由于水流的分选作用，下泄泥砂在坝体下游的沉积随演进距离的增加，表现出由粗到细的规律
，且不同位置出现了粒径的
分级现象。以上研究成果能为矿山的防灾减灾提供理论基础。
关键词：尾矿库；渗流破坏；溃坝过程；溃口发展；尾砂沉积
中图分类号：TD926. 4
文献标志码：A 文章编号：1005-7854 (2019) 05-0015-06
Experimental study on dam break model of seepage in tailings reservoir
YANG Yu-ting WANG Guang-jin Al Min ZHAO Huai-gang XU Zhi-fa YANG An-yin (Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)
Abstract： Based on the engineering background of a tailings reservoir in Yunnan, a self-made tailing reservoir dam-breaking
experimental device
was
used
to
carry
out
dam-breaking
model test and analyze the
dam-breaking process9 the development of the dam burst, and the law of sediment deposition under the
seepage failure. The results show that the movable particles in the voids are taken away by the permeated water flow? causing the initial percolation channels to build up and expand, forming a concentrated flow
channel, and the overflow and swamping occurred at the dam overflow point. With the expansion of
the
concentrated seepage passage of the dam body, the saturated dam
at the upper part of the outfall point
will
settle and collapse under the action of its own weight, and the upstream dam body will develop into
a
traction type, and then the water flow in the reservoir will reach the lowest point of the collapsed part of
the dam roof, and lead to the formation of a breach, the dam failure mode of dam collapse from reverse traction damage to overflow erosion damage. The development of the breach is different at different times of the dam-break. On the early and middle stages9 the development of the breach is mainly below the cut,
and the later
it is the horizontal broadening. Due to the sorting effect of water flow? the deposition of silt
in the lower reaches of the dam body increases with the evolution distance, showing a
coarse-to-fine
sedimentary rule, and a
grading phenomenon
of particle size
appears
at cHfferent positions. The above
research results can provide a theoretical basis for mine disaster prevention and
mitigation.
Key words: tailings reservoir； seepage failure； dam-break process； dam burst development； tail
sand
deposition
收稿日期：2018-10-18
基金项目：“十三五”
国家重点研发计划项
目
(2017YFC0804600);
国家自然科学基金青年项目
(41602307)；国家自然科学基金联合基金项目
(U1802243)；中国博士后科学基金
(2017M613006)；国家安全监督管理总局重点项目
(Yunnan-001-2016AQ)；昆明理工大学实验室建设
与管理研究项目(syyj23)。
第一作者：杨玉婷，硕士研究生，安全技术及工程专业，主要从
事矿山岩土灾害防治与治理。
通信作者：王光进,博士后，教授，
博士生导师，主要从事矿山岩
土边坡及其灾害防控方面的教学与研究工作。E- mail. Wangguangjin2005@163. com
随着经济社会的发展，
我国已经成为一个
矿业大国，12种大宗矿产每年尾矿排放量约为
3
亿t,除了很小一部分用于矿山充填或者其他综合
利用外，其余全都采用构筑尾矿库的方式进行堆
存，这也使得尾矿库成为金属非金属矿山重大的危
险源⑴。尾矿库土体大多处于疏松状态，降雨、库
水位变动、渗流等均易诱发尾矿库溃坝事故
，并造
成严重的后果。目前，国内外学者对影响尾矿库溃坝的因素、 溃坝机理、溃坝过程及下游泥砂运行演进规律都进 • 16 •冶行了探索并取得了一定的成果炉］,并从溃坝机理、
溃坝过程、数值模拟
、坝体边坡失稳模式等方面建
立了尾矿库溃坝的预测模型。女口：
Hassan等⑸研
究了坝体材料、库容及库水位等对溃坝过程的影 响；张兴凯等⑹基于非恒定水流泥砂非平衡非饱和 冲刷机理，根据相似理论和溃决侵蚀模型原理，模
拟尾矿库洪水漫顶溃坝；Gens、Maria等於］研究 了不同降雨条件下尾矿库边坡稳定性随时间变化的 规律，
并提出了一种尾矿坝的渐进破坏模式
；刘磊
等⑼用尾矿库模型设计方法建立了尾矿库物理模 型，对尾矿坝溃口及坝体崩塌变化过程、
下泄洪水
演化过程等进行研究；赵天龙等［
诃对比分析了土
石坝和尾矿坝在溃决机理与溃坝致灾过程方面的区 别和联系，总结了尾矿坝在坝体形式、填筑方式、
坝料组成和溃决机制等方面的特点。
然而，
渗流破
坏作为尾矿库溃坝的重要诱导因素，
对于渗流破坏
对尾矿库影响的研究仅仅还存在于尾矿库管涌发展 机理方面。女口：魏勇3以沈阳浑南矿业公司的尾
矿砂作为物料，针对尾矿坝堤基进行了管涌机理的 砂槽模型试验研究，观察并分析了管涌发生、发展
并导致溃堤的机理和过程；倪旭［
闵根据细粒尾矿
现行的分类方法及标准，
选取细粒尾矿堆积坝为
例，分析了堆积坝与非黏性土之间的相互关系，并
采用非黏性土的管涌渗流破坏判别方法对某尾 矿堆积坝发生渗流后是形成还是流土进行了判定；
郑欣等［⑶开展了尾矿坝渗流破坏溃坝模型试验，
得出浸润线位置过高，会使坝面或下游发生沼泽
化，导致坝体
、坝肩和不同材料结合部位有渗流水
流出，引起管涌，最终导致溃坝的结论；敬小 非［⑷基于某尾矿库工程设计资料，进行尾矿库室
内模型试验，分析了洪水条件下渗流破坏的坝体垮
塌机制。综上所述，国内外学者们已经开展了大量的室 内模型实验、现场实测及数值模拟，
并建立了尾矿
库漫顶溃坝的预测模型。
然而，
针对尾矿库在渗流
破坏条件下发生溃坝的物理模型实验研究还有待深 入。因此，
本文基于该点
，以云南某尾矿库为工程
背景，通过建立尾矿库室内堆（溃）坝模型，演绎
尾矿库在渗流破坏条件下的溃坝过程、
溃口变化
、
下泄泥砂沉积规律，为尾矿库渗流破坏致灾预测模 型的建立及矿山的安全防治提供理论基础和技术 依据。
1尾矿库室内堆（溃）坝物理模
型试验
1.1堆（溃
）
坝模型的确定
本次试验在满足主要几何条件相似下按照 1 : 100
的比例进行缩放，
开展尾矿库在渗流破坏情
况下的溃坝试验。在整个试验过程中，
具体研究内
容有：1）探索尾矿库溃坝过程；2）分析溃口变化
规律；
3）分析泥砂沉积特性规律
。
尾矿库溃坝过程涉及水力学、泥砂动力学、土
力学等多个方面，对于尾矿库物理模型的构建
，既
要对原型进行合理的概化，也要保持模型之间主要
物理量的相似性"词，因此本试验以云南某尾矿库
为工程背景，将相似准则适当放宽，着重其集聚效 果，
进行物理模型的构建
。
室内堆坝模型按照
1 ： 100的比例尺缩小，
主要物理量渗流系数
、重力
加速度、重度、孔隙度保持不变。初期坝采用土石