长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 3: 107 - 117

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231272

岩土工程

尾矿坝渗流稳定性研究进展

  • 梁冰 , 1 ,
  • 曾勇 , 1 ,
  • 易富 2 ,
  • 杜常博 2
展开
  • 1 辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000
  • 2 辽宁工程技术大学 土木工程学院,辽宁 阜新 123000
曾 勇(1996-),男,重庆开州人,硕士研究生,主要从事环境岩土工程方面的研究。E-mail:

梁 冰(1962-),女,辽宁盘锦人,教授,博士,主要从事环境岩土工程、地质灾害与防治等方面的教学与研究。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2023-11-17

  修回日期: 2024-01-12

  网络出版日期: 2025-03-14

基金资助

国家自然科学基金项目(51774163)

辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目(LNTU20TD-12)

收起

Advances in Research of Seepage Stability of Tailings Dams

  • LIANG Bing , 1 ,
  • ZENG Yong , 1 ,
  • YI Fu 2 ,
  • DU Chang-bo 2
Expand
  • 1 School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
  • 2 School of Civil Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

Received date: 2023-11-17

  Revised date: 2024-01-12

  Online published: 2025-03-14

Fold

摘要

渗流场是诱发尾矿坝渗流失稳的主要影响因素。加强尾矿坝渗流稳定性研究是保障尾矿坝安全的重要基础,有利于降低尾矿坝溃坝风险。基于国内外的相关研究资料,从尾矿坝的渗流失稳破坏类型与影响因素、渗流稳定性分析方法以及安全监测预警研究三大方向进行综述,指出了尾矿坝渗流稳定性研究中存在渗透破坏判别方法研究不足、缺乏对渗流场影响因素的系统性研究、宏-细观多尺度模型试验测量手段及其概化分区方法的研究不足,以及缺乏综合性稳定分析与评价方法及安全监测预警技术等方面的问题。针对当前尾矿坝渗流稳定性研究存在的不足,提出尾矿坝渗流稳定性研究领域有待深入探讨的问题,为今后重点研究提供思路。

关键词： 尾矿坝; 渗流稳定性; 渗流场; 安全监测; 研究进展

本文引用格式

梁冰 , 曾勇 , 易富 , 杜常博 . 尾矿坝渗流稳定性研究进展[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(3) : 107 -117 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231272

Abstract

Seepage field is a primary factor inducing the seepage instability of tailings dams. Intensifying research on the seepage stability of tailings dams is crucial for ensuring their safety and reducing the risk of dam failure. This paper reviews relevant domestic and international research data from the following perspectives: seepage instability failure types and influencing factors, seepage stability analysis methods, and safety monitoring and early-warning. It points out the existing problems in the research on seepage stability of tailings dams, including the lack of research on seepage failure discrimination techniques, insufficient comprehensive investigations into the factors affecting the seepage field, deficiencies in macro-micro multi-scale model experimental measurement methods and their generalized zoning, and the inadequacy of comprehensive stability analysis and evaluation methods, as well as safety monitoring and early-warning technologies. Given these deficiencies, this paper further clarifies future research priorities and issues requiring in-depth discussion, providing insights for future research.

Key words： tailings dams; seepage stability; seepage field; safety monitoring; research progress

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

尾矿坝是由当前经济技术条件下不宜再分选而排放的尾砂堆积碾压而成的高势能人造坝体[1]。尾砂具有强度低、透水性低、固结难、矿泥夹层多等特点,对坝体稳定极其不利。一旦发生溃坝灾害,将给该区域造成严重的人员伤亡和经济损失,同时破坏自然生态环境[2-3],如2017年湖北大冶市铜绿山铁矿尾矿坝[4]、2019年巴西Feijiao尾矿坝[5]等。此外,2020年以来,缅甸帕敢翡翠矿区、山西交口县道尔铝业尾矿坝、南非自由州Jagersfontein尾矿坝等陆续发生溃坝灾害事件。国内外相关研究人员针对溃坝事故做了大量研究,但尾矿库严峻的安全形势仍未彻底改变[6⇓-8]。2022年4月中国生态环境部颁布了尾矿环境污染的防控和管理的新政策[9],倡导构建尾矿的全过程污染防治责任体系,持续促使尾矿污染防治的规范化、制度化,推动矿业的健康和可持续发展。
诸多学者对尾矿坝溃坝致灾原因作了大量分析,研究表明,在过去100 a里尾矿库的溃坝数量约占全球1.8万座矿山的1.2%,其中渗流引发的尾矿坝溃坝占所有尾矿坝事故的40%以上[10-11]。尾矿坝的渗流稳定性受多种因素控制,且大多数尾矿坝存在选址难、费用高、周期长等问题,在一定程度上制约了国内外矿业的稳定和健康发展。因此,结合前人研究成果,本文主要阐述尾矿坝的渗流失稳破坏类型及影响因素、渗流稳定性分析和安全监测预警,并进一步展望未来研究方向,为尾矿坝渗流稳定性研究及防治对策制定提供参考。

1 渗流破坏类型及影响因素

1.1 渗流破坏类型的划分

尾矿根据其粒度成分和塑性指数分为以下几类,详见表1[12]。
表1 尾矿分类[12]

Table 1 Classification of tailings[12]

类别 名称 分类标准
砂性尾矿 尾砾砂 粒径>2 mm颗粒占总质量的25%~50%
尾粗砂 粒径>0.5 mm颗粒超过总质量的50%
尾中砂 粒径>0.25 mm颗粒超过总质量的50%
尾细砂 粒径>0.075 mm颗粒超过总质量的85%
尾粉砂 粒径>0.075 mm颗粒超过总质量的50%
粉性尾矿 尾粉土 粒径>0.075 mm颗粒不超过总质量的50%,且塑性指数≤10
黏性尾矿 尾粉质黏土 10<塑性指数≤17
尾黏土 塑性指数>17
鉴于渗流对尾矿坝产生不利影响进而产生渗流破坏的情况,相关研究聚焦于颗粒特性及相互制约程度。对以砂、粉性尾矿为主的筑坝材料,由于其属非黏性土,颗粒级配细小,非黏性土的渗透破坏判别方法亦适用[13]。国内外学者主要从无黏性土类型来判别其渗透破坏模式,并分为流土破坏、管涌破坏、接触流失破坏及接触冲刷破坏。人工破碎后的尾砂粒度差异不大,其入库储存及排放方式也是混合的,尾矿库渗透破坏不易出现接触流土和接触冲刷,主要破坏类型为流土型和管涌型(表2)。
表2 渗流破坏的主要类型

Table 2 Major types of seepage damage

项目 流土型 管涌型
土类 渗透性能强,任何土均可发生 一般发生在分散性土或特定级配的无黏性土
位置 水流渗出的表层 渗流口处、坝体内部
现象 尾砂的移动使尾矿坝失稳,导致坝体整体性溃决 尾砂沿着颗粒骨架间的孔道移动,形成通道,不断扩展,形成溃口,造成坝体溃坝
原因 渗透力足够大 粗、细颗粒骨架形成的孔隙
后果 下游坡面产生局部滑动等 结构发生塌陷或溃口

1.1.1 流土破坏

流土型破坏始于下游出口处,并出现砂沸现象。水头差在特定范围内,流土发展到一定程度可自愈。然而当流土通道上游端的渗流比降超过其临界值时,流土通道突然迅速贯通。随着坝体水力梯度增大,流土破坏区产生水力筛分现象,导致坝体抗渗强度降低。在下次汛期水位上升时,此区域极易发生流土破坏,并形成集中渗漏通道[14]。山西宝山“5·18”事件就是典型的流土破坏溃坝事故,由于排水设施堵塞,尾矿砂渗出,引起流土破坏。流土破坏具有突发性,一旦发生,则发展迅速,难以预测和补救。

1.1.2 管涌破坏

在渗透力的持续作用下,局部尾砂颗粒被冲刷后形成细小通道。该通道使其水力特性发生改变,之后冲走的尾砂又迅速堵塞通道。因此,水流在孔隙通道中沿渗流方向迁移,冲走薄弱位置的细尾砂颗粒并形成新的小通道。在反复循环下,小通道汇成较大的连续贯穿通道,使后续管涌发展更快,逐步导致整个坝体结构淘空、瓦解破坏[15]。
各国科研人员基于不同理论和试验对管涌机理进行不断探索。Åberg[16]首次将材料定义为骨架颗粒和松散颗粒,利用颗粒级配曲线形状研究土体管涌概率,为后续判别管涌破坏模式奠定了理论基础。周健等[17]从细观上分析了颗粒在管涌形成过程中的运动规律,认为骨架颗粒、可动颗粒与水的相互作用贯穿于整个管涌发展过程。管涌破坏与坝身地质条件、水力特性、渗流方向及流固耦合过程等息息相关。通常,坝体的薄弱处、裂缝或者不同构筑物的接触区域都容易遭受渗流破坏[18]。魏勇等[19]阐述了坝体水力梯度与管涌破坏的关系,将坝体管涌破坏过程划分为无明显渗透变形、管涌产生、进一步发展及整体破坏4个阶段,探索渗流通道的扩展规律和尾砂渗流特性对溃坝过程的影响,揭露出(管涌)渗流破坏的演化机理。

1.2 渗流破坏类型判别方法

针对尾矿渗透问题,主要是以太沙基的隆起理论为基础[20]。Istomina首次提出不均匀系数法来判别无黏性土渗透破坏类型,并表明无黏性土的不均匀系数Cu是影响渗透破坏类型的重要因素。刘杰等[21⇓-23]在进一步研究中提出了与无性土相关的渗透变形判别方法,详见表3。除了这些方法外,国内外专家学者还提出其他方法。屈智炯等[24]在1984年结合大量试验数据,详细分析了影响渗流变形类型的主要因素,如细料含量、不均匀系数和重度等,并提出了相应的判别准则。Sellmeijer等[25]在理论分析中推导出了管涌破坏临界水力梯度的计算公式。Skempton等[26]利用流速与水力梯度曲线斜率的变化来推断渗透破坏过程中的破坏情况。
表3 渗流破坏的主要判别方法[21⇓-23]

Table 3 Main discriminatory methods for seepage damage[21⇓-23]

提出者 判别方法 判别准则
伊斯托明娜
(Istomina)		 不均匀
系数法		 Cu<10为流土破坏
10≤Cu≤20为过渡破坏
Cu>20为管涌破坏
中国水利水电科学
研究院刘杰		 细料
含量法		 Pz<25%为管涌破坏
25%≤Pz<35%为过渡破坏
Pz≥35%为流土破坏
南京水利科学研究
院沙金煊		 修正细粒
含量法		 P'z=a n 1 + n≥Pz
满足上式,为管涌破坏;
反之,为流土破坏
甫拉维登 细料粒径
比较法		 d 3 d 17≥0.41 C u 6 n 1 - n;
满足上式,为管涌破坏;
反之,为流土破坏
中国水利水电科学
研究院		 孔隙直径
比较法		 D0>d5为管涌破坏
d3≤D0≤d5为过渡破坏
D0<d3为流土破坏
水利水电科学研究院 综合
判别法		 综合考虑以上
几种方法的优缺点

注:Cu为不均匀系数,Cu=d60/d10,其中d60、d10分别对应土体中小于该粒径的颗粒质量占总质量的60%和10%时的粒径;Pz为最优细粒含量;a=0.95~1.00;n为孔隙率;D0为平均孔隙直径;d3、d5和d17分别为累计含量达到3%、5%和17%的粒径。

目前,对于渗透破坏形式和临界判别条件的理论研究有一定进展,但研究者主要借鉴一般土的理论与方法进行尾矿坝渗透破坏研究,基本没有新的认识与进展。鉴于此,渗流破坏的判别方法仍需进一步研究。

1.3 渗流破坏影响因素

尾矿坝稳定性受尾矿力学特性、颗粒级配、坝高、堆积方式、沉积层状结构、地表水、地下水渗透作用及防渗排渗措施等因素影响[27⇓-29]。在长期渗透作用下,坝体可能出现水位骤变、沼泽化、管涌以及流土等现象,这些问题均与渗流密切相关[30],尤其对于渗透性强、结构松散构成的尾矿堆积体,浸润线是反映尾矿坝渗流状态的主要指标[31]。为确定尾矿坝地下水渗流场的变化规律及影响因素,应重点对尾矿坝渗流场特性进行研究。
在内因方面,堆积体的水文地质条件、筑坝类型、几何条件(如颗粒级配)等被认为是重要影响因素。地下水的入渗不仅增加了尾矿坝的水压力,还会降低尾砂的力学性质,可能导致尾矿坝失稳破坏。王会芬等[32]通过模拟尾矿坝地下水位的变化,推测了渗流场的变化趋势。另外,Bouwer等[33]通过研究粒径分布对坝内渗流稳定性的影响,证明尾砂粒径与渗透系数呈正比。尾砂筑坝过程中可能出现颗粒分层或透镜体等结构[34-35],因其结构与周围介质的渗透特性与力学参数相差较大,改变了坝内地下水的正常渗流路径,从而对坝顶位移及安全系数均产生较大影响[36]。Li等[37]建立尾矿坝二维有限元模型,研究了低渗透镜体对渗流场和安全系数的影响,得到坝内浸润线、渗流和安全系数之间的关系。图1为尾矿坝渗流场、应力场和物理状态场之间的耦合关系。
图1 尾矿坝多场耦合相互作用

Fig.1 Multi-field coupled interaction of tailings dams

外因主要指降雨强度、降雨持时等外界诱发因素。基于饱和-非饱和渗流理论及降雨入渗理论,于浩泽等[38]分析发现降雨入渗对堆积坝体坡顶、坡中及坡脚产生不同影响;周伟杰等[39]探讨相同降雨量和不同雨型下坝体渗流特性,并从降雨中、后两方面研究不同降雨下坝体渗流稳定性的响应规律。汤伟等[40]通过有限元软件对降雨下尾矿坝渗流场进行动态影响研究。堆积坝渗流稳定性研究(表4)已取得良好效果,但目前仍没有关于渗流场与浸润线形态位置变化之间的系统理论研究。
表4 降雨条件下尾矿坝渗流稳定性研究结果

Table 4 Seepage stability of tailings dam under rainfall conditions

文献序号 影响因素 分析结果
[44] 前期降雨 在前期降雨下尾矿坝安全系数持续下降
[45] 降雨持时 一定降雨强度下,随着降雨时间的推移,尾矿坝安全系数随降雨量增大而减小
[46]、[47] 连续降雨 连续降雨使尾砂逐渐趋于饱和,尾矿坝浸润线迅速上升
[48] 降雨重现 尾矿坝安全系数、可靠度指标均与降雨重现期成正比
[49] 降雨强度
和持时		 坝体孔隙水压力与降雨强度、持时均呈正相关,其安全系数随降雨持时迅速下降并最终趋于稳定
强降雨引发的溃坝事故在俄罗斯Karamken尾矿库曾有过例证[41]。具体而言,强降雨形成的地表水渗入裂隙后,坝体孔隙比增加,摩擦角减小,导致大坝孔洞结构增多,孔隙压力升高,使尾砂反复软化,裂隙进一步增大,滑动面逐渐贯通。根据入渗理论,降雨改变尾砂初始饱和度,影响了渗流场和浸润线高度。在水力作用下,坝体逐渐失去稳定性,渗透破坏过程一般较长,但最终会导致溃坝。
在尾矿库管理方面,由于人员缺乏专业素养,日常维护管理松懈,库区的防洪及排水设施发生堵塞而事故隐患处理不及时,使得尾矿坝排渗、排洪能力降低或丧失,极大削弱了坝体的静动力稳定性,增加了坝体滑坡或渗透破坏的风险,甚至可能导致溃坝[42]。渗流控制原则为“内截外排”[43]。内截是堵住坝上游的渗漏入口,截断渗漏途径以防渗入;外排则采用导渗、滤水等措施,确保在不携带土颗粒的前提下,使渗水快速排出坝体下游,以实现渗透的稳定状态。由生产管理问题造成的特别重大溃坝典型案例有意大利Stava尾矿坝、山西襄汾县塔山铁矿尾矿库等。为预防此类溃坝事故,应加大天气、工况等高精度监测预报理论、安全保障核心技术、设备研发力度,制定科学的预警标准,完善安全监测体系,进一步提高尾矿坝风险预测能力。
综上,尾矿坝结构组成复杂,粒径越细使其变形和渗流研究难度越大。渗流破坏通常是由所有影响因素共同造成的,在渗流稳定性研究中如何将多个元素的影响进行量化并分离,依然存在一些难题。尾矿库主要的安全隐患问题是排水系统堵塞或失效、超大暴雨造成库水位过高以及复杂的地下承压水等,这些问题极大地影响其变形和渗流安全控制措施的针对性和有效性。尾矿坝渗流稳定性研究中,对尾矿的几何特征缺乏深入研究,导致难以真实模拟出多因素耦合作用下的宏-细观变形特性。同时,影响因素(如不同筑坝类型的汇水范围、渗流性能规律对尾矿库的影响等)对渗流稳定性的影响程度尚缺乏系统性研究。

2 渗流稳定性分析方法

在尾矿坝稳定性研究中,大多数学者参照常规边坡稳定性评价方法对实际尾矿坝渗流稳定性进行定量分析。本章主要从数值模拟分析、物理模型分析以及其他分析3类总结渗流稳定性分析方法,旨在深入研究尾矿坝的渗流稳定性和更好地指导工程实践。

2.1 数值模拟分析法

虽然极限平衡法广泛应用于坝坡稳定性分析,但难以考虑到失稳溃坝中的变形过程、失稳破坏模式及地下水位变化对渗流的影响。现在大部分学者采用定量分析方法研究尾矿坝设计及优化、加固和加高扩容技术,并分析筑坝方式、坝高、降雨量、地下水位等影响因素与坝体稳定性之间的关系。张福宏等[50]结合流固耦合机理和强度折减法进行稳定性分析,研究不同工况下尾矿坝稳定性及失稳破坏模式,并给出适当的临界安全系数。考虑到尾矿坝各部位的渗透系数随坝体应力变化而不同,柳厚祥等[51]首次构建了一个依据弹性力学以及渗流原理的力学模型,揭示了尾矿坝的渗透率与压力场的相互作用,并对非平衡的渗流进行了计算。李少龙等[52]研究了渗透系数随机场的空间相关性对渗流场统计特征的影响。李付胜等[53]通过二维有限元程序确定浸润线的参考位置。马池香等[54]通过渗流稳定性分析深入研究了浸润线位置对尾矿坝稳定性的影响程度,强调加速尾矿固结、降低坝体浸润线是渗控优化的关键。为验证尾矿坝运营期的安全性,需计算尾矿坝的渗流情况,分析排渗系统的合理性与可靠性[55]。郭振世[56]首次根据渗透系数对实际排渗设施进行反演分析;徐维生等[57]通过反演分析获得了尾矿坝的尾砂渗透系数,并对尾矿坝加高工程提出了针对性建议。
自20世纪70年代以来,大多数坝体渗流问题通过数值分析法研究。该方法能克服极限平衡法的局限性,合理分析尾矿坝渗流场变化规律。邓涛等[58]联合采取室内渗流堆积坝的模型试验与有限元数值模拟研究方法,探讨尾矿坝的应力场与渗流场的情况,以此揭露坝体内应力场及孔隙水压力的变化规律。Chang等[59]结合CT扫描技术与三维数值重构方法,建立细粒尾砂的三维模型,从细观角度分析影响尾矿渗透性的结构参数,并根据数值模拟方法研究尾矿坝三维渗流场的变化规律,有助于认清尾矿坝实际渗流规律。数值模型的建立涉及地形概化,考虑到尾矿库复杂且不规则的地貌特征,合理概化数值模型边界能有效减少计算量和提高计算精度[60]。然而,由于渗流场的影响因素较多,数值模型存在太多理想化假设,因此需注重与物理试验结果相结合,以提高研究结果的精确性。

2.2 物理模型分析法

目前,尾矿坝稳定性模拟试验大多数采用室内小规模试验(表5),通过模拟降雨等工况研究坝体渗流致灾演化过程。杨玉婷等[61]考虑尾矿筑坝特点及稳定性影响因素,提出了坝体结构概化分区模式。为研究溃坝后尾砂流的演变规律,预测其运动距离及影响范围,张红武等[62]强调尾矿库溃坝模型设计需考虑水流重力、阻力、挟砂等相似性,并提出了模型砂的选择及试验方法。离心模型试验是深入理解坝体渗流行为的有效手段,能揭示渗流在不同条件下的变化[63]。于广明团队[64]提出尾矿坝渗流场的相似模拟试验系统,尽可能还原尾矿坝的渗流场情况。尾矿坝内的尾矿是由多孔介质构成的可变形体,极易出现软弱夹层或透镜体结构,使得尾矿物理模型的概化分区和参数确定尤为困难[65]。当前沉积尾矿料力学特性的概化分区方法缺乏科学依据,存在很多随机性,一定程度上影响了试验结果的精度。在模拟尾矿坝沉积结构时,如果不考虑坝体中沉积结构的复杂性,计算出的浸润线可能偏低,坝体的安全性被高估[66]。对于已大致成型的尾矿库,在运行期间控制干滩长度能有效控制坝内浸润线高度[61]。为了克服常重力场、小尺度溃坝模型试验中存在的重力失真、尺度效应等问题,相关研究学者借助离心模型试验和大型水工模型试验,设计出溢洪道、水库大坝等模型,以实际工况进行渗流溃坝研究,全程监测渗流场特征参数,为工程渗流安全设计提供重要指导意见[67-68]。
表5 渗流堆积坝物理模型试验

Table 5 Physical model tests of seepage-accumulation dams

文献
序号		 试验内容 尺寸
(长×宽×高)		 比例尺 材料
[34] 研究粗、细尾矿在筑坝过程中的渗流规律 7 m×3 m×1.5 m 1:200 粗、细
粒尾矿
[61] 探讨初期坝透水性、坝体下游坡比、干滩长度对渗流场的影响 3 m×1 m×1.2 m 1:200 粉煤灰
[67] 研究尾砂的分布与沉积特征、坝体浸润线的埋深及变化规律 7 m×2.5 m×1.5 m 1:200 铜尾砂
[68] 研究渗流破坏下尾矿库溃坝过程、溃口发展以及尾砂沉积规律 1 m×0.2 m×0.3 m 1:100 原尾
矿砂
尾矿的矿物种类较多,颗粒成分千差万别,沉积过程也相当复杂,其性质与土体有着明显区别。尾矿库内的颗粒通常极细,因此在进行按比例尺缩放试验时,材料粒径可能导致黏聚力高、结构和渗流特性失真等不良效果。物理模型试验在考虑缩尺效应的同时,还应考虑容器边界效应和粗糙率,以防试验结果产生偏差。现阶段物理模型试验大量简化,将尾矿坝视为形状规则的均质坝体,可重现局部淤堵情况,但该方式无法真正反映尾矿库的实际应力场和渗流场。此外,由于库内各层尾矿的沉积规律和非饱和特性不同,一般土体的数学模型无法反映尾矿料渗流特性及应力应变规律。在堆筑模型时,尾矿坝存在构建成本高、时间长、难度大等缺点,无法保证堆筑效果与原型完全一致。为了减小地形因素对试验的影响,部分专家正积极利用3D打印技术[69]构建复杂地质条件下的三维地表模型,为尾矿坝物理模型试验研究带来了一些启发[70]。
综上所述,尾矿库内沉积尾矿料物理力学特性的空间分布与时间变化规律研究仍显不足,缺少根据尾矿库沉积特性的尾矿物理力学性质概化分区的方法。在物理模型分析方法中,基于物理模型试验观测坝体渗流致灾演化规律与破坏类型,通过控制变量法改变单个影响因子来深入探讨不同因素对尾矿坝渗流稳定性的影响。由于测量技术的局限性,无法准确评估模型的还原性或相似性,试验测量结果不够精细,测量参数也很难全面,3D打印技术只能重建坝体的三维地表模型;同时,由于坝体和筑坝材料的随机性、离散性且沉积过程的动态性,多过程模型融合无法真正反映天然渗流场和应力场,过程模型融合模拟有待改进。目前主要从宏观尺度分析降雨等致灾因素引发的溃坝机理,但仍有必要从微、细观多尺度进行渗流稳定性深度定量分析。最后,渗流引起尾矿坝失稳溃坝的影响程度与其影响因子之间的动态响应关系需更深入的理论研究;在多场(如渗流场、应力场和物理状态场等)多相(如水、尾矿砂和泥沙等)相互作用的影响下,尾矿坝渗流失稳致灾的发展时间-空间演化机理的理论研究有待进一步深入。

2.3 其他分析法

除了数值模拟和物理模拟,渗流分析方法还包括解析法、图解法等。王皓等[71]在MATLAB中进行公式模拟,提出了一种简化计算方法,用于处理渗流场解析解和坝体浸润线。研究渗流场的试验分析方法包括砂槽模型法、裂缝水槽法、电阻网络模型法以及电模拟试验法等[72]。其中,电模拟试验在应用广泛性方面占优势,能保持原型介质的连续性,精确模拟原型的边界和内部结构,为解决复杂渗流场问题提供有效工具。其缺点在于模型制作耗时耗力且费用高。考虑渗流稳定性的随机性,王飞跃等[73]首次将模糊可靠度理论应用于尾矿坝稳定性研究,综合考虑破坏事件和关键变量的模糊性,提出的模糊随机可靠度分析方法,有效弥补了传统可靠度计算方法的不足。
通过水文地质勘察,定性分析侧重于研究坝体渗流稳定性的影响因素、失稳破坏形式及力学机制,以解释和说明坝体稳定性的现状及趋势。例如武兴龙等[74]通过准确的地质勘察,为坝体和坝基提供可靠的水文地质参数,并根据经验法定性分析了坝体稳定性,为确保工程的安全运行提供了参考价值。然而,由于定性分析的局限性,尤其在复杂的水文地质条件、结构类型等情况下,坝坡适用性受到限制。因此,在考虑其他因素(如水文地质和水力学)的基础上,需结合数值模拟等方法来评估渗流稳定性,以提高效率和评价结果的精确度。

3 安全监测与预警

鉴于尾矿坝的复杂性和危险性,监测预警在灾前预防、灾中监测与灾后重建均起着重要作用。在尾矿坝安全监测领域,各国纷纷采用先进技术以确保监测的全面性和实时性。瑞典以物探法(如自电位、电阻率)对现有尾矿坝进行监测。南非则通过卫星和激光雷达数据来监测尾矿坝。同时美国、意大利等国率先进行了技术研究,引入智能监测系统确保监测信息实时汇总[75]。坝体的安全监测必须依据水文地质、设计等级、筑坝方式等因素设置定期监测的系统,实现坝体水位、内部位移(变形量)、渗流量及浸润线等信息的采集和远程监测。库区的安全监测系统(图2)配有安全预警装置,以便管理人员及时采取防范溃坝措施。国家安全生产监督管理总局将尾矿库库区视为系统工程进行全面科学监测。高分遥感、无人机低空航测和三维激光扫描技术的综合利用能实现尾矿库的大面积动态监测,弥补传统监测方法的不足[76]。梅国栋[77]通过160起事故案例分析,提出溃坝预警监测指标体系,包括浸润线埋深、降雨强度、泄水量等。前中期的自动化在线监测由于有线通信施工成本高、后期维护难而未成主流[78],但随着国内尾矿库安全在线监测系统技术的快速发展,全国范围内基本实现尾矿库在线安全监测系统的构建并形成了强大的风险评估监测系统平台[79]。
图2 安全监测系统示意图

Fig.2 Schematic diagram of safety monitoring system

在尾矿坝安全预警方面,通过浸润线埋深分析尾矿坝的渗流稳定性,以浸润线为预警指标和安全系数划分预警等级,完成了预警的实际应用。相关研究人员根据渗透破坏类型作为主要指标进行纵向分析,建立了尾矿坝安全预警指标体系[77]。黄明莹[80]通过三维地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术构建多元化的预警模型,实现了复合指标预警模型的三维GIS尾矿坝监测解决方案。以现代有效的安全监测技术为基础,通过数值分析与统计分析等方法相结合,实现在线监测、分析、评价和预警;通过引入新的监测技术,实现24 h智能远程监测,成功建立了一个集实时数据采集和实时传输于一体的高精度实时监测系统。但受物理力学参数不确定性的影响,仅考虑单一监测指标是远远不够的,应将坝体稳定性指标的监测结果整合到尾矿坝的风险评估指标体系中,使其更适用于实际情况。
总之,尾矿坝安全监测领域在技术上已取得显著进展,但目前的研究大多集中在浸润线埋深或坝体位移等单一方面,缺少稳定性指标与尾矿坝渗透破坏因素之间的综合性分析。为提高监测预警信息的准确性,需结合坝体的监测指标、稳定性指标(如环境、几何条件等指标),以逻辑嵌套的方式进行组合预警。通过实时采集相关特征指标、分析坝体时空演变规律、预测坝体发展趋势以及评价处置效果,为应急处治的动态调整提供依据。

4 研究展望

本文论述了尾矿坝渗流破坏类型及影响因素、渗流稳定性分析方法与安全监测预警研究,综上分析,今后该领域可从以下几方面展开研究:
(1)鉴于众多影响因素,系统性研究各类沉积尾矿料的物理力学特性,改进尾矿坝的渗透破坏判别方法,减小适用范围差异性,提升其广泛适用性。
(2)尾矿坝渗流稳定性需综合考虑各因素影响,通过跨学科和多种分析方法进行研究,将多个影响因素进行量化并分离,系统研究尾矿坝渗流场的影响因素、渗流场引发尾矿坝失稳溃坝(如流土、管涌等)的影响程度,为尾矿坝变形、渗流安全控制措施、渗流稳定性研究以及三维数值模型的精度验证等提供更全面、真实、准确的信息。
(3)随计算机运算能力的提升,进一步优化和完善多尺度渗流数学模型。系统研究各类尾矿坝的结构特征,针对其特点分析各种数值模拟方法的适用范围,寻找合理概化数值模型边界,提高模型还原度和结果可信度。
(4)通过结合物理模型试验与数值模型模拟,深入定量研究以渗透破坏为主的尾矿库溃坝的动态响应关系和时间-空间演化过程,旨在揭示其渗透破坏机理;改进模型试验测量与筑坝技术,使3D打印技术应用于复杂地质条件下的三维地表模型,减小地形对试验的影响;考虑物理模型的缩尺效应、积聚效应等影响,并根据渗透破坏的溃坝要素探索出渗流物理模型的相似准则。
(5)注重新监测技术的综合运用,监测库区的雨区范围、暴雨中心路径和降雨量的变化,采用物联网、智能化等手段研发具备库区广域组网监测的多功能(在线监测、分析、评价和预警)尾矿库溃坝风险预警系统,实现预警信息实时和有效传输并及时发布,提高紧急应对处置时效,全面提升区域防灾减灾能力。

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