[发明专利]一种适用于尾粉砂发生管涌的临界水力梯度的计算方法

说明书

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；