土力學滲透實驗土力學滲透實驗/NUMPAGES27土力學滲透實驗土力學滲透實驗尾礦的滲透特性影響上游法筑壩尾礦庫安全穩(wěn)定性的諸多因素中，尾礦庫的滲流狀態(tài)是最重要的因素之一。只有深入分析尾礦庫的滲流狀態(tài)，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(nèi)外對尾礦庫進行滲流分析時很少考慮尾礦的滲透系數(shù)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(shù)的變化。堆積尾礦的滲透系數(shù)與上部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(nèi)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(shù)變化情況，從而為尾礦庫滲流穩(wěn)定性分析提供科學依據(jù)。（1）固結—滲透聯(lián)合測定裝置說明①固結—滲透聯(lián)合測定裝置構造說明現(xiàn)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(shù)據(jù)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相同土樣的制備數(shù)量和消除同一試驗相同土樣在制備過程中產(chǎn)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(lián)合測定裝置，該裝置不僅實現(xiàn)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(shù)的基本目的，而且實現(xiàn)了針對一個土樣可以連續(xù)精確測定不同固結壓力條件下土樣的滲透系數(shù)，得到固結壓力—孔隙比—滲透系數(shù)的定量變化規(guī)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(shù)，同時也不能連續(xù)測定不同固結壓力下土樣滲透系數(shù)的不足，提高了固結壓力下滲透系數(shù)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次數(shù)，該參數(shù)精度的提高使相關問題的研究更貼近實際。固結—滲透聯(lián)合測定裝置的詳細構造如圖3.6所示：1—加壓活塞；2—加壓筒；1—加壓活塞；2—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—滲透聯(lián)合測定裝置示意圖Fig.3.6SchematicplotofOsmoticOedometer固結—滲透聯(lián)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。②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(nèi)腔中，在土樣上再放一層濾紙，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(nèi)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(tài)，通過百分表讀取土樣的軸向變形量，當土樣變形穩(wěn)定時，測定滲透系數(shù)；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①實驗內(nèi)容：使用固結—滲透聯(lián)合測定裝置采用常水頭法分別測定阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦及混合尾礦、分層尾礦在0kPa、32.5kPa、65kPa、130kPa、260kPa、390kPa、780kPa、1170kPa八級固結壓力下的滲透系數(shù)，每施加一級荷載后需等待沉降穩(wěn)定后再測量其滲透系數(shù)，每個滲透系數(shù)測兩次，固結穩(wěn)定的判別標準為每小時沉降量小于0.01mm。取兩次測量值的平均值作為該級荷載下的滲透系數(shù)。為了減小試驗誤差，所有試驗均在常溫下進行。②砂類尾礦固結—滲透試驗方法：砂類尾礦滲透系數(shù)很大，因此為避免由于透水石滲透系數(shù)小于砂類尾礦滲透系數(shù)而造成的測量結果錯誤，采用金屬網(wǎng)代替透水石，并在金屬網(wǎng)上邊鋪上一層粗砂代替濾紙作為反濾層來進行砂類尾礦的固結—滲透試驗。修正各砂類尾礦的實際固結數(shù)據(jù)，以消除兩端反濾層及金屬網(wǎng)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固結—滲透聯(lián)合測定裝置圖3.8尾礦的固結—滲透聯(lián)合試驗Fig.3.7OsmoticOedometerFig.3.8OsmoticOedometertestoftailings③阿哈來、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(shù)據(jù)如表3.8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(shù)據(jù)Tab.3.8Voidratiodatasofalltypesoftailingsunderconsolidationpressures固結壓力/kPa孔隙比e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00.8510.8491.5290.8390.9931.1451.02132.50.8460.8361.5130.8750.9241.0320.946650.8390.8291.50.8620.8470.9680.8891300.8320.8181.4890.8560.7580.9340.8482600.8210.81.4710.840.6830.8970.7633900.8140.7891.4590.8250.6590.8530.7347800.8010.7781.4380.8010.6140.8210.70211700.7840.7691.4240.7970.5980.7820.679根據(jù)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：圖3.9阿哈來尾礦庫各類型尾礦的關系Fig.3.9RelationshipofofalltypesoftheAhalaitailings圖3.10同乃尾礦庫各類型尾礦的關系Fig.3.10RelationshipofofalltypesoftheTongnaitailings當固結壓力增大時，各種尾礦試樣的壓縮規(guī)律與前面的壓縮特性規(guī)律相近，但因有持續(xù)水流的作用，其結果有細微的差別，體現(xiàn)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(shù)數(shù)據(jù)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(shù)數(shù)據(jù)Tab.3.9Permeabilitycoefficientdatasofalltypesoftailingsunderconsolidationpressures固結壓力/kPa滲透系數(shù)/(10-2cm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06.299.20.08910.580.0950.00530.006532.56.198.180.07460.50.0840.00420.0056656.0157.680.06690.420.0770.00390.00521305.8046.980.06160.370.0720.00370.00492605.656.560.05650.340.0680.00350.00473905.546.310.05290.320.0670.00320.00457805.415.780.04860.30.0660.00310.004411705.335.460.04650.290.0650.00290.0043根據(jù)數(shù)據(jù)表3.9繪制阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦滲透系數(shù)與固結壓力關系曲線圖3.11、3.12：圖3.11阿哈來尾礦庫各類型尾礦關系Fig.3.11RelationshipofofalltypesoftheAhalaitailings圖3.12同乃尾礦庫各類型尾礦關系Fig.3.12RelationshipofofalltypesoftheTongnaitailings阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦試樣滲透系數(shù)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(shù)與孔隙比的關系數(shù)據(jù)Tab.3.10Datasofpermeabilitycoefficientandvoidratioofalltypesoftailings阿哈來尾細砂孔隙比e0.8510.8460.8390.8320.8210.8140.8010.784滲透系數(shù)（10-2cm/s）6.296.196.0155.8045.655.545.415.33阿哈來尾粉砂孔隙比e0.8490.8360.8290.8180.8000.7890.7780.769滲透系數(shù)（10-2cm/s）9.28.187.686.986.566.315.785.46阿哈來尾粉土孔隙比e1.5291.5131.5001.4891.4711.4591.4381.424滲透系數(shù)（10-2cm/s）0.08910.07460.06690.06160.05650.05290.04860.0465阿哈來原尾礦孔隙比e0.8390.8750.8620.8560.8400.8250.8010.797滲透系數(shù)（10-2cm/s）0.580.50.420.370.340.320.30.29同乃尾粉砂孔隙比e0.9930.9240.8470.7580.6830.6590.6140.598滲透系數(shù)（10-2cm/s）0.0950.0840.0770.0720.0680.0670.0660.065同乃尾粉土孔隙比e1.1451.0320.9680.9340.8970.8530.8210.782滲透系數(shù)（10-2cm/s）0.00530.00420.00390.00370.00350.00320.00310.0029同乃原尾礦孔隙比e1.0210.9460.8890.8480.7630.7340.7020.679滲透系數(shù)（10-2cm/s）0.00650.00560.00520.00490.00470.00450.00440.0043根據(jù)表3.10中阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦滲透系數(shù)與孔隙比的關系作各尾礦土樣的滲透系數(shù)與孔隙比的關系曲線，如圖3.13~3.19所示：圖3.13阿哈來尾細砂關系Fig.3.13RelationshipofoftheAhalaifinesandtailings圖3.14阿哈來尾粉砂關系Fig.3.14RelationshipofoftheAhalaifinesiltysandtailings圖3.15阿哈來尾粉土關系Fig.3.15RelationshipofoftheAhalaisiltysoiltailings圖3.16阿哈來原尾礦關系Fig.3.16RelationshipofoftheAhalaioriginaltailings圖3.17同乃尾粉砂關系Fig.3.17RelationshipofoftheTongnaisiltysandtailings圖3.18同乃尾粉土關系Fig.3.18RelationshipofoftheTongnaisiltysoiltailings圖3.19同乃原尾礦關系Fig.3.19RelationshipofoftheTongnaioriginaltailings由圖3.13～3.19可知，阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦的滲透系數(shù)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(shù)減小較快，而在孔隙比減小的后期階段，阿哈來、同乃尾礦庫各類型尾礦的滲透系數(shù)減小速度放緩。對于阿哈來尾礦庫，尾粉砂的最初滲透系數(shù)最大，但隨著孔隙比減小其滲透系數(shù)的下降速度卻最快，最終的滲透系數(shù)小于尾細砂的滲透系數(shù)；尾粉土的滲透系數(shù)小于原尾礦的滲透系數(shù)，兩者相差近1個數(shù)量級；原尾礦的滲透系數(shù)小于尾粉砂的滲透系數(shù)，也相差近1個數(shù)量級。對于同乃尾礦庫，尾粉砂的滲透系數(shù)最大，原尾礦的次之，尾粉土的最小，尾粉砂的最終滲透系數(shù)是尾粉土的約20倍。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[77]可知阿哈來尾粉土和阿哈來原尾礦為中等透水，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。④滲透系數(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律《公路土工試驗規(guī)程》[78]中認為很多砂類土的滲透系數(shù)與孔隙比的關系服從冪函數(shù)曲線關系。王崇淦[17]在其研究成果中驗證了該規(guī)律。本文將各類尾礦的滲透系數(shù)與孔隙比的試驗數(shù)據(jù)擬合為冪函數(shù)曲線關系，如的形式，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(shù)和孔隙比可擬合為對數(shù)函數(shù)曲線關系。本文也嘗試將鐵尾礦的滲透系數(shù)與孔隙比的關系擬合為對數(shù)函數(shù)曲線關系，如的形式，擬合效果也不是很理想。經(jīng)多次嘗試后，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)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3.13~3.19所示。其擬合關系式如下：阿哈來尾細砂曲線擬合方程：（3.13）阿哈來尾粉砂曲線擬合方程：（3.14）阿哈來尾粉土曲線擬合方程：（3.15）阿哈來原尾礦曲線擬合方程：（3.16）同乃尾粉砂曲線擬合方程：（3.17）同乃尾粉土曲線擬合方程：（3.18）同乃原尾礦曲線擬合方程：（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(shù)隨孔隙比的變化規(guī)律符合高斯曲線、羅倫斯曲線規(guī)律，同時說明試驗方法的改進增加了數(shù)據(jù)精度，使固結壓力—孔隙比—滲透系數(shù)之間的關系更符合實際。此規(guī)律的獲得可為尾礦庫滲流和穩(wěn)定性分析提供可靠依據(jù)。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(qū)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）混合尾礦、分層尾礦固結—滲透試驗①試驗方法本次試驗仍采用自制的固結—滲透聯(lián)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(shù)，按照前面節(jié)中所述的質(zhì)量比稱取各級尾礦共300g，因為固結—滲透試驗是由下部進水，所以將各級土樣裝填順序調(diào)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(shù)的反濾層。本次試驗采用的壓力級別分別為：0kPa、32.5kPa、65kPa、130kPa、260kPa、390kPa、780kPa。試驗步驟按照《土工試驗方法標準》[68]的要求進行。②混合尾礦與分層尾礦的滲透特性a.阿哈來混合尾礦和分層尾礦的固結—滲透特性比較分析在持續(xù)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(shù)據(jù)Tab.3.11DatasofvoidratioandconsolidationpressureoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings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(shù)據(jù)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(guī)律，如圖3.20所示：圖3.20阿哈來混合尾礦和分層尾礦的關系Fig.3.20RelationshipofoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings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(shù)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(shù)與固結壓力關系數(shù)據(jù)Tab.3.12DatasofpermeabilitycoefficientandconsolidationpressureoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings固結壓力/kPa滲透系數(shù)/(10-5cm阿哈來混合尾礦阿哈來分層尾礦06.79.232.55.34.3654.23.11303.251.82602.41.13901.90.867801.60.69根據(jù)數(shù)據(jù)表3.12繪制阿哈來混合尾礦和分層尾礦滲透系數(shù)與固結壓力關系曲線，如圖3.21所示：圖3.21阿哈來混合尾礦和分層尾礦的關系Fig.3.21RelationshipofoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings進而得到阿哈來混合尾礦和分層尾礦滲透系數(shù)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(shù)與孔隙比的關系數(shù)據(jù)Tab.3.13DatasofpermeabilitycoefficientandvoidratiooftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings阿哈來混合尾礦孔隙比1.341.301.251.191.121.071.02滲透系數(shù)/（10-5cm/s）6.75.34.23.252.41.91.6阿哈來分層尾礦孔隙比1.431.361.301.251.211.171.14滲透系數(shù)/（10-5cm/s）9.24.33.11.81.10.860.69根據(jù)表3.13中的數(shù)據(jù)，繪制滲透系數(shù)與孔隙比的關系曲線如圖3.22所示：圖3.22阿哈來混合尾礦和分層尾礦的的關系Fig.3.22RelationshipofoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailingsb.同乃混合尾礦和分層尾礦固結—滲透特性對比。在持續(xù)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(shù)據(jù)，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關系數(shù)據(jù)Tab.3.14DatasofvoidratioandconsolidationpressureoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings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(jù)表3.14，繪制孔隙比與固結壓力的關系曲線如圖3.23所示：圖3.23同乃混合尾礦和分層尾礦的關系Fig.3.23RelationshipofoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings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(shù)試驗數(shù)據(jù)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(shù)與固結壓力關系數(shù)據(jù)Tab.3.15DatasofpermeabilitycoefficientandconsolidationpressureoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings固結壓力/kPa滲透系數(shù)/(10-5cm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(jù)表3.15，繪制同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數(shù)與固結壓力關系曲線，如圖3.24所示：圖3.24同乃混合尾礦和分層尾礦的關系Fig.3.24RelationshipofoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings進而得到同乃混合尾礦和分層尾礦的滲透系數(shù)與