土力学渗透实验

3.2.2 尾矿的渗透特性

影响上游法筑坝尾矿库安全稳定性的诸多因素中，尾矿库的渗流状态是最重要的因素之一。只有深入分析尾矿库的渗流状态，才能确定合理的筑坝工程指标，选择合适的排渗方案，从而保证尾矿库的安全[65,73,74]。

目前，国内外对尾矿库进行渗流分析时很少考虑尾矿的渗透系数随填埋位置和时间的变化。近代土力学的研究表明，土的渗透特性与土中孔隙的多少和孔隙的分布情况密切相关。随着尾矿的排放，下部堆积尾矿的上覆土压力逐渐增加。在上覆土压力的作用下，尾矿将逐渐排水固结，随着固结的进行，尾矿孔隙比逐渐减小，而孔隙比的减小必然引起渗透系数的变化。堆积尾矿的渗透系数与上部固结压力和孔隙比之间存在何种关系是一个值得探讨的问题[75-76]。本文通过室内试验的方法，研究不同固结压力和孔隙比条件下各类尾矿的渗透系数变化情况，从而为尾矿库渗流稳定性分析提供科学依据。

（1）固结—渗透联合测定装置说明

①固结—渗透联合测定装置构造说明

现有技术中进行土样渗透试验主要仪器为《土工试验方法标准》[68]（GB/T50123-1999）中所述的“常水头渗透试验”中的常水头渗透仪和“变水头渗透试验”中的变水头渗透仪。上述仪器仅能进行单纯的渗透试验，但无法定量并均匀施加固结压力，因此很难精确得到孔隙比，导致试验数据不准确。

针对目前常见渗透试验装置存在的不足，为了减少同一试验中相同土样的制备数量和消除同一试验相同土样在制备过程中产生的误差，作者在70型渗透仪的基础上进行了合理改进，自行研制了固结—渗透联合测定装置，该装置不仅实现了定量、均匀施加固结压力，精确测定单一固结压力下的渗透系数的基本目的，而且实现了针对一个土样可以连续精确测定不同固结压力条件下土样的渗透系数，得到固结压力—孔隙比—渗透系数的定量变化规律，弥补了普通渗透装置由于无法定量、均匀施加固结压力，导致无法精确测定固结压力条件下土样的渗透系数，同时也不能连续测定不同固结压力下土样渗透系数的不足，提高了固结压力下渗透系数的测量精度而且大大减少了测定不同固结压力条件下土样渗透性的试验次数，该参数精度的提高使相关问题的研究更贴近实际。

固结—渗透联合测定装置的详细构造如图3.6所示：

1—加压活塞；

2—加压筒；

3—进水口；

4—溢水孔；

5—支架；

6—透水石；

7—滤纸；

8—土样；

9—量筒。.

图3.6 固结—渗透联合测定装置示意图

Fig. 3.6 Schematic plot of Osmotic Oedometer

固结—渗透联合测定装置构造说明：本装置的溢水孔亦是测量孔。通过加压活塞可以改变土样所承受的轴向荷载，加压活塞与加压筒的筒壁之间有间隙，水可在加压活塞与加压筒筒壁之间自由流动。

②试验方法：

a.将透水石放入加压筒的底部，在透水石上放一层滤纸并将土样放入加压筒的内腔中，在土样上再放一层滤纸，放上透水石并在透水石上放上加压活塞；

b.在支架两边分别安装1个百分表，并使两个百分表的触头分别顶在加压筒的上表面，在进水口上安装进水管，在溢水孔上安装流量计或在溢水孔外设置量筒，将本装置安装在固结试验台上；

c.通过安装在进水口上的进水管向加压筒内注水，使土样排气、饱和；

d.通过固结试验台施加一定的固结压力来模拟试样的不同压力状态，通过百分表读取土样的轴向变形量，当土样变形稳定时，测定渗透系数；

e.通过固结试验台改变固结压力，再次进行其他固结压力条件下的渗透试验。

（2）不同固结压力条件下尾矿固结渗透试验

①实验内容：使用固结—渗透联合测定装置采用常水头法分别测定阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿及混合尾矿、分层尾矿在0 kPa、32.5 kPa、65 kPa、130 kPa、260 kPa、390 kPa、780 kPa、1170 kPa八级固结压力下的渗透系数，每施加一级荷载后需等待沉降稳定后再测量其渗透系数，每个渗透系数测两次，固结稳定的

判别标准为每小时沉降量小于0.01 mm。取两次测量值的平均值作为该级荷载下的渗透系数。为了减小试验误差，所有试验均在常温下进行。

②砂类尾矿固结—渗透试验方法：砂类尾矿渗透系数很大，因此为避免由于透水石渗透系数小于砂类尾矿渗透系数而造成的测量结果错误，采用金属网代替透水石，并在金属网上边铺上一层粗砂代替滤纸作为反滤层来进行砂类尾矿的固结—渗透试验。

修正各砂类尾矿的实际固结数据，以消除两端反滤层及金属网压缩变形对试验结果的影响，得到不同固结压力条件下砂类尾矿的实际单位沉降量和孔隙比。

图 3.7 固结—渗透联合测定装置图 3.8 尾矿的固结—渗透联合试验

Fig. 3.7 Osmotic Oedometer Fig. 3.8 Osmotic Oedometer test of tailings

③阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透试验结果及分析

阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿，不同固结压力条件下孔隙比数据如表3.8所示：

表3.8 阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在各固结压力下的孔隙比数据Tab. 3.8 Void ratio datas of all types of tailings under consolidation pressures

固结压力

/kPa

孔隙比e

阿哈来

尾细砂

阿哈来

尾粉砂

阿哈来

尾粉土

阿哈来

原尾矿

同乃

尾粉砂

同乃

尾粉土

同乃

原尾矿

0 0.851 0.849 1.529 0.839 0.993 1.145 1.021 32.5 0.846 0.836 1.513 0.875 0.924 1.032 0.946 65 0.839 0.829 1.5 0.862 0.847 0.968 0.889 130 0.832 0.818 1.489 0.856 0.758 0.934 0.848 260 0.821 0.8 1.471 0.84 0.683 0.897 0.763 390 0.814 0.789 1.459 0.825 0.659 0.853 0.734 780 0.801 0.778 1.438 0.801 0.614 0.821 0.702 1170 0.784 0.769 1.424 0.797 0.598 0.782 0.679

根据表3.8绘制阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿孔隙比与固结压力关系曲线，如图3.9、3.10所示：

图3.9 阿哈来尾矿库各类型尾矿的e p

-关系

Fig. 3.9 Relationship of e p

-of all types of the A halai tailings

图3.10同乃尾矿库各类型尾矿的e p

-关系

Fig. 3.10 Relationship of e p

-of all types of the Tong nai tailings 当固结压力增大时，各种尾矿试样的压缩规律与前面的压缩特性规律相近，但因有持续水流的作用，其结果有细微的差别，体现在阿哈来原尾矿和同乃尾粉土试样上，其孔隙比随固结压力的增大变化梯度稍大，阿哈来尾粉砂的最终孔隙