第16卷第12期2020年12月
中国安全生产科学技术
JouenaooeSaeetyScoenceand Technooogy
Voo.16 No.12! Dec.2020
Soi ： 10. 11731// issn. 1673-193x . 2020. 12. 010
国内尾矿库物理模型试验研究现状分析*
*收稿日期：2020 -08 - 10
*基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC0804603 )
作者简介：马海涛，博士，高级工程师，主要研究方向为非煤矿山安全及尾矿库溃坝机理研究通信作者：张亦海，博士，工程师，主要研究方向为露天矿山边坡安全及滑坡预警预报％
马海涛1，张亦海"，李京京2
(1.中国安全生产科学研究院，北京100012 ; 2•陇南紫金矿业有限公司，甘肃陇南746000)
摘要：为提高尾矿库物理试验的科学性与可靠性，采用文献资料收集与分析方法，对国内尾矿库物理模型试验的研究现状与主
要成果进行梳理和归纳；总结试验模型存在的问题与不足%结果表明：溃坝机理试验主要研究了管涌渗透、洪水漫顶、地震作用
下的溃坝及其演化过程；下游演进试验主要揭示了溃坝过程中泥深、冲击力、流速、泄砂量、淹没范围等时空分布规律；稳定性评
价试验主要利用物理试验得到的浸润线位置、尾砂沉积分布等数据建立数值模型，对尾矿库筑坝过程、不同工程状况下的稳定性
进行分析；防护试验主要对坝体加筋及拦挡坝防护效果等进行研究％从溃坝机理与过程、溃坝主要影响因素、溃坝下泄物运移过
程、物理模型设计和构建、监测技术和手段等方面提出相应的研究建议，供研究学者参考借鉴％ 关键词：尾矿库；物理模拟；溃坝；研究现状
中图分类号：X936
文献标志码:A 文章编号：1673 - 193X ( 2020) - 12 -0061 -06
Ana eys ts on rearch status about phys tca emode etests of ta tetngs pond tn Ch tna
MA Haitao 1 , ZHANG Yihai 1 , LI Jingjing 2
(1. China Academy of Safety Science and Technology , Beijing 100012 , China ；
2. Longnan Zijin Mining Co. , Ltd. , Longnan Gansu 746000, China )
Abstract : In order to improve the scientificity and reliability of the physical tests of tailings pond, the rearch status and
main achievements of the physical model test of tailings pond in China were sorted out and summarize by using the litewturo
document callection and analysis methods. The pwb/ms and shoWcamings of the expeWmental model were summarized. The
eesuotsshowed thattheeeaech testsoedam beea' mechanosm maonoystudoed themechanosm and eeooutoon peoce s oedam
bwx' caud by the piping epaxe ,flood topping ,and exWhqua'e action. The wxwh tests of downstream evelution mainly eocud on themud depth , ompacteoece , eooweeoocoty , sand d oscha ege amount , submeeged eangeand othe et ome and spacedos-
t/bution laws during the dam bwx' process. The stability eveluation tests mainly ud the data of the infiltration One position
and tailings deposition distribution obtained from the physical tests to establish a numeWcsl model, so os to analyze the stabili
ty of the dam canstwc/on process and diiewnt engineeVng canditions of the tailing pond. The protection tests mainly studied
the winfowament of the dam body and the protection effect of detention dam. The carwsponding rearch suggestions were put eoewaed eeom th/asp/ctsoeth/m/chanosm and peoc/s oedam be/a', th/maon on eou/nc ong eacto es o edam be/a', th/moe/m/nt
procas s of spilled mateVol under the dam bwx' , the design and canstwction of physical model , the monitoring technoloyy and
means , etc. , so as to provide wfewnca for the wxwhew.
Key words ： tailings pond ； physical simulation ； dam bwx' ； rearch status
c n ’亠
水％近100 a 来世界上18 401个尾矿库的溃坝率约为
0 弓1 =
1=1
1.2% ，为水坝溃坝率的120倍⑴。我国现有尾矿库
尾矿库是指用以存放矿山选矿后排出尾砂的场所； 8 869座，头顶库1 425座，截至2015年，溃坝事故占尾
尾矿坝是尾矿库的外围构筑物，用以拦截库内的尾矿与
矿坝事故的56%，其中头顶库溃坝占溃坝总数的55%
・62・中国安全生产科学技术第16卷
以上；渗透作用、漫顶破坏是溃坝的主要原因，在国内分别占52.3%,32.9%，在国外分别占44.6%,19.6%，其为浸润线、坡体、堆坝、地震液化等⑵。
一恶劣地区，且溃坝发展较，大多数安全研究的专家或者学采用查阅资料、问访等方式进行调查，并未亲临现场，因此现场的数为匮乏。物理试验研究可以弥补此缺陷，揭示尾矿坝溃坝形成与发展的机理和规律。
1溃坝试验状况与进展
早期国内尾矿库物理模型研究主要以数学模型与数值为主，理型试验发展较晚，主要以水工试验为主，水工试验则对排水渗透研究较为深入。尾矿理模型试验目前还的相似律，主要参考携砂水流的相似条件，如重力相似、阻力相似、斯达鲁哈数相似等*3+%国外的研究主要集中于历、环影响、数学模型、数值等方面，理试验主要对土石坝溃坝进析，但理研究较少% Coleman等*4+采用重力相似、泥动相似原理建立均质非黏性土坝物理模型;Dupont等*5+力似和泥沙运动相似理论以及与原型的阻力系数，得出非黏性土均质坝相似准则；Hassan等*6+对坝体材料、库容以及上下游水位差等影响溃坝的因素进行研究％—些国家在20世纪90年代开展了部分大型溃坝研究项目，如美国国家大坝安全计划（NSDP）项目、欧洲IMPACT，CADAM等项目*7-9+%目前，尾矿库溃坝试验系统一般包括主体模型、下型、以及'回收。图1为中国安全生产科学研究院自主」的溃坝试验台％
图1尾矿库溃坝模拟试验场
Fig.1Test fieli of dam break simulation for tailings pond
12溃坝机理试验
溃坝理试验主要研究渗透、水、地震作用等多种致灾因素的溃坝及其演程。早期主要参考土石坝、水坝及堰塞湖的研究，匡国富*10+将然坝体溃坝为溢流侵蚀型、滑动崩决型以及逆流渐进型3种％但坝是人造坝，溃决时会形成人造泥石流，等*11+提出尾矿坝与挡水土石坝存在筑坝方式、尾砂沉积、溃决机理及下4个方面差异，并将坝溃坝为漫顶溃坝（溢流侵蚀型）、浸润线过高（逆向渐进型）以及溃坝3种，但未考虑地震用的致灾机理；潘建平等*12+将地震液坏：分为基础破坏、初期坝破坏、子坝破坏以及内坡滑移破坏4%
魏勇等*13+将坝基管涌破坏分为无明显渗透变形、、发展以及整体破坏4个，提出坝基?水力梯度与坏的；光等*14+研究降雨漫溃坝时溃口宽度及深度与时间的；敬非等*15+发水状况下，浸润线变，最大水力位于坝坡中部，并提出逆流渐进型溃决的过程与机理，垮塌以变形为主转变为水平变形为主；楚金旺等*16+提出洪水溃坝的机理，水流侵蚀、纵向陡坎冲蚀与横向坍塌分别是前、中、后期溃坝的主要特征；曹帅等*17+研究赤泥溃坝的发展过程，推导出赤泥流在下内演进的最大淹没高度；党
璋等*18+研究松散状态、状态、状态下3不
堆积度的水溃决程，出提
坝堆积度能够有效延迟溃坝泥石流的形成时间；杨玉婷等*19+自的溃坝试验装置，开展」库室内堆（溃）坝模型试验研究，分析在渗流破坏情况下溃坝程、溃发展、下泥砂沉积律%主要溃坝理研究试验1%
1.2下性试验
下演进特性试验主要溃坝程中泥深、
力、流、泄砂、淹没等规律进行探讨。模型下游主要采用三维地形或置，三地似比进，面宽度、程进%试验假定溃口大小及工程状况，溃口的控制通过可移动挡板进，或电磁铁自动来（全溃%试验材多采用或体%敬非等*20+、尹光等*21+研究发现泥深、力溃门、坝体度的大非线性大，在一面泥深发展为迅长、定、降低3个；等*22+试验发，溃坍塌、地等定性影响，泥深、流波动性变化；等*23+研究自然情况、工程等况下泥深、等特来析淹没范围；保泉等*24+探究2条件下，溃坝泥石流的流速变化、度和沉积深度等流动特性，并预测下游溃坝影响，研究发现在靠近溃坝的r 度最大，但沉积深度最，泥流的动，
度随地差交替变化，而沉积深度总体％主要下演进试验2
%
第12期中国安全生产科学技术・63・
表1溃坝机理研究试验
Table1Rearch tests of Sam brrak mechanism
参考文献试验内容模型尺寸及比尺试验材料*13]尾矿坝坝基管涌破坏演化过程砂槽模型(1.6mx0.33mX1.07m，1:250)超细尾矿:14：上游式尾矿坝降雨漫顶溃坝的溃口扩展机理室内模型(3.1m X0.72m X0.26m,1：50)经配置尾矿浆*15]尾矿库洪水情况渗透垮塌机制及溃决模式试验槽(1.8m X0.5mX0.5m，1:300)超细*16]尾矿坝洪水漫顶溃坝垮塌机制室外模拟平台(4m X0.2m X0.4m，1:100)尾粗砂:17：变坝坡赤泥库漫顶溃坝发展过程及其机理室内模型(3.1m X0.72m X1.52m，水平：160，垂直1：100)电厂粉煤灰
*18]研究不同堆积密实度下尾矿库发生洪水漫顶
的溃决程及理
尾矿库溃坝模型平台（1:35）粉煤灰
*19]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
室内堆（溃）坝模型（1:100）
堆坝
砂
表2下游演进试验
Tabee2Tests of Sownstrram evoletion
参考试验内型寸及比试验材*20]3种不同溃口下，泥深、流速以及冲击力特性模拟试验台（1:400）石膏粉浆体*21：下游坝、上游主坝或子坝溃坝时下断面参数、泥沙冲刷量河工模型（水平1:200，垂直1:150）拟焦沙*22：不同坝高溃坝，流态、冲击力特性相似模拟试验系统（高0-25-0.3m）体*23：漫顶溃坝时流量过程及提出洪水预测数学模型大型物理模型（35mX8mX5m,1：180）拟焦沙
*24:2种不同沟槽条件下泥石流流速变化、冲击高度和
沉积深度等流动特性及下游溃坝影响范围
室外物理模型（1:200）
石膏粉、原尾砂与
水的混合体
1.3稳定性评价试验
稳定性评价试验的主要步骤为：1）根据相似原理构建物理模型;2）采集尾矿沉积分布及浸润线分布等试验数据;3）以试验资料为基础，进行数值计算分析，主要分析方法为有限元法和极限平衡法;4）进行稳定性评价并提出相应建议％
张东明等［25］发现高浓缩尾矿坝堆坝时泥夹层现象明显，改进上游法有助于改善渗透性，使坝体稳定性提高19%〜32%'尹光志等
*旳、敬小非等切以秧田菁尾矿库与小打鹅尾矿库为背景进行试验，将得到的尾矿沉积与分布状况以及浸润线深度进行稳定性分析，发现洪水状况下较为危险，须采取排渗措施；张敏哲等1281通过对西门铁矿尾矿坝的试验发现，坝体中部是工程的关键部位，其加压时变形最大，且坝体存在临界高度，超出临界高度易失稳破坏；张卫中等*切以云南某铜矿尾矿库为背景，得到不同坝高的浸润线分布数据并进行堆坝速率对安全系数影响的数值分析，发现分析结果与传统固结理论相反，堆积加快并不会使固结时间缩短，安全系数不增反降％主要稳定性评价试验见表3%
1-4尾矿库防护试验
尾矿库防护试验主要对坝体加筋及拦挡坝防护效果进行研究％赵一姝等［30］通过试验将加筋坝体漫顶溃
表3稳定性评价试验
Table3Tests of stability evaleation
参考试验内型寸及比试验材件*25]传统与改进上游法堆坝稳定性对比室内模型(11.0m X7.0m X1.5m，1:150)细砂、砂等SLOPE/W *26]洪水状况下尾矿库稳定性评价室内模型（1:200）尾细砂、尾粉砂SLIDE *27：正常状态与洪水状况下稳定性分析试验槽(7m X2.5m X1.5m，1:200)废石、矿渣ANSYS *28]不同荷载下尾矿坝稳定性分析试验槽(3.5m X1.5m X1.4m，1:100)砂无*29：堆坝坝定性影响试验槽(8mX5mX1.5m,1：200)尾粉砂、尾粉土SIGMA/W 等
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坝过程分为5个阶段，并发现加设筋带可降低坝体渗透速率及增强抗滑移能力，但会使浸润线上升；尹光志等［31］研究发现加筋破坏呈楔形破坏，加筋提高坝体强度及减少水平与垂直位移，加筋间距对位移和载荷承受能力影响不大；敬小非等阳研究发现筋带密度增加使溃口形状从“Y）型向“H）型转变，
限制溃口横向、纵向的发展；唐建新等［33］研究发现细尾矿库加筋时破坏滑动面与未加筋时有所差异，无明显连续破坏面％主要尾矿库防护试验见表4%
2存在的问题分析
2.模型试验与原型差异性
尾矿库溃坝发生和演进过程是渗流场、应力场和位移场的多场耦合作用的时空过程％常规的物理模拟试
表4尾矿坝防护试验
Table4Protective tests of tailicgs Sam
参考文献试验内容模型尺寸及比尺试验材料*30]加筋与未加筋粗尾矿坝溃坝破坏情况对比试验槽(1.4m X0.2m X0.3m)尾粗砂*31]垂直荷载作用下加筋与未加筋破坏模式对比试验槽(1.75mX0.5m x0.25m，1:200)尾细砂*32：筋带密度对漫顶溃坝影响试验槽(1.4m X0.6m X0.4m)尾细砂
*33]筋与筋细溃坝坏况比
试验槽(1.4m X0.5m X0.25m，1:200)细砂
验无法模拟尾矿在高应力条件下的物理特性，尾矿砂特性与砂土、粉土相似，但加卸载均极易破碎，具有反向剪缩特点；上游法筑坝时尾矿上粗下细、前粗后细的沉积分布特征以及夹层、千层饼等现象，与一般试验采用的单种材料或者分区简易设置2-3种不同粒径材料的布置方式有较大差异；而且粗粒尾矿一般用于填补采空区，库内尾矿颗粒通常极细，试验材料粒径按照比例尺缩放会导致黏聚力高、流态与崩塌特性失真等不良效果％除缩尺效应外，边界效应也会对试验结果带来偏差，如容器边界作用以及糙率的影响％
2.2试验内容分析
从试验内容来看，目前多是对洪水状况、地震等致灾因素造成的溃坝机理进行宏观尺度上的分析，有必要从细观、微观多尺度进行溃坝分析％试验对下游演进过程的泥深、流速等特征指标进行定量分析时，常以测量结果与建立的数学模型进行比较，缺少实际事故监测资料的验证对比％由于工程的特殊性与复杂性，尾矿库的稳定性受到多种复杂因素影响％国内尾矿库溃坝试验对结果的误差分析研究较少，且尾矿坝溃坝演进过程较水坝更为复杂％
2=3分
测量方法的好坏直接决定试验的成败，尤其是重复性差、耗时耗财的大型室外模拟试验％试验通常采用钢及来泥深，边及｛在或边界上的泥浆会造成测量误差％对于流速的测量，接触式的流速仪对水流
干扰较大；电磁流速彳受磁场影响较大且不适用于磁铁矿等；热线热膜流速仪不适用测量泥砂流速％地形测量仪测量溃口展宽受水流及泥沙影响较大；由于下泄物质的阻挡，人工难以准确测量冲沟或陡坎扩展状况，在室外，大尺度模型试验存在安全问题％此外，对模型的坝体内部变形量和位移的监测、下泄物质的容量等测量也是需要攻克的难题％
3研究建议
1）建议采用多尺度模型，结合室外大比尺与多组室内小比尺试验，减少缩尺效应；加强历史数据、现场监测结果、物理模拟试验及数值模拟的结合及比较，研究试验误差范围及适用范围；结合离心模型试验以及大型水工模型试验，深入研究尾矿坝在水流漫顶溃坝、排水系统淤堵溃坝、渗透破坏和坝坡失稳等主要致灾因素作用下的尾矿库溃坝机理与过程％
2"因相似准则往往不相容，可考虑主要影响因素及积聚效应，应根据洪水漫顶、渗透破坏、地震等溃坝因素的差异以及其研究内容侧重点不同分别建立相应的相似条件；在下游演进特性试验中，应重点研究冲击力、泥深厚度及淹没范围等，而不是单个尾砂颗粒的运移轨迹及速度％
3）深入研究溃坝下泄物运移过程的能量特征、波及范围及运动距离％水坝、尾矿坝、泥石流、碎屑流等灾害事故演化规律既有共性又存在差异，下泄物质分别为水、水砂混合物、水土混合物、砂砾混合物等％通过研究不同下泄物质组成成分对流动特征的影响及机理，使水坝、泥石流等研究成果可以通
过一定的关系推广至尾矿库的研究，以加深下泄物质流动规律的认识，更准确地进行灾害评估及致灾范围预测，对实际工程进行指导％4）物理模型的设计和构建直接影响试验结果，但构建手段和技术目前无较大的提升％如下游地形采用直道或者弯道时，并不能很好地反应复杂地形条件对下泄物质流动造成的影响％采用浆砌的下游地形存在可重复性低、构建周期长等缺点，且模型存在一定的误差％
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目前，迅速发展的3D打印技术为构建物理模型提供了新途径，基于激光扫描或无人机航测等技术获取地形地表数据；基于地表粗糙度应用3D打印技术建立复杂地质条件下的三维地表模型％也可通过设计下游地形可变化的物理模型试验场，对不同实际工程进行多次重复物理试验，减少地形因素对试验结果的影响％
5)利用和发展现有的监测技术和手段，以自动化数据采集替代人工读数，结合数值计算方法，建立三维全场实时信息系统，研究溃坝前水位、应力应变和位移等参数变化特征，建立安全评价体系及预警阈值，为预警预报提供理论基础。同时，基于对水固二相流监测技术和装备的研发，研究尾矿库预警技术，并开发尾矿库监控、评估、预警和预测于一体的专业软件％
4结论
1"物理模拟试验是研究尾矿库溃坝发生、发展及致灾后果的重要手段％近年来国内主要开展的尾矿库物理试验可归结为4类：溃坝机理研究试验、下游演进研究试验、稳定性评价试验、尾矿库防护试验％
2"尾矿库物理模拟试验主要由相似理论、相似材料、试验方法、试验装置、监测技术及结果处理分析等构成％目前在模型试验与原型差异性分析、试验内容分析、测量手段分析等方面存在一定问题％
3)针对目前尾矿库溃坝物理模型试验的主要研究内容和存在的问题，从尾矿溃坝试验在溃坝机理与过程、溃坝主要影响素、溃坝下移程、理型的设计和构建、监测技术和手段等方面提出5条建议，供研究学者参考％
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