土力学渗透实验.docx
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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.3.6SchematicplotofOsmoticOedometer
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0kPa、32.5kPa、65kPa、130kPa、260kPa、390kPa、780kPa、1170kPa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0.01mm。
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.3.7OsmoticOedometerFig.3.8OsmoticOedometertestoftailings
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.3.8Voidratiodatasofalltypesoftailingsunderconsolidationpressures
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
关系
Fig.3.9Relationshipof
ofalltypesoftheAhalaitailings
图3.10同乃尾矿库各类型尾矿的
关系
Fig.3.10Relationshipof
ofalltypesoftheTongnaitailings
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比最小。
不同固结压力条件下尾矿土样渗透系数数据如表3.9所示：
表3.9阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在不同固结压力下的渗透系数数据
Tab.3.9Permeabilitycoefficientdatasofalltypesoftailingsunderconsolidationpressures
固结压力/kPa
渗透系数/（10-2cm/s）
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
6.29
9.2
0.0891
0.58
0.095
0.0053
0.0065
32.5
6.19
8.18
0.0746
0.5
0.084
0.0042
0.0056
65
6.015
7.68
0.0669
0.42
0.077
0.0039
0.0052
130
5.804
6.98
0.0616
0.37
0.072
0.0037
0.0049
260
5.65
6.56
0.0565
0.34
0.068
0.0035
0.0047
390
5.54
6.31
0.0529
0.32
0.067
0.0032
0.0045
780
5.41
5.78
0.0486
0.3
0.066
0.0031
0.0044
1170
5.33
5.46
0.0465
0.29
0.065
0.0029
0.0043
根据数据表3.9绘制阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿渗透系数与固结压力关系曲线图3.11、3.12：
图3.11阿哈来尾矿库各类型尾矿
关系
Fig.3.11Relationshipof
ofalltypesoftheAhalaitailings
图3.12同乃尾矿库各类型尾矿
关系
Fig.3.12Relationshipof
ofalltypesoftheTongnaitailings
阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿试样渗透系数与孔隙比的相关关系，如表3.10所示：
表3.10阿哈来、同乃各类型尾矿渗透系数与孔隙比的关系数据
Tab.3.10Datasofpermeabilitycoefficientandvoidratioofalltypesoftailings
阿哈来
尾细砂
孔隙比e
0.851
0.846
0.839
0.832
0.821
0.814
0.801
0.784
渗透系数
（10-2cm/s）
6.29
6.19
6.015
5.804
5.65
5.54
5.41
5.33
阿哈来
尾粉砂
孔隙比e
0.849
0.836
0.829
0.818
0.800
0.789
0.778
0.769
渗透系数
（10-2cm/s）
9.2
8.18
7.68
6.98
6.56
6.31
5.78
5.46
阿哈来
尾粉土
孔隙比e
1.529
1.513
1.500
1.489
1.471
1.459
1.438
1.424
渗透系数
（10-2cm/s）
0.0891
0.0746
0.0669
0.0616
0.0565
0.0529
0.0486
0.0465
阿哈来
原尾矿
孔隙比e
0.839
0.875
0.862
0.856
0.840
0.825
0.801
0.797
渗透系数
（10-2cm/s）
0.58
0.5
0.42
0.37
0.34
0.32
0.3
0.29
同乃
尾粉砂
孔隙比e
0.993
0.924
0.847
0.758
0.683
0.659
0.614
0.598
渗透系数
（10-2cm/s）
0.095
0.084
0.077
0.072
0.068
0.067
0.066
0.065
同乃
尾粉土
孔隙比e
1.145
1.032
0.968
0.934
0.897
0.853
0.821
0.782
渗透系数
（10-2cm/s）
0.0053
0.0042
0.0039
0.0037
0.0035
0.0032
0.0031
0.0029
同乃
原尾矿
孔隙比e
1.021
0.946
0.889
0.848
0.763
0.734
0.702
0.679
渗透系数
（10-2cm/s）
0.0065
0.0056
0.0052
0.0049
0.0047
0.0045
0.0044
0.0043
根据表3.10中阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿渗透系数与孔隙比的关系作各尾矿土样的渗透系数与孔隙比的关系曲线，如图3.13~3.19所示：
图3.13阿哈来尾细砂
关系
Fig.3.13Relationshipof
oftheAhalaifinesandtailings
图3.14阿哈来尾粉砂
关系
Fig.3.14Relationshipof
oftheAhalaifinesiltysandtailings
图3.15阿哈来尾粉土
关系
Fig.3.15Relationshipof
oftheAhalaisiltysoiltailings
图3.16阿哈来原尾矿
关系
Fig.3.16Relationshipof
oftheAhalaioriginaltailings
图3.17同乃尾粉砂
关系
Fig.3.17Relationshipof
oftheTongnaisiltysandtailings
图3.18同乃尾粉土
关系
Fig.3.18Relationshipof
oftheTongnaisiltysoiltailings
图3.19同乃原尾矿
关系
Fig.3.19Relationshipof
oftheTongnaioriginaltailings
由图3.13～3.19可知，阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透系数均随着孔隙比的减小而减小，但是减小的程度不同，其中的阿哈来尾粉土、阿哈来原尾矿、同乃尾粉土减小了1倍左右。
在孔隙比减小的初期阶段，各尾矿的渗透系数减小较快，而在孔隙比减小的后期阶段，阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿的渗透系数减小速度放缓。
对于阿哈来尾矿库，尾粉砂的最初渗透系数最大，但随着孔隙比减小其渗透系数的下降速度却最快，最终的渗透系数小于尾细砂的渗透系数；尾粉土的渗透系数小于原尾矿的渗透系数，两者相差近1个数量级；原尾矿的渗透系数小于尾粉砂的渗透系数，也相差近1个数量级。
对于同乃尾矿库，尾粉砂的渗透系数最大，原尾矿的次之，尾粉土的最小，尾粉砂的最终渗透系数是尾粉土的约20倍。
根据《水利水电工程地质勘察规范》[77]可知阿哈来尾粉土和阿哈来原尾矿为中等透水，阿哈来尾细砂和阿哈来尾粉砂为强透水；同乃尾粉砂为中等透水，同乃原尾矿和同乃尾粉土为弱透水。
④渗透系数随孔隙比的变化规律
《公路土工试验规程》[78]中认为很多砂类土的渗透系数
与孔隙比
的关系服从幂函数曲线关系。
王崇淦[17]在其研究成果中验证了该规律。
本文将各类尾矿的渗透系数
与孔隙比
的试验数据拟合为幂函数曲线关系，如
的形式，拟合效果不理想。
欧孝夺[73]在其研究成果中认为所研究的尾矿砂土渗透系数和孔隙比可拟合为对数函数曲线关系。
本文也尝试将铁尾矿的渗透系数
与孔隙比
的关系拟合为对数函数曲线关系，如
的形式，拟合效果也不是很理想。
经多次尝试后，发现渗透系数随孔隙比的变化符合高斯曲线关系，且曲线十分平滑，拟合效果良好，如图3.13~3.19所示。
其拟合关系式如下：
阿哈来尾细砂
曲线拟合方程：
（3.13）
阿哈来尾粉砂
曲线拟合方程：
（3.14）
阿哈来尾粉土
曲线拟合方程：
（3.15）
阿哈来原尾矿
曲线拟合方程：
（3.16）
同乃尾粉砂
曲线拟合方程：
（3.17）
同乃尾粉土
曲线拟合方程：
（3.18）
同乃原尾矿
曲线拟合方程：
（3.19）
另外本文采用罗伦斯曲线拟合后的效果也比较理想。
即阿哈来、同乃尾矿库各类型尾矿在固结压缩过程中渗透系数随孔隙比的变化规律符合高斯曲线、罗伦斯曲线规律，同时说明试验方法的改进增加了数据精度，使固结压力—孔隙比—渗透系数之间的关系更符合实际。
此规律的获得可为尾矿库渗流和稳定性分析提供可靠依据。
试验中得到的两种尾粉土的固结渗透试验结果与一般砂的特性类似，而与一般的黏性土不同，这是因为尾粉土的结构情况与一般的黏性土具有很大差别。
因为形成的时间较短，尾粉土中的黏粒含量相对较少，且尾粉土黏粒的颗粒大小比黏性土黏粒要大得多，因此在黏粒的概念上与一般黏性土的黏粒有区别，黏性土的微细颗粒能形成絮状结构而尾粉土的微细颗粒无法形成这种絮状结构。
（3）混合尾矿、分层尾矿固结—渗透试验
①试验方法
本次试验仍采用自制的固结—渗透联合测定装置测定在不同固结压力下的混合尾矿、分层尾矿的渗透系数，按照前面g，因为固结—渗透试验是由下部进水，所以将各级土样装填顺序调整为：
下面一层为最细层，由下至上越来越粗，在最上层以上和最底层以下各加一层大于上下两层尾矿试样渗透系数的反滤层。
本次试验采用的压力级别分别为：
0kPa、32.5kPa、65kPa、130kPa、260kPa、390kPa、780kPa。
试验步骤按照《土工试验方法标准》[68]的要求进行。
②混合尾矿与分层尾矿的渗透特性
a.阿哈来混合尾矿和分层尾矿的固结—渗透特性比较分析
在持续水流的作用下，两种阿哈来尾矿的孔隙比与固结压力的关系如表3.11所示：
表3.11阿哈来混合尾矿和分层尾矿的孔隙比与固结压力关系数据
Tab.3.11DatasofvoidratioandconsolidationpressureoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
固结压力/kPa
孔隙比e
阿哈来混合尾矿
阿哈来分层尾矿
0
1.34
1.43
32.5
1.30
1.36
65
1.25
1.30
130
1.19
1.25
260
1.12
1.21
390
1.07
1.17
780
1.02
1.14
由试验数据绘制图形，得出各固结压力条件下阿哈来混合尾矿和分层尾矿试样孔隙比的变化规律，如图3.20所示：
图3.20阿哈来混合尾矿和分层尾矿的
关系
Fig.3.20Relationshipof
oftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
试验得出的不同固结压力条件下阿哈来混合尾矿和分层尾矿试样的渗透系数如表3.12所示：
表3.12阿哈来混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系数据
Tab.3.12DatasofpermeabilitycoefficientandconsolidationpressureoftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
固结压力/kPa
渗透系数/（10-5cm/s）
阿哈来混合尾矿
阿哈来分层尾矿
0
6.7
9.2
32.5
5.3
4.3
65
4.2
3.1
130
3.25
1.8
260
2.4
1.1
390
1.9
0.86
780
1.6
0.69
根据数据表3.12绘制阿哈来混合尾矿和分层尾矿渗透系数与固结压力关系曲线，如图3.21所示：
图3.21阿哈来混合尾矿和分层尾矿的
关系
Fig.3.21Relationshipof
oftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
进而得到阿哈来混合尾矿和分层尾矿渗透系数与孔隙比的相关关系，如表3.13所示：
表3.13阿哈来混合尾矿和分层尾矿渗透系数与孔隙比的关系数据
Tab.3.13DatasofpermeabilitycoefficientandvoidratiooftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
阿哈来混合尾矿
孔隙比
1.34
1.30
1.25
1.19
1.12
1.07
1.02
渗透系数
/（10-5cm/s）
6.7
5.3
4.2
3.25
2.4
1.9
1.6
阿哈来分层尾矿
孔隙比
1.43
1.36
1.30
1.25
1.21
1.17
1.14
渗透系数
/（10-5cm/s）
9.2
4.3
3.1
1.8
1.1
0.86
0.69
根据表3.13中的数据，绘制渗透系数与孔隙比的关系曲线如图3.22所示：
图3.22阿哈来混合尾矿和分层尾矿的
的关系
Fig.3.22Relationshipof
oftheAhalaimixedtailingsandlayeredtailings
b.同乃混合尾矿和分层尾矿固结—渗透特性对比。
在持续水流的作用下，同乃混合尾矿和分层尾矿在不同固结压力下的孔隙比数据，如下表所示：
3.14同乃混合尾矿和分层尾矿孔隙比与固结压力的关系数据
Tab.3.14DatasofvoidratioandconsolidationpressureoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings
固结压力/kPa
孔隙比e
同乃混合尾矿
同乃分层尾矿
0
1.45
1.64
32.5
1.38
1.57
65
1.32
1.52
130
1.25
1.47
260
1.19
1.43
390
1.15
1.39
780
1.12
1.34
根据表3.14，绘制孔隙比与固结压力的关系曲线如图3.23所示：
图3.23同乃混合尾矿和分层尾矿的
关系
Fig.3.23Relationshipof
oftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings
不同固结压力条件下同乃混合尾矿和分层尾矿试样渗透系数试验数据如表3.15所示：
表3.15同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系数据
Tab.3.15DatasofpermeabilitycoefficientandconsolidationpressureoftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings
固结压力/kPa
渗透系数/（10-5cm/s）
同乃混合尾矿
同乃分层尾矿
0
9.3
3.1
32.5
7.2
1.57
65
5.8
1.07
130
3.9
0.7
260
2.7
0.47
390
2.3
0.26
780
1.9
0.17
根据表3.15，绘制同乃混合尾矿和分层尾矿的渗透系数与固结压力关系曲线，如图3.24所示：
图3.24同乃混合尾矿和分层尾矿的
关系
Fig.3.24Relationshipof
oftheTongnaimixedtailingsandlayeredtailings
进而得到同乃混合
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