尾矿库滤层自然淤堵设计方法

《Water》：Natural Clogging Design for Tailings Pond Filters

　　

滤层是保障土石坝及尾矿坝渗流稳定性的关键设施，其失效会对坝体安全构成严重威胁。传统滤层设计准则受限于土体类型的多样性，且未能充分考虑孔隙特征（如喉道尺寸）对滤层保土性和水力传导率的影响。现有设计规范推荐的方法仅提供级配包络线边界，无法指定精确的级配曲线。本文提出了一种基于自然淤堵概念的滤层设计方法。该方法以Terzaghi层间系数作为初始参数，通过含沙渗流诱导滤层内形成稳定的被保护土层淤堵层，并将淤堵后的级配作为设计级配。实验结果表明：（1）当滤层的初始层间系数α≤10.4时，被保护土的截留率超过97%（土体损失<3%），突破了Terzaghi准则中α<4的保守限制；（2）滤层ZS-2至ZS-5的最终层间系数α介于1.15至2.48之间，ib/if值在6.26至23.68之间，同时满足Terzaghi对于保土性和水力传导率的要求；（3）该方法明确了滤层的具体级配曲线，其中ZS-5的最终级配曲线大部分落在设计规范推荐的包络线内。所提出的方法将Terzaghi层间系数准则与孔隙特征对滤层性能的影响相结合，为细粒被保护土层的尾矿坝滤层设计提供了新的策略，并在实验室条件下得到了初步验证。

尾矿库滤层自然淤堵设计的实验研究与机制解析

1. 1.
   研究背景与意义
   滤层是确保土石坝及尾矿坝渗流稳定的核心结构组件。若滤层设计不当，轻则导致坝体内浸润线异常升高，重则诱发溃坝事故，造成巨大的经济损失与严重的生态污染。自1922年Terzaghi开创性地提出首个滤层设计准则以来，滤层的双重功能即保土性与减压消散能力已被明确。然而，传统基于均匀无黏性土的Terzaghi准则在面对级配良好的无黏性土时存在局限，其控制粒径往往被高估从而削弱过滤功效。此外，过度依赖特征粒径无法充分预测过滤性能，且未能考虑孔隙特征对保土性的具体影响。对于尾矿坝而言，由于尾矿颗粒迁移带来的环境污染风险，传统的允许少量土体流失的设计理念已不再适用。尽管后续发展的孔隙喉道尺寸分布（CSD）方法从颗粒与孔隙相互作用的角度提供了新视角，但现有方法大多侧重于静态评估或将淤堵视为需避免的失效机制。本研究提出的自然淤堵设计方法（NCM）打破了这一传统逻辑，通过动态模拟真实渗流条件下的淤堵演化过程，将稳态级配作为设计输出，主动诱导可控淤堵，将传统上被视为渗流失效机制的淤堵过程转化为设计资源。
2. 2.
   关键技术方法
   研究人员选取金堆城钼业栗西沟尾矿库的中砂作为被保护土层（基土），并配制浓度为121 g/L的尾矿砂浆以模拟实际输送工况。实验采用西安理工大学岩土工程研究所研制的含沙渗流系统，在恒温20±2°C环境下进行。实验装置主要包括供水箱、稳压水箱及渗流柱。滤层初始设计依据Terzaghi层间系数α=D₁₅/d₈₅进行不同粗颗粒含量的配比。实验过程中，含沙水体在重力作用下自然渗流，通过真空饱和、清水渗流稳定后引入尾矿砂浆。研究人员实时监测水力传导率趋势，记录测压管水头及流量变化，直至出水由浑浊转为清澈且流量变异系数小于5%，表明淤堵达到稳态。实验结束后，研究人员对滤层表面沉积、内部截留及渗出流失的尾矿砂进行分层取样、烘干、筛分及称重，以定量分析颗粒迁移规律与最终级配特征。
3. 3.
   研究结果

3.1 淤堵模式分类

研究人员依据有效孔径D₀与被保护土等效粒径d_et的比值定义了淤堵系数λ。计算结果显示，不同实验组呈现出不同的淤堵机制：ZS-1至ZS-2（λ>4）表现为非淤堵行为；ZS-3至ZS-4（2< />< />

3.2 尾矿砂颗粒迁移规律

随着初始层间系数α的减小，尾矿砂在滤层内部的淤堵深度逐渐变浅，而表面的沉积厚度则相应增加。当α过大（如ZS-1，α=20.8）时，滤层孔隙过于开阔，细颗粒直接穿透流失，滤层失效；当α≤10.4时，绝大部分颗粒被截留。值得注意的是，ZS-2虽在初期有少量细颗粒穿透，但通过内部自淤堵及表面厚层沉积迅速趋于稳定，整体截留率仍超97%。这表明随着α降低，保土机制逐渐从内部填充主导转变为表面拦截主导。

3.3 各区域尾矿砂颗粒级配

统计分析表明，在有效的滤层条件（ZS-2至ZS-5）下，总截留率均超过97%，且截留位置逐渐向表层集中。内部截留的尾矿质量沿渗流深度呈指数衰减，最上层L₁的截留量占总内部截留量的48.9%至86.8%不等。这说明颗粒在迁移过程中的动能随深度递减，较细的滤层级配增加了颗粒与孔壁的碰撞频率，使得更少的内部截留质量即可实现稳定。

3.4 滤层水力传导率分析

在淤堵稳态阶段，滤层的水力传导率大幅下降。滤层L₁的水力传导率降至0.1 cm/min量级，而表面沉积层L₀的水力传导率维持在0.42至3.27 cm/min之间。滤层骨架的渗透性是表面沉积层的约6.2至23.7倍，表明表面沉积层提供了主要的渗流阻力，而滤层骨架在淤堵后仍保持较高的排水能力。同时，稳态下的i₀/i₁比值介于6.3至23.7之间，满足Terzaghi关于排水减压的水力梯度要求。

3.5 滤层最优级配曲线

研究人员将淤堵达到稳态后L₁层的级配定义为最优滤层级配曲线。结果显示，ZS-2至ZS-5的最终级配曲线均符合?《碾压式土石坝设计规范》（NB/T 10872-2021）的包络线范围。其特征粒径D₁₅逐渐增大，D₈₅逐渐减小，最终层间系数α介于1.15至2.48之间，显著低于Terzaghi准则α<4的保守限值，证明了该方法在满足保土性与渗透性双重需求上的科学性与合理性。

1. 4.
   讨论与结论

讨论部分指出，尽管自然淤堵设计方法在实验条件下展现出潜力，但目前仍处于概念验证阶段。首先，研究仅采用了栗西沟尾矿库的中砂作为基土，且α≤10.4的阈值是基于5个离散点得出的，在α=10.4至15.6之间可能存在过渡区，该阈值目前仅适用于类似细粒无黏性土，对于黏性土及宽级配砾石的适用性尚需验证。其次，实验未进行重复性测试，测量误差虽不足以改变定性结论，但未来需通过重复实验建立阈值的统计置信区间。此外，实验室尺度（10cm直径）确定的级配曲线在向全尺寸尾矿坝推广时，现场覆土应力、多维渗流路径及施工非均质性等因素的影响仍需通过大型模型试验或离心机建模进一步探究。最后，长期循环荷载、化学沉淀及生物作用对淤堵层渗透性的退化机制也有待长期监测研究。

结论如下：

本研究充分利用土壤淤堵过程中的自滤效应，提出了一种基于自然淤堵概念的滤层设计方法。该方法以Terzaghi层间系数为初始设计参数，通过实验室含沙水入渗试验在滤层内形成稳定的淤堵层，并将实测的淤堵后级配作为设计级配。该方法综合了层间系数与孔隙特征对保土性和渗透性的共同影响，解决了传统包络线法无法指定精确级配曲线的难题。主要结论包括：初始层间系数α≤10.4可实现被保护土截留率>97%（损失≤3%），满足保土性标准；通过自然淤堵法设计的滤层同时满足保土性与水力传导率要求，最终α值介于1.15至2.48之间，i_b/i_f比值介于6.26至23.68之间；与传统方法不同，该方法明确了具体的滤层级配曲线，ZS-5的最终曲线与设计规范推荐的包络线基本吻合。该方法为土石坝及尾矿库滤层设计提供了理论创新与技术支撑，其核心贡献在于通过模拟渗流-淤堵过程实现了自然级配优化，克服了传统“按特征粒径设计级配”的局限。