超細(xì)粒尾礦—爐渣混合體漫壩水力侵蝕特性研究

曾學(xué)敏 華紹廣 李小雙 王光進(jìn) 覃 佳 敬小非

(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;4.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650031;5.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院,重慶 401331)

尾礦庫洪水漫頂事故頻發(fā),由漫頂造成的災(zāi)害不勝枚舉。水力侵蝕是土壤侵蝕的主要類型,分析壩體表層水流水力學(xué)特性,是研究壩體水力侵蝕機(jī)理的基礎(chǔ)[1]。近年來,不少學(xué)者在超細(xì)粒尾礦壩加固方面做了深入研究,取得了一定的進(jìn)展[2-4]。為提高細(xì)粒尾礦壩的穩(wěn)定性,尹光志等[5]開展了細(xì)粒尾礦加筋加固模型試驗研究,對比分析得出了加筋加固后,壩體抵抗變形的能力顯著增強(qiáng),穩(wěn)定性也顯著增加。敬小非等[6]向透鏡狀尾礦砂加入網(wǎng)狀纖維,通過改變纖維層和加固位置,改善尾礦壩體穩(wěn)定性。崔棚等[7]、田帥等[8]、耿碧瑤等[9]通過對細(xì)粒尾礦加入固化劑實現(xiàn)了加固尾礦結(jié)構(gòu)性質(zhì)目的,但此類方法工藝復(fù)雜,膠結(jié)材料的大量使用,成本較高。而焚燒爐渣作為生活垃圾發(fā)電廠焚燒過程中產(chǎn)生的固廢品,有著廣泛的回收利用潛力[10]。HUBER等[11]從城市生活垃圾焚燒密度分離的適用性方面研究了其回收利用價值,驗證了爐渣材料中銅、鐵、鋅含量較高,可作為金屬材料生產(chǎn)的原料。袁滿昌等[12]對城市生活垃圾發(fā)電廠焚燒爐渣處理及建材市場現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,在深入研究爐渣成分的基礎(chǔ)上,分析了爐渣資源化利用方向,并根據(jù)我國垃圾焚燒爐渣的基本情況,設(shè)計了“干濕結(jié)合”綜合治理技術(shù)方案。

近年來,利用室內(nèi)試驗裝置模擬沖刷侵蝕試驗來研究土體的侵蝕特性已成為重點[13-15]。高曉靜等[16]采用沖刷函數(shù)測定儀對3種重塑粗粒土—粉質(zhì)黏土混合物進(jìn)行了沖刷特性試驗研究。BRIAUD等[17]通過自行研制的侵蝕試驗裝置,進(jìn)行了土壤和巖石為主的4種侵蝕試驗,發(fā)現(xiàn)侵蝕影響因素包括土壤或巖石的抗侵蝕能力、水的流速,以及顆粒幾何形狀和大小。PAINTAL[18]通過研究認(rèn)為,顆粒之間的相互影響是材料抗沖刷侵蝕的重要因素。

綜上分析可知,現(xiàn)有研究主要分別針對尾礦和爐渣特性進(jìn)行分析,在采用爐渣改性超細(xì)粒尾礦方面研究有待深入。由于超細(xì)粒尾礦和黏土、砂土都存在化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)方面的不同,且爐渣本質(zhì)上與普通砂土相比具有一定的黏聚力,并且物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)差異較大。為了促進(jìn)爐渣在超細(xì)粒尾礦堆壩中進(jìn)行工程應(yīng)用,提高超細(xì)粒尾礦壩漫頂過程中的抗侵蝕破壞能力,有必要對不同爐渣含量的混合體抗侵蝕力學(xué)特性進(jìn)行深入分析。本研究采用自行研制的尾礦水力侵蝕試驗裝置進(jìn)行超細(xì)粒尾礦—爐渣混合體侵蝕試驗,分析了不同生活垃圾焚燒爐渣含量對超細(xì)粒尾礦抗侵蝕能力的影響,得出了不同爐渣含量混合體的含渣量、黏聚力、內(nèi)摩擦角對其抗侵蝕能力的影響規(guī)律。

1 試驗裝置及試驗過程

1.1 試驗裝置

水力侵蝕試驗裝置主要設(shè)有蓄水槽、侵蝕試驗系統(tǒng)、流量控制及監(jiān)測系統(tǒng)、侵蝕過程監(jiān)測系統(tǒng)。試驗管道采用透明亞克力矩形水平管,尺寸為180 cm×8 cm×5 cm(長×寬×高)。此外,在水平管底部中間留有直徑為?5 cm的圓孔,作為混合體試樣管的接口。通過水泵(功率為1.5 kW,流量為40 m3/h,揚(yáng)程為9 m,出水口管徑?80 mm)控制流量,電磁流量計監(jiān)測流量。試驗裝置如圖1所示。

圖1 水力侵蝕試驗裝置Fig.1 Test device of hydraulic erosion

1.2 試驗步驟及方案

試樣制備:分別稱取200 g含渣量為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%的超細(xì)粒尾礦—爐渣混合顆粒,按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)配置20%的含水率,再進(jìn)行密封放置12 h后,采取少量多次的方式進(jìn)行混合體試樣填充和制備,填充過程記錄試樣質(zhì)量與高度,便于計算試樣密度。最終制備的試樣如圖2所示。

圖2 混合體試樣Fig.2 Mixed samples

試樣物理力學(xué)特性按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)測試,具體參數(shù)取值見表1。

表1 試樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the mixed samples

試驗步驟為:①將蓄水池蓄滿水,并關(guān)閉水平管道兩端閥門;②將試樣安裝在水平管下方,并通過千斤頂調(diào)節(jié)試樣高度,確保試樣高出水平管底面2 mm;③通過注水孔向水平管內(nèi)注滿水,再緩慢打開水平管兩端的閥門;④啟動水泵、電磁流量計和攝像機(jī),打開秒表記錄沖刷時間,開啟流速控制閥門,開始試驗;⑤試驗完畢后,停止記錄,關(guān)閉閥門,更換試樣進(jìn)行下一次試驗。為了更好地分析不同含渣量混合體在不同水流流速條件下的侵蝕規(guī)律,本研究共進(jìn)行了16組侵蝕試驗,其中8組為混合體在低流速(0.095～0.146 m/s)條件下的侵蝕試驗,另外8組為混合體在高流速(0.264 m/s)條件下的侵蝕試驗。

2 混合體低流速侵蝕試驗與分析

8組低流速侵蝕試驗水流流速如表2所示,侵蝕試驗過程如圖3所示。

表2 混合體侵蝕試驗低流速Table 2 Low flow rates of mixture erosion test

圖3 混合體低流速侵蝕過程Fig.3 Low flow rate erosion process of mixtures

細(xì)—粗顆?；旌象w的侵蝕主要受混合體顆粒的不均勻性、顆粒分布隨機(jī)性、顆粒受力情況、粗細(xì)顆粒間顆粒隱蔽和暴露狀況等因素影響[19]。由于爐渣顆粒對超細(xì)粒尾礦顆粒有一個與水流方向相反的阻力,其在一定程度上阻止顆粒起動,進(jìn)而影響尾礦侵蝕?；旌象w顆粒間的隱蔽和暴露作用是由于床面上顆粒的相互排列位置變化產(chǎn)生的,一般主要通過附加作用力、隱暴系數(shù)或顆粒暴露度進(jìn)行反映[20-22]。顆粒排列的隨機(jī)性以及粗顆粒含量的變化,可能導(dǎo)致混合體侵蝕階段發(fā)生變化,粗顆粒直接暴露,隨之發(fā)生運(yùn)動。粗顆粒侵蝕起動一般分為3個階段,即粗顆粒隱蔽階段、粗顆粒暴露階段以及粗顆粒運(yùn)動階段。詳細(xì)起動過程如圖4所示。

圖4 侵蝕階段示意Fig.4 Schematic of erosion stage

由圖3(a)可以看出含渣量為0%時,在(v=0.095 m/s)侵蝕過程中,試樣表面超細(xì)粒尾礦顆粒隨著水流侵蝕,逐步堆積于試樣尾部,隨著侵蝕時間的延續(xù),水流主要通過持續(xù)侵蝕試樣表面的細(xì)顆粒完成侵蝕;當(dāng)超細(xì)粒尾礦爐渣混合體含渣量處于10%～30%范圍時(圖3(b)和圖3(d)所示),在水力侵蝕試驗過程中,超細(xì)粒尾礦顆粒先于爐渣顆粒起動。隨著侵蝕過程的發(fā)展,爐渣顆粒逐漸起動被水流帶走,直至侵蝕結(jié)束。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要由于侵蝕初期粗顆粒爐渣被超細(xì)粒尾礦顆粒包裹,粗顆粒處于隱蔽階段(圖4(a)),尾礦顆粒較爐渣顆粒粒徑較小,體積較小,同時顆粒質(zhì)量相對較小,于是在低爐渣含量混合體的侵蝕初期,超細(xì)粒尾礦先于爐渣顆粒起動。隨著侵蝕的不斷發(fā)展,部分細(xì)小尾礦顆粒已被水流侵蝕帶走,導(dǎo)致爐渣粗顆粒表面開始暴露于水流接觸面,粗顆粒處于暴露階段(圖4(b)),又因為粗顆粒粒徑相對較大、顆粒形狀結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性[23],粗顆粒后端細(xì)顆粒由于水流紊流作用被侵蝕,粗顆粒仍留在水流接觸表面,形成粗化層[24-25]。粗化層在一定的水流作用下不會發(fā)生侵蝕作用,此時粗顆粒對部分細(xì)顆粒起到了一定的隱蔽作用[26],使之不被侵蝕。侵蝕試驗后期,隨著水流流速的增大,水流速度達(dá)到爐渣粗顆粒的啟動速度,侵蝕處于粗顆粒運(yùn)動階段(圖4(c)),粗顆粒暴露表面受到水流水力作用也增大,粗顆粒開始運(yùn)動,粗顆粒的運(yùn)動帶動周圍細(xì)顆粒的運(yùn)動,此時混合體整體達(dá)到侵蝕運(yùn)動的臨界值[27]。大部分爐渣顆粒被侵蝕,帶動周圍超細(xì)粒尾礦顆粒被侵蝕直至侵蝕試驗結(jié)束。由圖3(e)至圖3(h)可知:當(dāng)混合體含渣量超過40%時,超細(xì)粒尾礦顆粒伴隨水流的作用發(fā)生侵蝕現(xiàn)象,爐渣粗顆粒開始裸露于試樣表面,粗顆粒暴露階段明顯,部分尾礦顆粒伴隨中粗爐渣顆粒堆積于試樣尾部。當(dāng)含渣量達(dá)到70%時,爐渣顆粒個體分布現(xiàn)象尤為顯著,表明低流速條件下未達(dá)到較大爐渣顆粒的起動速度。

3 混合體高流速侵蝕試驗與分析

為了進(jìn)一步探析混合體大顆粒起動、侵蝕規(guī)律,結(jié)合前期試驗結(jié)果將控制流速增大到0.264 m/s。不同含渣量混合體的侵蝕試驗過程如圖5所示。

圖5 混合體高流速侵蝕規(guī)律(v=0.264 m/s)Fig.5 Erosion law of mixture at high velocity (v=0.264 m/s)

由圖5可知:在高水流流速條件下,當(dāng)爐渣顆粒 含量較低時,超細(xì)粒尾礦顆粒含量較高,侵蝕試驗過程中試樣表面尾礦顆粒隨水流侵蝕現(xiàn)象明顯;隨著爐渣顆粒含量增加,試樣表面爐渣顆粒的運(yùn)動帶動了周圍尾礦顆粒的運(yùn)動現(xiàn)象逐漸明顯。侵蝕試驗記錄了水流流量、侵蝕時間、侵蝕高度,試驗結(jié)束了稱量試樣最終質(zhì)量,從而可計算得到試樣密度、水流流速、侵蝕速率等數(shù)據(jù),最后統(tǒng)計侵蝕速率,具體侵蝕試驗結(jié)果見表3。

表3 超細(xì)粒尾礦—爐渣混合體侵蝕試驗結(jié)果Table 3 Erosion test results of ultrafine tailings-slag mixtures

混合體含渣量與侵蝕速率的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知:當(dāng)水流速度達(dá)到0.264 m/s時,不同爐渣含量混合體在水力作用下,其侵蝕速率呈非線性變化規(guī)律。隨著混合體中爐渣含量逐漸增加,侵蝕速率呈先減小后增大的變化模式,其中40%含渣量時混合體的侵蝕速率最小,即此刻混合體的抗侵蝕能力最強(qiáng)。形成這一規(guī)律的主要原因在于超細(xì)粒尾礦含量較多(0～20%)時,混合體主要由超細(xì)粒尾礦顆粒組成,爐渣顆粒被尾礦顆粒包裹產(chǎn)生試樣表面侵蝕現(xiàn)象,試樣表面大部分為尾礦顆粒,尾礦顆粒起動速度較低,故侵蝕速率較大,抗侵蝕能力較弱。當(dāng)混合體中爐渣含量增大(30%～50%)時,尾礦顆粒和爐渣顆粒結(jié)構(gòu)相互包裹,彼此作用,水流流速高于超細(xì)粒尾礦顆粒和爐渣顆粒的起動速度,試樣侵蝕現(xiàn)象主要表現(xiàn)為混合體共同被侵蝕,混合體的體積和質(zhì)量大于顆粒個體,故侵蝕速率較小,抗侵蝕能力較強(qiáng);隨著含渣量變多(60%～70%),混合體試樣主要由爐渣顆粒組成,超細(xì)粒尾礦顆粒無法與爐渣顆粒充分作用,混合體試樣存在多數(shù)未填補(bǔ)的空隙,水流可以輕易將尾礦顆粒侵蝕,并且在侵蝕過程中,爐渣顆粒被侵蝕的同時會造成試樣空隙加大,帶動周圍尾礦顆粒和爐渣顆粒一起運(yùn)動,故侵蝕速率變大,抗侵蝕能力變?nèi)酢?/p>

圖6 混合體含渣量與侵蝕速率的關(guān)系(υ=0.264 m/s)Fig.6 Relationship betweeen slag content and erosion rate of the mixture (υ=0.264m/s)

將超細(xì)粒尾礦—爐渣混合體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)與試驗所得侵蝕速率進(jìn)行對比分析,繪制了侵蝕速率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線,如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知:隨著含渣量的增多(0～50%),混合體的黏聚力、內(nèi)摩擦角呈上升趨勢,其侵蝕速率逐漸減小,抗侵蝕能力增強(qiáng);當(dāng)混合體含渣量處于60%時,其黏聚力降低,內(nèi)摩擦角仍在增大,可分析得出混合體黏聚力的降低對其抗侵蝕能力具有較大影響,內(nèi)摩擦角變化的影響相對較小。

圖7 侵蝕速率與黏聚力的關(guān)系Fig.7 Relationship between erosion rate and cohesion

圖8 侵蝕速率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.8 Relationship between erosion rate and internal friction angle

4 結(jié) 論

通過對超細(xì)粒尾礦—爐渣混合堆積體進(jìn)行水力侵蝕試驗,得到了低流速(v=0.095～0.146 m/s)和高流速(v=0.264 m/s)兩種水流流速條件下混合體的侵蝕破壞規(guī)律。具體結(jié)論如下:

(1)含渣量為0%時,試樣在(v=0.095 m/s)侵蝕過程中,試樣表面超細(xì)粒尾礦顆粒隨著水流侵蝕,逐步堆積于試樣尾部,隨著侵蝕時間的延續(xù),水流主要通過持續(xù)侵蝕試樣表面的細(xì)顆粒完成侵蝕;當(dāng)超細(xì)粒尾礦—爐渣混合體含渣量處于10%～30%范圍時,在水力侵蝕試驗過程中,超細(xì)粒尾礦顆粒先于爐渣顆粒起動。隨著侵蝕過程的發(fā)展,爐渣顆粒逐漸起動被水流帶走,直至侵蝕結(jié)束。

(2)當(dāng)水流速度達(dá)到0.264 m/s時,不同爐渣含量混合體在水力作用下,其侵蝕速率呈非線性變化規(guī)律。隨著混合體中爐渣含量的逐漸增加,侵蝕速率呈先減小后增大的變化模式,其中40%含渣量時混合體的侵蝕速率最小,即此刻混合體的抗侵蝕能力最強(qiáng)。

(3)混合體黏聚力降低對其抗侵蝕能力具有較大的影響,內(nèi)摩擦角變化對其抗侵蝕能力的影響相對較小。