基于數(shù)值模擬的赤泥堆場壩體滲漏特性分析

暢秀俊 ，馮天明，李源

(1.華北有色工程勘察院有限公司，石家莊 050021； 2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031)

基于數(shù)值模擬的赤泥堆場壩體滲漏特性分析

暢秀俊1，馮天明2，李源2

(1.華北有色工程勘察院有限公司，石家莊 050021； 2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031)

以某擬建赤泥堆場為研究區(qū)，選取合適的模擬計算參數(shù)及邊界條件，在平面應(yīng)變條件下，建立流體模型，利用FLAC3D軟件模擬壩體在無防滲、部分防滲、全部防滲設(shè)計條件下孔隙水壓力分布、濾液滲流路徑、滲漏量等，為該尾礦庫的防滲設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。模擬結(jié)果表明：該軟件能較好的模擬赤泥堆場尾礦壩滲漏情況，庫區(qū)滲漏特性明顯，因此為防止環(huán)境污染及保證尾礦壩的穩(wěn)定性，應(yīng)采用壩體和庫區(qū)完全防滲措施，并應(yīng)采用合適的防滲材料。此方法可為尾礦庫安全防滲設(shè)計提供參考依據(jù)和指導(dǎo)施工。

赤泥堆場；滲漏；FLAC3D；數(shù)值模擬

1 前言

赤泥堆場是礦山工程中堆存赤泥的場所，赤泥是一種飽和固體廢棄物，含有強堿性液體，對環(huán)境有強烈的污染。在巖溶區(qū)赤泥堆場工程中，如果發(fā)生巖溶滲漏現(xiàn)象將對環(huán)境及壩體穩(wěn)定性問題都具有重要的影響，因此應(yīng)對堆場及尾礦壩體的滲流特性進(jìn)行重點分析，并采取必要的防滲處理措施[1-3]。

在進(jìn)行滲漏分析時，應(yīng)在查明庫區(qū)巖土體及筑壩材料的物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可利用物理試驗及利用工程軟件或數(shù)值分析對尾礦庫的安全穩(wěn)定性和滲透特性進(jìn)行分析，其中數(shù)值分析模擬方法更能形象的對滲漏特性進(jìn)行全面分析[4]，其廣泛適用于水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的滲漏現(xiàn)象。本次分析擬利用FLAC3D軟件模擬尾礦壩滲漏時的孔隙水壓力分布、濾液的流動特性等，為該工程壩體防滲處理提供技術(shù)依據(jù)。

2 赤泥堆場概況

擬建赤泥堆場位于廣西省靖西縣附近，四面環(huán)山，且為狹窄谷地，年平均降水量為2 100.8 mm，地形地貌變化較大，場地內(nèi)巖土體主要為可溶性碳酸鹽及紅粘土，各類巖溶形態(tài)(溶洞、落水洞溶蝕裂隙等)豐富，且周邊斷裂構(gòu)造較多，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象對庫區(qū)的滲漏防治有嚴(yán)重影響。該赤泥堆場擬設(shè)計初期壩為塊石重力壩，并沿初期壩上游利用符合要求的赤泥分級建子壩。

3 模型建立

在進(jìn)行數(shù)值分析的過程中，考慮堆場受力的發(fā)展，先進(jìn)行場地的原始應(yīng)力平衡計算，運行中按照赤泥連續(xù)存入堆場，然后分別求力學(xué)平衡，最后考慮滲流平衡，得到赤泥體穩(wěn)定后堆場中的濾液分布狀態(tài)和滲流特性。滲透體計算符合達(dá)西定律的二維非均質(zhì)各向異性土體滲流,其基本方程如式(1)。結(jié)合變動的滲流自由面邊界條件,式(1)可用來求解有滲流自由面的尾礦壩無壓穩(wěn)定滲流。其定解邊界條件如公式(2)：[4-8]

(1)

i=Δh/∑Hi

(2)

(3)

式中,n是邊界的外法向；i為水力坡度；k為滲透系數(shù)。

該堆場可以看做中間高周圍低的對稱模型，滲流分析中將整體模型切割出一部分進(jìn)行計算，并應(yīng)用到整個堆場滲流分析中。模型約300 m長、8 m寬，地層向下計算深35 m，劃分網(wǎng)格約18 000個、節(jié)點數(shù)28 000。不同防滲狀況下赤泥堆場網(wǎng)格模型劃分相同，各種不同的防滲設(shè)計狀態(tài)通過調(diào)整網(wǎng)格模型相應(yīng)的滲透特性及滲透系數(shù)實現(xiàn)[9-11]。巖體參數(shù)及網(wǎng)格模型如表1及圖1所示。庫區(qū)滲流場分析按照不采取防滲措施、部分采取防滲措施、庫區(qū)全封閉防滲3種情況考慮，計算得到孔隙水壓力分布情況和地下水滲流方向。

表1 赤泥堆場巖土體參數(shù)

圖1 赤泥堆場滲流分析網(wǎng)格模型

4 數(shù)值模擬過程

4.1 沒有防滲措施時赤泥堆場中濾液分布狀態(tài)

當(dāng)?shù)貙硬荒軡M足自然防滲條件時，赤泥濾液將會作為污染液體進(jìn)行滲流。此模擬過程模擬不采取防滲措施情況時赤泥堆場中濾液分布狀況，為了解無防護(hù)狀態(tài)下污染濾液向周圍環(huán)境的排放路徑、方式、方向等規(guī)律，對防護(hù)方式失效時的濾液運動有借鑒意義。模擬得到縱剖面孔隙水壓力分布和流體滲流方向見圖2、圖3。

從圖中可知，赤泥堆場周圍不采取防滲措施時，赤泥濾液孔隙水壓力零勢面為赤泥體頂面與壩外土層頂面，滲流濾液同時通過壩體與赤泥堆場內(nèi)下伏土層向外部環(huán)境滲流，由于壩體與赤泥堆場內(nèi)土層滲透性能不同(滲透系數(shù)不同)，濾液滲流方向以向下通過赤泥堆場內(nèi)土層為主，通過壩身滲流為輔，滲流濾液在壩身中下部流出[12-13]。赤泥污染液與周圍環(huán)境較通暢，赤泥濾液通過下伏地層、堆壩等進(jìn)入地下粘土層、基巖層及周圍環(huán)境，直接影響周圍地表及地下水。

圖2 未防滲時縱剖面孔隙水壓力云圖

圖3 未防滲時濾液滲流矢量圖

4.2采取部分防滲措施時赤泥堆場中濾液分布狀態(tài)

這種情況是模擬赤泥尾礦壩建立后，在堆場底面設(shè)置防滲措施，而壩體不采取防滲措施，不允許赤泥中濾液通過堆場表面進(jìn)入下部土層。經(jīng)分析可以得到縱剖面孔隙水壓力分布和流體滲流方向見圖4、圖5。

圖4 部分防滲縱剖面孔隙水壓力云圖

圖5 部分防滲濾液滲流矢量圖

從數(shù)值模擬結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)采取部分防滲措施時，孔隙水壓力零勢面仍然為赤泥體頂面與壩外土層頂面，在子壩上有孔隙水滲出，子壩表面存在一定的孔隙水壓力。由于赤泥堆場底部采取防滲措施，底面不可透水，赤泥滲流濾液通過壩體進(jìn)入堆場外部粘土層及基巖層，再通過粘土層、基巖層向外部環(huán)境滲流。因此赤泥污染性濾液主要通過壩體排入地表水及地下水系，直接污染人類活動區(qū)域。

4.3采取封閉防滲措施時赤泥堆場中濾液分布狀態(tài)

考察全部采取滲濾防護(hù)措施下赤泥堆場中濾液分布狀況，壩體設(shè)置防滲措施，堆場底設(shè)置防滲層，根據(jù)不同防滲措施條件下綜合滲透系數(shù)不同，對赤泥濾液的防護(hù)效果也不同，分別計算兩種不同的防滲效果情況下的滲流分布特征，從而選擇有利于地層防護(hù)的防滲設(shè)計，達(dá)到環(huán)保、安全的目的。根據(jù)不同的防滲效果，可假定防滲層綜合防滲系數(shù)為1×10-9m/s 、1×10-10m/s、1×10-11m/s三種情況，經(jīng)模擬可以得到縱剖面孔隙水壓力分布和流體滲流方向如圖6～11。

圖6 全防滲(1)縱剖面孔隙水壓力云圖

圖7 全防滲(1)濾液滲流矢量圖

圖8 全防滲(2)縱剖面孔隙水壓力云圖

圖9 全防滲(2)濾液滲流矢量圖

圖10 全防滲(3)縱剖面孔隙水壓力云圖

圖11 全防滲(3)濾液滲流矢量圖

在采取全封閉防滲情況下，赤泥濾液與周圍地下水環(huán)境發(fā)生的交換程度與綜合防滲效果有關(guān)。圖7及圖9當(dāng)防滲層的綜合防滲效果低時濾液在主要通過滲流井的同時，濾液仍有一小部分通過堆場下土層直接進(jìn)入粘土層、基巖，從而對周圍生態(tài)造成污染。圖11當(dāng)防滲層的綜合防滲效果高時，濾液通過土層下滲進(jìn)入周圍環(huán)境的赤泥液體物質(zhì)量減小，堆場外土層中地下水與赤泥體濾液不發(fā)生交換作用，赤泥中濾液僅有極少部分滲流到周圍環(huán)境，對周圍環(huán)境沒有影響，防滲層發(fā)揮了重要作用。

從孔隙水壓力云圖6、圖8和圖10中可以發(fā)現(xiàn)，赤泥庫壩體要承受一定的孔隙水壓力，在各級子壩及子壩與主壩交接處滲流體有向外流動的趨勢。同時，各級子壩內(nèi)也有流體流動，需要在子壩上游采取防護(hù)措施，防止赤泥液體在子壩內(nèi)滲透，增加壩體穩(wěn)定性。

通過對采取全封閉措施的堆場滲流場分析可知，當(dāng)采取全封閉防滲時，孔隙水壓力零勢面為赤泥體頂面與壩外土層頂面，赤泥中濾液以豎向運動為主，濾液通過滲流通道即濾液排放井排出，防滲層能夠達(dá)到安全、環(huán)保、經(jīng)濟的防護(hù)目的[14-17]。

4.4 赤泥堆場滲漏量計算

不同防滲條件赤泥濾液向周圍環(huán)境的排放量，取水平地面處為計算平面，將防滲層整體當(dāng)作一層，根據(jù)擬建壩體高度設(shè)防滲層上部孔隙水壓力取53 m，防滲層下部粘性土層頂面處孔隙水壓力取為0 m，防滲層整體厚度取為1 m。滲透流量Q為：Q=k·i·A[8]，日滲流量W為：W=Q·T，滲流面積A為單位面積，滲流時間T取為24 h。

根據(jù)上面公式可得防滲層滲透系數(shù)不同時，堆場內(nèi)單位面積地基土赤泥滲漏量見表2。

表2 不同綜合防滲條件滲漏量

從計算可知，當(dāng)防滲層滲透系數(shù)為1×10-10m/s及1×10-9m/s時，庫區(qū)底面單位面積內(nèi)滲入赤泥液體為0.458 l/d及4.58 l/d，將超出環(huán)境土體對污染物的稀釋吸收能力，當(dāng)防滲層滲透系數(shù)為1×10-11m/s時，庫區(qū)底單位面積內(nèi)滲入赤泥液體僅為0.045 8 l/d，含有的污染物大為降低，滿足赤泥濾液滲出量允許值，為達(dá)到相應(yīng)要求可采用雙層復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)，防滲結(jié)構(gòu)層應(yīng)覆蓋赤泥堆場全底面及壩體上赤泥堆存高度，各級子壩上也應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆罎B措施，并嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行施工[18-21]。

5 結(jié)論

(1) 該赤泥堆場巖溶形態(tài)發(fā)育，滲漏點多，堆場液體外滲會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重影響。根據(jù)勘察巖土體參數(shù)及邊界條件，在平面應(yīng)變條件下，建立流體模型，利用FLAC3D軟件模擬尾礦壩滲漏特性。

(2) 數(shù)值模擬按尾礦壩在無防滲、部分防滲、全部防滲設(shè)計條件下進(jìn)行，可得孔隙水壓力分布、濾液滲流路徑。結(jié)果顯示赤泥在無防滲、部分防滲條件下赤泥明顯會通過壩體排入地表及地下水系，污染周圍環(huán)境；當(dāng)采用全封閉防滲時，除主要通過滲流井流出外，赤泥濾液對周圍環(huán)境滲漏量很小，對周圍安全環(huán)境基本無影響。

(3) 按全封閉防滲層模擬時，應(yīng)考慮防滲體滲透系數(shù)，當(dāng)滲透系數(shù)較小時，經(jīng)計算濾液滲流量較少時，能滿足庫區(qū)赤泥濾液滲出量允許值，可采用相關(guān)防滲層按照相應(yīng)規(guī)范嚴(yán)格施工。

(4) FLAC3D軟件能較好的模擬尾礦壩滲漏時孔隙水壓力和濾液滲流分布，可為該赤泥堆場的防滲設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，指導(dǎo)礦山尾礦庫防滲工程的施工。

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ASTUDYONTHESEEPAGECHARACTERISTICSOFTAILINGDAMSBASEDONNUMERICALSIMULATION

CHANG Xiu-jun1, FENG Tian-ming2, LI Yuan2

(1.North China Engineering Investigution Institute Co.,Ltd,Shijiazhuang,Hebei 050021,China；2.Hebei University of Geosciences,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)

In this paper, the red mud disposal field is taken as the study area. Appropriate calculating parameters and boundary conditions were selected based on the survey data to build a fluid model under the plane-strain condition. FLAC3Dsoftware was adopted to simulate the distribution of pore water pressure, filtrate seepage paths, and leakage of the dam body under conditions with no anti-seepage design, with partial anti-seepage design and with full anti-seepage design respectively, which provided a technical base for the anti-seepage design of this tailing reservoir. The results showed that the reservoir area displayed obvious leakage characteristics, so full anti-seepage measures and appropriate seepage-proofing materials should be employed to deal with the dam body and the reservoir area to prevent environmental pollution and guarantee the stability of the tailing dams. The method not also can provide the technical reference for the evaluation of anti-seepage works , but also gives important guidance for the anti-seepage works.

tailing dams；leakage；FLAC3D；numerical Simulation

1006-4362(2017)03-0062-05

2017-04-12改回日期2017-07-14

河北省教育廳科技發(fā)展計劃項目(ZC2016131)

P642.5

A

暢秀俊(1980- )，女，本科，環(huán)境工程專業(yè)，主要從事工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)方面的研究工作。E-mail:chang517@163.com