尾礦庫滲漏量計算分析

任占兵

(河北省武安市國土資源局，河北 邯鄲 056300)

?

尾礦庫滲漏量計算分析

任占兵

(河北省武安市國土資源局，河北 邯鄲 056300)

[摘要]山谷型尾礦庫在進行勘察時，必須要對尾礦庫的越谷滲流、繞壩滲流的滲漏量進行計算評價。根據(jù)滲漏量的計算原理、計算公式，探討公式的適用范圍。結(jié)合實際的工程，利用公式解析法和二維數(shù)值模擬法，對相同區(qū)域的滲漏量進行計算，對比了兩種方法計算出來滲漏量的異同，分析產(chǎn)生差異的原因。

[關(guān)鍵詞]滲漏量；滲透系數(shù)；滲透距離；水頭高度

近年來，隨著我國礦產(chǎn)資源的緊缺及國家對礦山建設(shè)投入力度的增大，許多大型礦山的尾礦庫規(guī)模和壽命均已滿足不了礦山生產(chǎn)的需要，新的尾礦庫勘察、設(shè)計、建設(shè)勢在必行。隨著國家對自然生態(tài)環(huán)境保護要求的提高，尾礦庫建設(shè)造成的自然生態(tài)環(huán)境的破壞也越來越被人們重視，其中尾礦庫建設(shè)造成最大的污染為地下水的污染。

在尾礦庫勘察階段，必須查明尾礦庫區(qū)域的地層滲漏情況，在此基礎(chǔ)上，通過合理的方法對尾礦庫地下水的滲透路徑和滲漏量進行計算評價，根據(jù)評價的結(jié)果提出合理的防治措施，盡量的避免因為尾礦庫的滲漏所造成的地下水污染。

1計算理論和公式

河渠間潛水的運動是非穩(wěn)定的，為了簡化計算，得出一個相對接近的單寬滲漏量，有時把潛水的運動當(dāng)作穩(wěn)定運動來研究。

圖1　潛水運動

根據(jù)Darcy定律可得河渠間任意斷面潛水流的單寬流量為[1]：

(1)

式中：qx為單寬滲漏量；K為巖體滲透系數(shù)；W為單位面積上的入滲補給量；h1為相對隔水層以上的河水水頭，h2為相對隔水層以上的溝渠水頭；x為滲漏距離；l為河渠之間的水平距離。

當(dāng)沒有入滲時，潛水流的單寬流量為[1]：

(2)

這就是裘布依公式，此時，浸潤線的降落曲線為二次拋物線。通過河渠間所有斷面的單寬流量也相等。

計算出單寬滲漏量以后，通過寬度為B的單薄分水嶺，河渠滲漏流量可按下式計算。

Q=q×B

(3)

2SEEP/W軟件介紹及計算理論

SEEP/W軟件是一款用于分析多孔滲水材料，如土體和巖石中的地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題的有限元軟件。在SEEP/W軟件中，通過滲流有限元計算，可以分析邊坡在不均勻飽和條件、非飽和條件下的孔隙水壓力，也可以對邊坡穩(wěn)定時的瞬態(tài)孔隙水壓力進行分析。通過瞬態(tài)分析，可以得出不同時刻不同點的孔隙水壓力分布狀況。通過對孔隙水壓力隨時間變化的結(jié)果分析，可以研究邊坡、路堤穩(wěn)定性與時間的關(guān)系。除了可以對傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)飽和滲流分析之外，SEEP/W軟件中的飽和/非飽和計算模型使得該軟件可以對隨時間變化的滲流問題和短期滲流過程進行模擬分析。

2.1SEEP/W軟件基本理論

求解飽和-非飽和滲流問題，需要建立控制方程，將Darcy定律應(yīng)用到非飽和滲流中，可以得到如下的滲流方程[3]：

(4)

式中：H為總水頭；Q為邊界流量；t為時間；kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；θ為體積水容量。

在穩(wěn)定流條件下，任何時刻單元水流入和流出的體積是相等的，方程的右邊因此等于零。體積隨容量的變化依賴于應(yīng)力的變化和土的性質(zhì)。

SEEP公式對應(yīng)的總應(yīng)力是常量，也就是說土體沒有加載也沒有卸載，第二個假定是孔隙空氣壓力在非穩(wěn)定流中是常量。這意味著(σ-ua)也是常量，對體積水容量變化沒有影響。因此，體積水容量變化只依賴(ua-uw)應(yīng)力的變化，當(dāng)ua時常量，體積水容量僅是孔隙水壓力變化的函數(shù)。

2.2SEEP/W分析滲流問題的主要步驟

(1)定義問題。具體內(nèi)容有：定義工程，設(shè)置工作區(qū)域大小，設(shè)置比例，設(shè)置格柵間距，畫問題圖形，制定分析類型類型，指定分析控制，定義一個導(dǎo)水率函數(shù)，定義材料特性，畫有限元網(wǎng)格，指定結(jié)點邊界條件，畫出滲流區(qū)域，畫坐標(biāo)系，檢驗編譯，保存并完成定義[4]。

(2)求解問題。

(3)查看結(jié)果?？刹榭吹膬?nèi)容有：結(jié)點結(jié)果，單元結(jié)果，流速，流量，等勢線，流線(包括浸潤線)，圖形輸出等。

3工程實踐

本文選取某山谷型尾礦庫作為工程實例進行分析研究。該尾礦庫區(qū)域右岸坡脊主要為(T3a)砂、頁巖，由于其質(zhì)軟，構(gòu)造破碎，風(fēng)化帶較厚，多呈碎裂狀、碎屑狀、碎塊狀，由泥質(zhì)充填，其透水性、含水性弱，對庫區(qū)運營后影響較小。而左岸山脊及右岸北側(cè)山溝地帶主要以波里拉組(T3b)灰?guī)r為主，受風(fēng)化、構(gòu)造作用的影響，地表構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙非常發(fā)育，巖體內(nèi)的溶蝕裂隙也很發(fā)育，具有地下水運移和賦存的通道。因灰?guī)r具有極大的不均一性特點，加之受高原隆起影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，勘察孔控制范圍所限，不排除溝谷內(nèi)尚存在管道式地下水滲流。因此，當(dāng)庫區(qū)內(nèi)尾礦砂堆積運營時，少量庫區(qū)尾礦水可能沿著灰?guī)r巖溶或裂隙向溝谷兩側(cè)外滲(主要向左側(cè)灰?guī)r區(qū)外滲)。下滲地下水一部分在庫區(qū)沿玉龍溝向下游滲流，一部分通過地下通道沿鄰谷滲流。本文選取了四條剖面計算單薄分水嶺的單寬滲漏量。

圖2　滲漏計算剖面位置分布圖

3.1解析法求解單寬滲漏量

解析法的優(yōu)點是計算簡單，概念清晰；缺點是假設(shè)條件多。該地區(qū)表層為粉質(zhì)粘土，碎石土和強風(fēng)化灰?guī)r層，覆蓋層較薄，下層為中等風(fēng)化灰?guī)r層，當(dāng)水位上升至4 400 m時，庫區(qū)內(nèi)滲流地層為主要為中等風(fēng)化的灰?guī)r層，計算可以簡化為單一地層中的滲漏。本次分別選取四個剖面進行解析計算，各剖面計算參數(shù)如下：

表1　各剖面計算參數(shù)

利用公式3，將上表參數(shù)帶入就可以得到4個剖面的單寬滲漏量，即庫區(qū)各個不同方向的滲漏量，具體計算結(jié)果見表2。

表2　各個剖面單寬滲漏量計算結(jié)果

根據(jù)上表的計算結(jié)果可以看出，各斷面上單寬滲漏量均較大，臨谷滲漏量在每天0.13 m3左右，而沿著玉龍溝的繞壩滲流達到單寬每天5.62 m3，滲漏比較嚴(yán)重，必須采取可靠的防滲加固措施，減少尾礦庫廢水、廢渣對周邊及河流下游的污染影響。

3.2數(shù)值模擬法求解單寬滲漏量

通過初步的解析法分析之后，得出了較為粗略的滲漏量估算值，預(yù)計尾礦庫運行之后，當(dāng)尾礦庫內(nèi)的水頭抬升到4 400 m，臨谷滲流和繞壩滲流都較大，所以必須對滲漏量和滲流途徑進行詳細的分析計算，本文采用SEEP/W二維滲流模擬軟件進行計算，模擬出當(dāng)尾礦庫水頭抬升到4 400 m時，各斷面地下水的滲流路徑和單寬滲漏量。

3.3計算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知：尾礦庫區(qū)域地層由上到下分別為粉質(zhì)粘土、碎石土、強風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化灰?guī)r。粉質(zhì)粘土、碎石土、強風(fēng)化灰?guī)r覆蓋較薄，主要地層為中風(fēng)化灰?guī)r層，各地層計算參數(shù)如下表所示[2]：

表3　各地層計算參數(shù)

參照工程地質(zhì)剖面上的各鉆孔，詳細的劃分出各地層的界限，繪制工程地質(zhì)剖面圖，根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，建立滲流計算模型(見圖3)。

圖3　8-8剖面臨谷滲漏模型

3.4滲流路徑模擬

天然狀態(tài)下，尾礦庫區(qū)內(nèi)的地下水已經(jīng)形成了天然流場，從山谷的上游高水位區(qū)域流向下游低水位區(qū)域。當(dāng)隨著尾礦庫的建成投產(chǎn)，水位上升，天然流場平衡被破壞，尾礦庫內(nèi)的水位最終上升到4 400 m，此時，尾礦庫區(qū)域內(nèi)的地下水滲流路徑如下圖所示。

圖4　27-27剖面繞壩滲漏模型

圖5　8-8剖面地下水越谷滲流路徑

圖6　27-27剖面地下水繞壩滲流路徑

由圖4～圖6可以看出，越谷滲流和繞壩滲流的地下水都是從高水位區(qū)域流向低水位區(qū)域，沿著中風(fēng)化灰?guī)r發(fā)育的溶洞和巖溶裂隙滲漏，滲流路徑為拋物線形態(tài)。在越谷滲流時，由于玉龍溝溝底的標(biāo)高低于臨谷的標(biāo)高，在初始堆積尾礦的時候，臨谷不會出現(xiàn)滲漏的尾礦廢水，尾礦廢水沿著巖溶裂隙滲流到比玉龍溝溝底標(biāo)高更低的區(qū)域，對地下水形成污染；當(dāng)尾礦堆積標(biāo)高和水位標(biāo)高高于臨谷谷底時，臨谷可能會出現(xiàn)滲漏的尾礦廢水，這取決于中風(fēng)化灰?guī)r的滲漏性和巖溶裂隙的發(fā)育情況，滲漏的尾礦廢水會對臨谷的生態(tài)環(huán)境和地下水造成破壞和污染。繞壩滲流是必然存在的現(xiàn)象，設(shè)計施工的尾礦壩壩基為透水的碎石層，尾礦庫的下游肯定會形成廢水污染，必須在尾礦壩的下游一定距離上建造一座集水防滲壩，收集從尾礦庫內(nèi)流出的廢水，切斷尾礦廢水對下游地下水的污染，保護地下水資源。

從地下水滲流路徑的模擬形態(tài)來看，滲流路徑是拋物線形態(tài)，這和解析法裘布依公式計算中地表無入滲條件下，地下水滲流路徑為拋物線的理論是相一致的，印證了選用裘布依公式計算尾礦庫的滲漏量的準(zhǔn)確性和計算假設(shè)條件的科學(xué)性。

3.5單寬滲漏量模擬計算

選取各剖面高度最高的斷面，計算該斷面上通過的滲漏量，該滲漏量即為該剖面上單寬滲漏量。通過計算，四條剖面上的單寬滲漏量如表4。

表4可以看出，模擬計算得出的單寬滲流量和解析法得出的滲流量基本相同，驗證了選用裘布依公式計算的正確性。裘布依公式得出的單寬滲漏量較大，這是由于裘布依公式計算只考慮影響最大的單一的中風(fēng)化灰?guī)r層，假設(shè)地下水流在均質(zhì)層中，而模擬計算時，考慮了所有地層的滲透系數(shù)和滲透性能，得出的地下水滲漏量是所有地層中的滲漏量，由于表層的粉質(zhì)粘土層和下層的微風(fēng)化灰?guī)r層滲透系數(shù)均比中風(fēng)化灰?guī)r層的滲透系數(shù)小得多，所以模擬計算得出的單寬滲漏量比裘布依公式算出的單一中風(fēng)化灰?guī)r層的滲漏量小。

表4　單寬滲漏量模擬計算值

3.6滲漏防治建議

為防止尾礦庫因滲漏造成環(huán)境的污染，建議在溝谷河床用透水性差的粘土換填碾壓處理，在上部形成人造隔水層。對庫岸邊坡上溶洞采取回填、漿砌石封閉處理。

尾礦庫庫區(qū)在運營過程中做好庫區(qū)排水措施，增加庫區(qū)水向玉龍溝下游的排泄量，從而減少鄰谷滲漏量。并在下游地段或泉眼處做好地下水位監(jiān)測及水質(zhì)監(jiān)測工作。以防庫區(qū)含金屬離子水下滲到下游造成地下水的污染。

對于繞壩滲流，建議在尾礦壩下游1km處建造一座防滲截流壩，阻止尾礦廢水從地下、地表向河谷的下游滲漏，減少河谷下游的地下水污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。

4結(jié)語

通過對尾礦庫建成后造成區(qū)域水位抬升形成的地下水滲流問題進行了分析研究，著重分析研究了地下水的滲流路徑和滲漏量。采用了解析法和軟件模擬計算兩種方法，得出了以下兩點結(jié)論：

(1)解析法和模擬法得出的滲流路徑形態(tài)和滲漏量基本一致，存在一些差異，這是由各自計算的假設(shè)條件和計算范圍造成的。在進行數(shù)值模擬之前，必須對區(qū)域內(nèi)的地下水滲流進行分析研究，確立初步的滲流模型，采用解析法粗略的進行假設(shè)計算，得出的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進行比較分析，互相驗證分析。

(2)不管解析法還是數(shù)值模擬計算法，都是建立在假設(shè)條件之上的，得出的結(jié)果只能作為一個參考值，最終的滲漏量確定還是要依靠該區(qū)域的工程經(jīng)驗和類似工程監(jiān)測資料綜合考慮，根據(jù)環(huán)境影響程度和防滲等級采用相應(yīng)的工程措施。

參考文獻

[1]薛禹群.地下水動力學(xué)(第二版)[M].北京：地質(zhì)出版社.1997，47-53.

[2]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.2006，158-162.

[3]周奇.SEEP/W在基于非飽和土理論的公路排水設(shè)計計算中的應(yīng)用[J].中外公路.2009，29(6)：42-46.

[4]中仿公司.GeoStudio 2007 系列教程之21.

[中圖分類號]P641.2

[文獻標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0041-03

[作者簡介]任占兵(1975-)，男，河北邯鄲人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治和礦山地質(zhì)環(huán)境治理等工作。

[收稿日期]2015-11-16