酸性環(huán)境下尾礦壩長期運(yùn)行穩(wěn)定性評估

李　芬，郭　銳，黃蔚源

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

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酸性環(huán)境下尾礦壩長期運(yùn)行穩(wěn)定性評估

李芬，郭銳，黃蔚源

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

摘要：尾礦壩屬于百年工程，在使用過程中需要考慮到長期在酸性環(huán)境下壩體的損壞，以及若干年后壩體的穩(wěn)定性是否能夠滿足工程要求。為避免尾礦壩的建設(shè)和使用中因在酸性條件下所產(chǎn)生的長期效應(yīng)帶來的壩體失穩(wěn)事故的發(fā)生，從酸性污染物的遷移、酸性環(huán)境下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化和壩體穩(wěn)定性分析三個方面分析了某尾礦壩在酸性環(huán)境下穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并對酸性環(huán)境下該尾礦壩長期穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：酸性環(huán)境對巖土體強(qiáng)度有較大影響，100年后壩體長期穩(wěn)定性系數(shù)將降低近30%。因此，在此類尾礦壩的長期穩(wěn)定性研究中應(yīng)充分考慮酸性環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；穩(wěn)定性評估；酸性環(huán)境；長期運(yùn)行；化學(xué)動力損傷模型

采礦工業(yè)是人類開展最早的工程活動，在礦物的開采過程中會產(chǎn)生大量的固態(tài)及液態(tài)廢物即尾礦。由于尾礦的處理工藝中使用了大量硫酸，雖然在后期處理中采用純堿進(jìn)行了中和，但依然存在大量的H+，以致排放至庫內(nèi)的尾礦仍呈較強(qiáng)酸性。初期建成的尾礦壩通常能達(dá)到穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，但尾礦壩長期處于復(fù)雜的酸性化學(xué)環(huán)境下，壩體材料的物理性質(zhì)會不斷發(fā)生變化，從而影響壩體的整體穩(wěn)定性，帶來安全隱患。因此，對尾礦壩在酸性環(huán)境下長期運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行評估尤為必要。本文從酸性污染物的遷移、酸性環(huán)境下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化和壩體穩(wěn)定性分析這三個方面研究尾礦壩在酸性環(huán)境下長期穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為工程實(shí)際提供尾礦壩長期穩(wěn)定性的預(yù)測方法，從而可在尾礦壩穩(wěn)定性減弱前進(jìn)行加固，以避免因壩體長期運(yùn)營而造成的潰壩事故。

1尾礦壩長期運(yùn)行穩(wěn)定性評估方法

尾礦庫在使用的過程中，酸性物質(zhì)通過滲流作用不斷向壩體內(nèi)擴(kuò)散并侵蝕壩體，對庫內(nèi)壩體穩(wěn)定性造成影響，因此尾礦壩穩(wěn)定性分析必須要充分考慮在酸性條件下所產(chǎn)生的長期效應(yīng)。因此，尾礦壩長期運(yùn)行穩(wěn)定性需從酸性污染物的遷移、酸性環(huán)境下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化和壩體穩(wěn)定性分析三個方面進(jìn)行評估，具體評估方法如下：①基于滲流及溶質(zhì)遷移理論[1]，利用相關(guān)軟件SEEP/W和CTRAN/W(SEEP/W軟件是用于分析多孔介質(zhì)中滲流問題的有限元軟件,CTRAN/W軟件是一款針對污染遷移模擬的有限元分析軟件)對尾礦庫壩體內(nèi)酸性污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬，得出100年內(nèi)H+在壩體內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布；②對壩體上任意一處的巖土體物理性質(zhì)進(jìn)行長期預(yù)測，即在歸納總結(jié)巖土體在不同時(shí)長、不同強(qiáng)度酸性環(huán)境下的物理性質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，應(yīng)用化學(xué)動力損傷模型[2]，在得知膠結(jié)物種類、初始含量以及酸液濃度的情況下，計(jì)算得出尾礦庫內(nèi)初期壩上某一點(diǎn)某一時(shí)刻巖土體的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)；③通過對壩體穩(wěn)定性計(jì)算基本理論的研究[3]，采用邊坡穩(wěn)定性計(jì)算軟件，結(jié)合酸性污染物的遷移、酸性環(huán)境下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變化，完成對壩體長期穩(wěn)定性分析及預(yù)測工作，計(jì)算得出100年內(nèi)尾礦壩長期穩(wěn)性性變化規(guī)律。

2某尾礦庫壩體長期運(yùn)行穩(wěn)定性分析

本文結(jié)合工程實(shí)例，對某尾礦庫壩體長期運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先根據(jù)壩體相關(guān)資料分析得到現(xiàn)有壩體穩(wěn)定性，并得出初始狀態(tài)下壩體的安全系數(shù)和最危險(xiǎn)滑移面;然后根據(jù)最危險(xiǎn)滑面的位置和形態(tài)確定出觀測點(diǎn)，使用SEEP/W和CTRAN/W軟件分析觀測點(diǎn)位置上H+濃度變化規(guī)律，擬合出H+濃度變化公式，并在此基礎(chǔ)上將H+濃度變化與化學(xué)動力損傷模型結(jié)合,得出不同時(shí)刻巖土體相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)；最后通過采用SLOPE/W軟件對運(yùn)營多年后的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，對壩體的長期穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

2.1壩體初始安全系數(shù)計(jì)算及觀測點(diǎn)確定

本文使用SLOPE/W軟件建立了某尾礦庫壩體的計(jì)算模型(見圖1)，并選取最危險(xiǎn)第一攔水壩作為計(jì)算截面。某尾礦庫第一攔水壩為上游式尾礦壩，最高點(diǎn)標(biāo)高為97.5 m，壩底標(biāo)高為52.5 m，水位線標(biāo)高為95.5 m，壩體總高為45 m；初期壩高為15 m，坡比為1∶2，平臺寬為5 m；子壩高為10 m，坡比為1∶3，平臺寬為5 m;所取斷面為對稱斷面，壩上灘面長度為190 m，截取對稱壩體斷面總長度為330 m；尾礦庫內(nèi)礦渣按沉積分為三層，分別為尾礦砂、尾礦土、尾礦質(zhì)黏土。

圖1　尾礦庫壩體整體穩(wěn)定性分析模型Fig.1　Model of tailing dam stability analysis

如圖1所示，AD、CD段為固定邊界，A(330，0),D(0,0)；BC段為給定的水頭邊界，B(90，41),C(0，40)，水流會從BC向內(nèi)部擴(kuò)散改變壩體內(nèi)水壓力分布；a、b、c、d為自行設(shè)置的滑動面邊界點(diǎn)，ab段為設(shè)置的滑動面入口搜索范圍，cd段為設(shè)置的滑動面出口搜索范圍。

本文利用SLOPE/W軟件計(jì)算得出的尾礦庫壩體現(xiàn)有穩(wěn)定性見圖2。

圖2　尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.2　Result of tailing dam stability analysis

由圖2可見，尾礦庫壩體現(xiàn)有安全系數(shù)為2.007，最危險(xiǎn)滑移面(深綠色條格區(qū)域)出現(xiàn)在尾礦庫堆積壩上；由滑移面可以看出尾礦庫壩體的破壞最有可能是壩體表層滑移所造成的，壩體表層是穩(wěn)定性最薄弱的地方,這些薄弱點(diǎn)全出現(xiàn)在初期壩和堆積壩上，因此在初期壩和堆積壩壩體表層設(shè)置1號、2號、3號、4號4個觀測點(diǎn)(見圖3)，通過求出觀測點(diǎn)位置H+濃度的變化，來求解出觀測點(diǎn)位置巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，并使用4個觀測點(diǎn)位置巖土體物理力學(xué)性質(zhì)變化來代表初期壩和堆積壩巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的變化的平均值，進(jìn)而對壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

圖3　觀測點(diǎn)設(shè)置的位置Fig.3　Location of the observation points

2.2觀測點(diǎn)位置H+濃度變化

基于滲流及污染物遷移理論，可利用SEEP/W和CTRAN/W軟件來模擬污染物的滲流及遷移過程。本文利用SEEP/W軟件模擬出滲流場，得出水頭壓力分布和水流擴(kuò)散速度，而CTRAN/W軟件則利用這些參數(shù)可模擬計(jì)算污染物的遷移。

2.2.1數(shù)學(xué)模型的建立

在建立污染物遷移擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的過程中，通過針對尾礦庫壩內(nèi)的主要污染因子進(jìn)行分析，認(rèn)為污染物的遷移主要是由對流、擴(kuò)散和水動力彌散這幾種作用造成的，因此可以通過建立滲流與多孔介質(zhì)中污染物遷移的耦合數(shù)值模型來計(jì)算和分析酸性污染物的遷移情況,見圖4。

圖4　尾礦庫壩體污染物遷移數(shù)值模型Fig.4　Numerical model of migration of the tailing　　　dam pollutant

設(shè)置的搜索范圍的邊界點(diǎn)為a、b、c、d,其坐標(biāo)為a(140,43),b(225,35),c(280,20)，d(330,0)。

對應(yīng)的邊界條件設(shè)置如下：BC段是給定的水頭邊界，且設(shè)定為H|BC=H1，尾礦庫運(yùn)行時(shí)其水位高度為52 m;AD段為壩體底部，經(jīng)過相應(yīng)處理可看作不透水邊界，因此H|AD=0;壩體選擇的斷面為對稱斷面，所以CD段可看作為不透水邊界，即H|CD=0;BC段是給定的水流邊界，且設(shè)定為C|BC=C1，尾礦庫運(yùn)行時(shí)測得H+的最高濃度C=10 mol/m3。2.2.2數(shù)值模擬結(jié)果

教科書中的做法：金魚藻在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳酸氫鈉溶液中光合作用釋放出氧氣。不足之處：①由于水體被污染，很多地方難以找到金魚藻，限制實(shí)驗(yàn)的開出；②金魚藻在0.1%的碳酸氫鈉溶液光合作用放出氧氣速度慢，尤其是光照比較弱時(shí)。實(shí)驗(yàn)證明，10.0 g金魚藻放入1 400 g 0.1%的碳酸氫鈉溶液中在中等強(qiáng)光下光合作用1.5 h只收集到2.9 mL氧氣。

CTRAN/W軟件基于SEEP/W計(jì)算出的水流擴(kuò)散速度結(jié)果，主要考慮由對流、擴(kuò)散和水動力彌散這幾種作用所引起的H+在礦壩內(nèi)的擴(kuò)散，本文通過模擬計(jì)算可得出100年內(nèi)酸性污染物的擴(kuò)散過程，即得出4個觀測點(diǎn)位置H+濃度變化曲線，詳見圖5至圖8。

圖5　1號觀測點(diǎn)H+濃度變化曲線Fig.5　Change curve of H+ concentration at　　　observation point 1

圖6　2號觀測點(diǎn)H+濃度變化曲線Fig.6　Change curve of H+ concentration at　　　observation point 2

圖7　3號觀測點(diǎn)H+濃度變化曲線Fig.7　Change curve of H+ concentration at　　　observation point 3

圖8　4號觀測點(diǎn)H+濃度變化曲線Fig.8　Change curve of H+ concentration at　　　observation point 4

2.3觀測點(diǎn)位置巖土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的確定

2.3.1化學(xué)動力損傷模型

酸性污染物對巖土體的侵蝕主要是對其膠結(jié)物的破壞[5]。巖土體的抗剪強(qiáng)度由土體顆粒間的膠結(jié)材料與土體結(jié)構(gòu)所決定。該尾礦庫內(nèi)沉積土及壩體中填隙物含量小于7%，主要為鈣質(zhì)膠結(jié)物，含有少量硅質(zhì)膠結(jié)物以及泥質(zhì)雜基。鈣質(zhì)膠結(jié)物對酸性環(huán)境最為敏感，所以本次選取的膠結(jié)物為鈣質(zhì)成分，即CaCO3，其含量為4%。尾礦庫內(nèi)沉積土及壩體內(nèi)H+的濃度是隨時(shí)間不斷變化的，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，其化學(xué)動力損傷模型為

(1)式中:D(t)為巖土體的損傷系數(shù);K和Y為系數(shù)，K=2.98×10-3，Y=0.11；C為尾礦庫內(nèi)沉積土及壩體上某一點(diǎn)H+的濃度(mol/m3);wo為尾礦庫內(nèi)沉積土及壩體上單位體積中CaCO3的摩爾數(shù)(mol)。

因此根據(jù)公式(1)，在得知某一點(diǎn)污染物濃度的情況下，對其進(jìn)行積分運(yùn)算便可得出該點(diǎn)巖土體損傷系數(shù)，再根據(jù)損傷系數(shù)可預(yù)測巖土體的強(qiáng)度變化。

在酸性污染物腐蝕下巖土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為[7]

τ=(1-D)τD+DτS

(2)

式中：τ為酸性環(huán)境下任一時(shí)刻巖土體抗剪強(qiáng)度(Pa)；D為該時(shí)刻下的損傷系數(shù)；τD為無污染下土體抗剪強(qiáng)度峰值(Pa);τS為無污染下巖土體的殘余抗剪強(qiáng)度(Pa)。

τ=σtanφ+c

(3)

因此根據(jù)公式(2)，當(dāng)?shù)弥獡p傷后巖土體的抗剪強(qiáng)度后，便可折算出損傷后的等效內(nèi)摩擦角φ(°)和內(nèi)聚力c(Pa)。

2.3.2酸性條件下壩體的力學(xué)參數(shù)計(jì)算

以1號觀測點(diǎn)為例，由于該觀測點(diǎn)H+濃度曲線變化趨勢較為復(fù)雜難以運(yùn)算，同時(shí)很難用單一公式來完整地?cái)M合出整條曲線，所以將該曲線根據(jù)時(shí)間變量分別進(jìn)行擬合，得出H+濃度隨時(shí)間變化的擬合公式如下：

(4)

將公式(4)求得的C值代入公式(1)，便可計(jì)算出不同時(shí)間段尾礦庫內(nèi)沉積土的損傷系數(shù)，并結(jié)合公式(2)、(3)可計(jì)算出折減后尾礦庫內(nèi)沉積土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，詳見表1。

表1　1號觀測點(diǎn)位置巖土體的損傷變量、內(nèi)摩擦角

同理，可計(jì)算得出2號、3號、4號觀測點(diǎn)位置巖土體的損傷系數(shù)、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。

2.4尾礦庫壩體長期穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析

將觀測點(diǎn)位置巖土體力學(xué)參數(shù)作為初期壩和堆積壩損傷后的巖土體力學(xué)參數(shù)代入SLOPE/W軟件對尾礦庫壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可得出尾礦庫壩體的長期穩(wěn)定性系數(shù)，并據(jù)此繪制出100年內(nèi)該尾礦庫壩體安全系數(shù)變化曲線，見圖9。

由圖9可見，100年的時(shí)間內(nèi)該尾礦庫第一攔水壩安全系數(shù)是從最初的2.007降低至1.367，說明運(yùn)行的過程中尾礦庫壩體的安全性在逐年遞減，整體下降了32%。這是由于酸性污染物在滲流的作用下在壩體內(nèi)遷移，并在擴(kuò)散遷移的過程中侵蝕著巖土體，使其抗剪強(qiáng)度下降，導(dǎo)致尾礦壩的穩(wěn)定性逐年下降，因此這種酸性環(huán)境對壩體穩(wěn)定性的影響是不容忽視的。

圖9　尾礦庫壩體安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.9　Change curve of the safety coefficient of the　　　tailing dam with time

3結(jié)論

尾礦壩在運(yùn)營的過程中會受到酸性污染物的侵蝕，其巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)會受到影響，因此尾礦庫壩體的穩(wěn)定性會隨時(shí)間發(fā)生改變。目前大多數(shù)研

究只針對現(xiàn)有尾礦庫壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并未對尾礦壩運(yùn)營中穩(wěn)定性的變化作出長期預(yù)測。本文以某尾礦庫壩體為例，結(jié)合酸性污染物遷移、酸性環(huán)境下巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化和壩體穩(wěn)定性分析對該尾礦庫壩體的長期穩(wěn)定性進(jìn)行評估，得出尾礦壩穩(wěn)定性隨時(shí)間變化的規(guī)律，同時(shí)也反映出酸性環(huán)境對壩體穩(wěn)定性的影響較大，在尾礦壩的長期穩(wěn)定性研究中應(yīng)充分考慮該因素。該方法可為巖土工程結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下耐久性設(shè)計(jì)提供一種新的研究思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙常兵,陳萍,趙霞則,等.溶質(zhì)運(yùn)移理論的發(fā)展[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2006(8):502-504.

[2] 陳昌炳.應(yīng)用化學(xué)動力學(xué)研究土體長期穩(wěn)定性的理論基礎(chǔ)[J].巖土力學(xué),1989,10(4):84-87.

[3] 潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京:水利出版社,1980.

[4] 王肖霞,楊風(fēng)暴,史冬梅,等.基于前景理論的尾礦壩風(fēng)險(xiǎn)評估[J].安全與環(huán)境工程,2015,22(3):122-125.

[5] 吳恒,張信貴,易念平,等.城市環(huán)境下的水土作用對土強(qiáng)度的影響[J].巖土力學(xué),1999,20(4):25-30.

[6] 李寧.酸性環(huán)境中鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖的化學(xué)損傷模型[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003(4):395-399.

[7] 朱運(yùn)明.酸性環(huán)境中砂巖強(qiáng)度、變形性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2001.

The Long-term Stability Assessment of Tailing Dam under Acidic Environment

LI Fen,GUO Rui,HUANG Weiyuan

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract:Tailings dams are century projects.During the process of use,it needs to be considered whether the stability of dam can meet the requirements with the long-term dam damage under acid environment after several years.This paper aims at avoiding dam failure accidents due to the long-term effect in construction and utilization of tailing dams.The paper analyzes the long-term stability change discipline of a dam in the acidic environment from three aspects,including migration of acidic pollutants,changes of physical and mechanical properties of rock and soil in the acidic environment and calculation of dam stability.The study results show that acid environment has a great influence on the strength of rock and soil.After one hundred years,the long-term stability coefficient of the dam reduces nearly thirty percent.Therefore,in the study of this kind of long-term stability of tailing dams,the influence of the acid environment should be fully considered.

Key words:tailing dam;stability assessment;acid environment;long-term operation;chemical dynamic damage model

文章編號：1671-1556(2016)03-0158-05

收稿日期：2016-02-24修回日期：2016-03-16

作者簡介：李芬(1974—)，女，博士，副教授，主要從事邊坡和地下圍巖穩(wěn)定性方面的研究。E-mail:lifen0208@hotmail.com

中圖分類號：X93；P642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.027