酸性環境下尾礦壩長期運行穩定性評估

李　芬，郭　銳，黃蔚源

(武漢理工大學交通學院，湖北 武漢 430063)

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酸性環境下尾礦壩長期運行穩定性評估

李芬，郭銳，黃蔚源

(武漢理工大學交通學院，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境下壩體的損壞，以及若干年后壩體的穩定性是否能夠滿足工程要求。為避免尾礦壩的建設和使用中因在酸性條件下所產生的長期效應帶來的壩體失穩事故的發生，從酸性污染物的遷移、酸性環境下巖土體物理力學性質的變化和壩體穩定性分析三個方面分析了某尾礦壩在酸性環境下穩定性的變化規律，并對酸性環境下該尾礦壩長期穩定性進行了評估。結果表明：酸性環境對巖土體強度有較大影響，100年后壩體長期穩定性系數將降低近30%。因此，在此類尾礦壩的長期穩定性研究中應充分考慮酸性環境的影響。

關鍵詞：尾礦壩；穩定性評估；酸性環境；長期運行；化學動力損傷模型

采礦工業是人類開展最早的工程活動，在礦物的開采過程中會產生大量的固態及液態廢物即尾礦。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行了中和，但依然存在大量的H+，以致排放至庫內的尾礦仍呈較強酸性。初期建成的尾礦壩通常能達到穩定性的標準，但尾礦壩長期處于復雜的酸性化學環境下，壩體材料的物理性質會不斷發生變化，從而影響壩體的整體穩定性，帶來安全隱患。因此，對尾礦壩在酸性環境下長期運行的穩定性進行評估尤為必要。本文從酸性污染物的遷移、酸性環境下巖土體物理力學性質的變化和壩體穩定性分析這三個方面研究尾礦壩在酸性環境下長期穩定性的變化規律，為工程實際提供尾礦壩長期穩定性的預測方法，從而可在尾礦壩穩定性減弱前進行加固，以避免因壩體長期運營而造成的潰壩事故。

1尾礦壩長期運行穩定性評估方法

尾礦庫在使用的過程中，酸性物質通過滲流作用不斷向壩體內擴散并侵蝕壩體，對庫內壩體穩定性造成影響，因此尾礦壩穩定性分析必須要充分考慮在酸性條件下所產生的長期效應。因此，尾礦壩長期運行穩定性需從酸性污染物的遷移、酸性環境下巖土體物理力學性質的變化和壩體穩定性分析三個方面進行評估，具體評估方法如下：①基于滲流及溶質遷移理論[1]，利用相關軟件SEEP/W和CTRAN/W(SEEP/W軟件是用于分析多孔介質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)對尾礦庫壩體內酸性污染物擴散進行模擬，得出100年內H+在壩體內的擴散規律和濃度分布；②對壩體上任意一處的巖土體物理性質進行長期預測，即在歸納總結巖土體在不同時長、不同強度酸性環境下的物理性質變化規律的基礎上，應用化學動力損傷模型[2]，在得知膠結物種類、初始含量以及酸液濃度的情況下，計算得出尾礦庫內初期壩上某一點某一時刻巖土體的力學性質指標；③通過對壩體穩定性計算基本理論的研究[3]，采用邊坡穩定性計算軟件，結合酸性污染物的遷移、酸性環境下巖土體物理力學性質變化，完成對壩體長期穩定性分析及預測工作，計算得出100年內尾礦壩長期穩性性變化規律。

2某尾礦庫壩體長期運行穩定性分析

本文結合工程實例，對某尾礦庫壩體長期運行穩定性進行分析。首先根據壩體相關資料分析得到現有壩體穩定性，并得出初始狀態下壩體的安全系數和最危險滑移面;然后根據最危險滑面的位置和形態確定出觀測點，使用SEEP/W和CTRAN/W軟件分析觀測點位置上H+濃度變化規律，擬合出H+濃度變化公式，并在此基礎上將H+濃度變化與化學動力損傷模型結合,得出不同時刻巖土體相應的力學參數；最后通過采用SLOPE/W軟件對運營多年后的壩體進行穩定性計算，對壩體的長期穩定性進行評估。

2.1壩體初始安全系數計算及觀測點確定

本文使用SLOPE/W軟件建立了某尾礦庫壩體的計算模型(見圖1)，并選取最危險第一攔水壩作為計算截面。某尾礦庫第一攔水壩為上游式尾礦壩，最高點標高為97.5 m，壩底標高為52.5 m，水位線標高為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；尾礦庫內礦渣按沉積分為三層，分別為尾礦砂、尾礦土、尾礦質黏土。

圖1　尾礦庫壩體整體穩定性分析模型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向內部擴散改變壩體內水壓力分布；a、b、c、d為自行設置的滑動面邊界點，ab段為設置的滑動面入口搜索范圍，cd段為設置的滑動面出口搜索范圍。

本文利用SLOPE/W軟件計算得出的尾礦庫壩體現有穩定性見圖2。

圖2　尾礦庫壩體穩定性分析結果Fig.2　Result of tailing dam stability analysis

由圖2可見，尾礦庫壩體現有安全系數為2.007，最危險滑移面(深綠色條格區域)出現在尾礦庫堆積壩上；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，壩體表層是穩定性最薄弱的地方,這些薄弱點全出現在初期壩和堆積壩上，因此在初期壩和堆積壩壩體表層設置1號、2號、3號、4號4個觀測點(見圖3)，通過求出觀測點位置H+濃度的變化，來求解出觀測點位置巖土體物理力學性質，并使用4個觀測點位置巖土體物理力學性質變化來代表初期壩和堆積壩巖土體的物理力學性質的變化的平均值，進而對壩體的穩定性進行計算。

圖3　觀測點設置的位置Fig.3　Location of the observation points

2.2觀測點位置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散速度，而CTRAN/W軟件則利用這些參數可模擬計算污染物的遷移。

2.2.1數學模型的建立

在建立污染物遷移擴散數學模型的過程中，通過針對尾礦庫壩內的主要污染因子進行分析，認為污染物的遷移主要是由對流、擴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中污染物遷移的耦合數值模型來計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值模型Fig.4　Numerical model of migration of the tailing　　　dam pollutant

設置的搜索范圍的邊界點為a、b、c、d,其坐標為a(140,43),b(225,35),c(280,20)，d(330,0)。

對應的邊界條件設置如下：BC段是給定的水頭邊界，且設定為H|BC=H1，尾礦庫運行時其水位高度為52 m;AD段為壩體底部，經過相應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，且設定為C|BC=C1，尾礦庫運行時測得H+的最高濃度C=10 mol/m3。2.2.2數值模擬結果

教科書中的做法：金魚藻在質量分數為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，限制實驗的開出；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。實驗證明，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計算出的水流擴散速度結果，主要考慮由對流、擴散和水動力彌散這幾種作用所引起的H+在礦壩內的擴散，本文通過模擬計算可得出100年內酸性污染物的擴散過程，即得出4個觀測點位置H+濃度變化曲線，詳見圖5至圖8。

圖5　1號觀測點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H+濃度變化曲線Fig.8　Change curve of H+ concentration at　　　observation point 4

2.3觀測點位置巖土體力學性質指標的確定

2.3.1化學動力損傷模型

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

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

因此根據公式(1)，在得知某一點污染物濃度的情況下，對其進行積分運算便可得出該點巖土體損傷系數，再根據損傷系數可預測巖土體的強度變化。

在酸性污染物腐蝕下巖土體抗剪強度計算公式為[7]

τ=(1-D)τD+DτS

(2)

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

τ=σtanφ+c

(3)

因此根據公式(2)，當得知損傷后巖土體的抗剪強度后，便可折算出損傷后的等效內摩擦角φ(°)和內聚力c(Pa)。

2.3.2酸性條件下壩體的力學參數計算

以1號觀測點為例，由于該觀測點H+濃度曲線變化趨勢較為復雜難以運算，同時很難用單一公式來完整地擬合出整條曲線，所以將該曲線根據時間變量分別進行擬合，得出H+濃度隨時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)，便可計算出不同時間段尾礦庫內沉積土的損傷系數，并結合公式(2)、(3)可計算出折減后尾礦庫內沉積土的內摩擦角和內聚力，詳見表1。

表1　1號觀測點位置巖土體的損傷變量、內摩擦角

同理，可計算得出2號、3號、4號觀測點位置巖土體的損傷系數、內摩擦角和內聚力。

2.4尾礦庫壩體長期穩定性計算結果及分析

將觀測點位置巖土體力學參數作為初期壩和堆積壩損傷后的巖土體力學參數代入SLOPE/W軟件對尾礦庫壩體穩定性進行分析，可得出尾礦庫壩體的長期穩定性系數，并據此繪制出100年內該尾礦庫壩體安全系數變化曲線，見圖9。

由圖9可見，100年的時間內該尾礦庫第一攔水壩安全系數是從最初的2.007降低至1.367，說明運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遷移，并在擴散遷移的過程中侵蝕著巖土體，使其抗剪強度下降，導致尾礦壩的穩定性逐年下降，因此這種酸性環境對壩體穩定性的影響是不容忽視的。

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

3結論

尾礦壩在運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性質會受到影響，因此尾礦庫壩體的穩定性會隨時間發生改變。目前大多數研

究只針對現有尾礦庫壩體的穩定性進行分析，并未對尾礦壩運營中穩定性的變化作出長期預測。本文以某尾礦庫壩體為例，結合酸性污染物遷移、酸性環境下巖土體物理力學性質的變化和壩體穩定性分析對該尾礦庫壩體的長期穩定性進行評估，得出尾礦壩穩定性隨時間變化的規律，同時也反映出酸性環境對壩體穩定性的影響較大，在尾礦壩的長期穩定性研究中應充分考慮該因素。該方法可為巖土工程結構在復雜地質環境下耐久性設計提供一種新的研究思路。

參考文獻：

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[7] 朱運明.酸性環境中砂巖強度、變形性質的實驗研究[D].西安:西安理工大學，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定性方面的研究。E-mail:lifen0208@hotmail.com

中圖分類號：X93；P642

文獻標識碼：A

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