基于Visul Modflow的復合襯墊隔障式防滲墻在某銅礦露天邊坡堵水方案的研究

徐 磊,黃炳仁,周耀東

(1.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室,湖南 長沙 410012;3.萬寶礦產有限公司,北京 100053)

1 前言

本次防滲堵漏研究區(qū)域為S 坑北側至東北側長約1 500 m、從535 m 至575 m 約40 m 高的邊坡。該研究區(qū)域的含水層從上往下依次為第四系殘坡積、坡洪積松散孔隙弱含(透)水層,該層滲透系數(shù)為2.09 ×10-7～9.51 ×10-7cm/s,透水性由弱到強,其中黑棉土層滲透系數(shù)可達2.09 ×10-7cm/s;第四系沖、洪積()松散孔隙強-中等含(透)水層,該層滲透系數(shù)為4.24 ×10-5～9.00 ×10-2cm/s,平均2.12 ×10-2cm/s,鉆孔單位涌水量0.17～3.13 L/s·m,平 均1.45 L/s·m,富水性強,透水性強—中等,根據(jù)河水位變化,與雅瑪河互為補排關系;新近系上中新統(tǒng)(N1απ)安山斑巖-英安斑巖隔水層,該層滲透系數(shù)3.75 × 10-6～2.79 × 10-5cm/s,平均1.28 ×10-5cm/s,微～弱透水性,富水性弱,為隔水層。其中松散孔隙弱含(透)水層主要由隔水性較好的黑棉土和粉砂質黏土構成,松散孔隙強-中等含(透)水層主要由分選性較差的中細砂和砂卵礫石構成,N1απ安山斑巖-英安斑巖隔水層主要由隔水性良好的安山斑巖構成[1-4]。

S 坑邊坡含水層為砂層和砂卵石層,根據(jù)K 礦水文地質報告中區(qū)域地質資料描述:S 礦東側出露的第四系(Q)沖、洪積砂層、砂卵石層分布范圍廣,為雅瑪河的老河床,砂層、砂卵石含水層直接接受雅瑪河的河水補給,且根據(jù)河水與S 坑+545 m 平臺的水質化驗對比,兩者水質相似,其水化學類型為HCO3-(K+Na)型。因此,邊坡滲漏水的主要水源及通道為:雅瑪河水通過河床砂層、砂卵石含水層,直接向S 礦坑的東部邊坡充水。雅瑪河在礦區(qū)段的平均水位標高為574.52 m,河床的底標高為570 m。

2 邊坡防滲方案

2.1 S 礦坑酸性廢水的主要污染指標

S 礦坑回填的廢石在氧化過程中,生成含多種金屬離子的酸性廢水,水樣化驗報告統(tǒng)計見表1,坑內回填后中和的酸性廢水的pH 值6.8,水中硫酸鹽、銅離子和鉛離子含量均高。

表1 S 坑回填廢石水質報告統(tǒng)計

2.2 防滲方案設計參照的標準

目前緬甸尚沒有類似工程防滲方案設計的標準可參照,也沒有通用的國際標準文本,本項目的設計主要參照國外相關固體廢料填埋規(guī)范和我國垃圾填埋場的設計標準,能夠滿足本項目的設計要求[5]。

2.3 防滲墻結構的設計

本方案在S 坑東部邊坡滲漏段采用壓實黑棉土+HDPE 土工膜+壓實黑棉土構筑的復合襯墊隔障式防滲墻來進行防滲處理,具體如圖1所示,復合防滲結構兼具HDPE 土工膜和壓實黑棉土的優(yōu)點,對坑內的酸性廢水外泄提供了雙重防滲保護。HDPE土工膜的高防滲性能可減少壓實黑棉土的厚度,減少防滲墻的施工工程量,降低施工成本。此外,黑棉土和HDPE 土工模均屬柔性材料,抗震抗變形能力強。

圖1 S 坑防滲墻的墻體結構圖

壓實黑棉土分為內外墻體,HDPE 土工膜位于內外墻體的中心,防滲墻墻體的設計飽和抗?jié)B系數(shù)達到1 ×10-9cm/s,設計年限不低于100年。

2.4 防滲墻墻體的范圍

根據(jù)含水層邊界條件確定的防滲墻墻體的范圍為ABCDEFGHIJKLMNOP,各控制點的坐標如圖2所示。其平面投影面積為137 374.074 m2。

圖2 S 坑防滲墻布置平面圖

2.5 防滲層參數(shù)設計

2.5.1 壓實黑棉土墻體參數(shù)設計

1) 土體材料的種類及技術要求

本次防滲材料的試驗研究主要是針對礦區(qū)內黑棉土試樣的土工試驗研究,試驗結果見表2至表4。

表3 黑棉土土工實驗室土樣力學性質試驗匯總表

表4 黑棉土土工實驗室土樣滲透變形試驗匯總表

根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術規(guī)范》GB50869—2013 和《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274—2001 規(guī)范的要求:作為防滲材料的壓實土飽和滲透系數(shù)應小于1 ×10-7cm/s,有機質含量不大于2%。采用礦區(qū)當?shù)氐暮诿尥磷鳛榉罎B墻填筑材料,經室內滲透及滲透變形試驗,壓實后試樣的飽和滲透系數(shù)K20為3.72～8.15 ×10-8cm/s,壓力變形滲透系數(shù)K20為2.17～9.28 ×10-7cm/s,滿足本方案的抗?jié)B要求。

2) 壓實土厚度設計

根據(jù)《危險廢料物鑒別標準》GB 5085—2007 和《尾礦庫安全技術規(guī)程》AQ 2006—2005 中13.2.6規(guī)定:S 坑回填的酸性廢石屬Ⅱ類廢料,Ⅱ類庫的環(huán)保防滲要求為庫的底部和周邊應具有一層防滲系統(tǒng),其防滲厚度不小于1.5 m 的黏土防滲層。根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術規(guī)范》GB 50869—2013 規(guī)定:場底及四壁襯里厚度不小于2 m 時,可采用天然勃土類襯里結構。考慮本次防滲的重要性和特殊性,壓實土的水平厚度取10 m,遠大于相關規(guī)范規(guī)定的厚度要求。

3) 壓實土的最優(yōu)含水量、壓實度、飽和抗?jié)B系數(shù)

現(xiàn)場取土室內土工最優(yōu)含水量為15.5%～17.8%,壓實度不小于95%,飽和滲透系數(shù)為3.72～8.15 ×10-8cm/s。

4) 填筑分層厚度

依照規(guī)范要求取30 cm。

5) 黑棉土墻體填筑估算總方量

估算墻體壓實土體的總方量為733 350 m3。

2.5.2 土工膜的參數(shù)設計

1) 土工膜厚度設計以及

目前國內外針對土工膜厚度計算并無完全成熟的理論計算方法,考慮本防滲墻的重要性以及防滲墻填筑工況,實用時需留有較大的安全系數(shù),土工防滲膜厚度確定為2 mm。

2) 土工膜的材質及選型

本項目選用2 mm 厚的雙糙面HDPE 土工膜。

3) HDPE 土工膜的總面積

墻體壓實土體的總平方量為151 000 m2。

2.6 防滲墻的穩(wěn)定性分析

防滲墻的穩(wěn)定性分析分為2 個部分:①防滲墻體與現(xiàn)有邊坡之間的滑移分析;②防滲墻內部在土工膜界面的滑移分析。由于防滲墻施工與坑內廢石回填同步進行,防滲墻施工只超前廢石回填高度約5 m,因此,兩者均可按下式進行施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算:

式中:W——超前防滲墻體的重量,或者土工膜外側墻體(超前部分)重量;

α——防滲墻體的坡角,或者墻體內土工膜的鋪設坡角,坡比1∶2對應坡角為27°;

f——防滲墻體與邊坡的磨擦系數(shù),或糙面土工膜與壓實黏土間摩擦系數(shù),根據(jù)資料分別取0.75、0.65。

計算得出的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)K 分別為1.5 和1.3,均能滿足《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274—2001 修改和補充規(guī)定,土壩、堆石壩壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不得小于1.05～1.30。

2.7 防滲墻體的耐久性分析

S 坑東部邊坡防滲墻體由壓實黏土與聚乙烯土工膜組成,聚乙烯土工膜防滲膜位于壓實黏土的中間,深埋于地下,近似于恒溫恒濕的封閉環(huán)境,不會受長期紫外照射及大氣氧化影響,其設計壽命可達100年以上。

綜上所述:壓實黏土和土工膜的耐久性均能達到本方案設計的100年要求,并考慮S 坑東部邊坡的壓實黏土與土工膜組成復合襯墊隔障防滲系統(tǒng),其設計參數(shù)取值按壓實黏土與土工膜各自作用獨立的防滲系統(tǒng)進行計算,具雙重保險作用。因此,本方案設計的防滲系統(tǒng)的耐久性是可靠的。

3 防滲墻防滲數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

采用Visual Modflow 軟件建立礦區(qū)下水滲流模型。模型模擬范圍根據(jù)礦區(qū)的邊界范圍而定,東西范圍X 從30 078～35 421 m,寬約5 343 m,南北范圍Y 從65 620～70 205 m,長約4 585 m,總面積約為9.93 km2,具體如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬范圍

礦區(qū)位于欽敦江西側、雅瑪河南側,主要充水含水層為第四系孔隙水含水層,北部為雅瑪河,東南部及西北部為地表分水嶺,地勢西南高,東北低。為避免數(shù)值模型過小及人為劃定邊界造成的誤差,本次數(shù)值模擬范圍不局限于S 礦區(qū),而是將模擬范圍根據(jù)礦坑排水的最大影響范圍適當外推。根據(jù)區(qū)域水文地質條件,模型北部邊界為雅瑪河,處理為河流邊界;東南部及西北部邊界為地表分水嶺,處理為零通量邊界,西南部為流量邊界。

本次模擬初始參數(shù)的選取主要是根據(jù)抽水試驗整理資料給出,由于第四系第一含水層抽水孔較少,取室內經驗值1.10 ×10-7cm/s 為該層滲透系數(shù)的值,砂層含水層的滲透系數(shù)初值根據(jù)抽水數(shù)據(jù)的計算結果得出為2.12 ×10-2cm/s。

本次建立了包含S 礦區(qū)在內的相對完整水文地質單元范圍的地下水三維數(shù)值模型,具體如圖4所示。

圖4 巖層頂?shù)装甯叱倘S圖

本次模擬共有二層地層,從上到下,依次導入第四系第一相對隔水層的頂?shù)装寮暗诙畬拥捻數(shù)装?采用克里金插值方法生成每一層標高數(shù)據(jù)。

本次模擬根據(jù)模擬區(qū)實際水文地質資料,對模型進行識別檢驗:非穩(wěn)定流流場識別檢驗和抽水試驗模型識別檢驗,具體如圖5、圖6所示。

圖5 識別模型階段結束時刻地下水流場圖

圖6 非穩(wěn)定流流場擬合圖

利用識別后的數(shù)值模型對研究區(qū)S 礦回填情況下,地下水動態(tài)進行預測。由于坑內酸性水水位隨著坑內廢石的回填逐漸抬升,根據(jù)廢水對地下水的危害分為三個階斷。

(1)酸性廢水標高低于+545 m 標高,廢水與砂卵石含水層不接觸,酸性廢水對附近地下水(土)不造成危害,回填545 m 標高時地下水動態(tài)如圖7所示。

圖7 回填545 m 標高時地下水等值線圖

(2)酸性廢水位標高高于+545 m,廢水與砂卵石含水層接觸,但低于砂卵石層水位標高( +573～575 m),地下水流向S 坑,酸性水不直接流入雅瑪河,但會逐漸流入礦坑周圍砂卵石層的疏干區(qū)域,造成周圍砂卵石含水層的局部污染。

回填573 m 標高時地下水動態(tài)如圖8所示。

圖8 回填573 m 標高時地下水等值線圖

(3)與強含水層水位相等,在礦坑與雅瑪河之間不存在滲流,但酸性廢水中的污染物會通過彌散的形式,緩慢污染礦區(qū)附近的砂卵石層和雅瑪河河水。

回填575 m 標高時地下水動態(tài)變化如圖9所示。

圖9 回填575 m 標高時地下水等值線圖

3.2 污染物運移預測

本次工作已用Visual Modflow 建立了水流模型,在此基礎上,可利用 Visual Modflow 中的MT3DMS 模塊進一步來模擬預測地下水中污染質的運移情況。

本次工作參考類似溶質運移模擬的經驗,從保守角度考慮,取彌散度參數(shù)值取10 m。

由于坑內酸性水水質濃度隨著坑內廢石的回填逐漸升高,因此在礦區(qū)東側和東北側沿著坡面一側建立了襯墊式隔障式防滲墻,寬度每層厚度10 m,防滲墻沿著S 礦坑從坑底到坑頂沿扇形分布,防滲墻高度536～575 m。本次模擬預測根據(jù)污染風險分析的情景設計,在選定優(yōu)先控制污染物的基礎上,對地下水中硫酸鹽、銅離子和鉛離子的影響范圍進行模擬預測,污染物的超標范圍參照國際標準相關要求,具體標準見表5。

表5 評價因子及評價標準一覽表

在復合襯墊隔障式防滲墻的情況下對污染物在地下水的運移進行預測。

1)硫酸鹽滲漏地下水污染預測

此情景條件下的地下水污染模擬結果如圖10所示。

圖10 硫酸鹽滲漏潛水含水層影響范圍圖

結果表明礦區(qū)在正常運行狀況下,整個模擬運行期間礦區(qū)防滲墻邊界處硫酸鹽的濃度都沒有超過地下水國際質量標準。硫酸鹽污染物進入地下水后,在對流和彌散的作用下,濃度開始先逐步增加增大最后趨于穩(wěn)定。

2)銅離子滲漏地下水污染預測

此情景條件下的地下水污染模擬結果如圖11所示。

圖11 銅離子滲漏潛水含水層影響范圍圖(備注:×10 -7)

結果表明礦區(qū)在正常運行狀況下,整個模擬運行期間礦區(qū)防滲墻邊界處銅離子的濃度都沒有超過地下水國際質量標準。銅離子污染物進入地下水后,在對流和彌散的作用下,濃度開始先逐步增加增大最后趨于穩(wěn)定。

3)鉛離子滲漏地下水污染預測

此情景條件下的地下水污染模擬結果如圖12所示。

圖12 鉛離子滲漏潛水含水層影響范圍圖

結果表明礦區(qū)在正常運行狀況下,整個模擬運行期間礦區(qū)防滲墻邊界處鉛離子的濃度都沒有超過地下水國際質量標準。鉛離子污染物進入地下水后,在對流和彌散的作用下,濃度開始先逐步增加增大最后趨于穩(wěn)定。

由預測結果可知,污染物在水動力條件作用下主要由西南向東北方向運移。考慮在沿礦坑布置復合襯砌隔障式防滲墻的情景下,由預測結果可以看出地下水中硫酸鹽、銅離子和鉛離子污染地下水后,在100年內檢出范圍沒有超出礦坑區(qū)范圍。

4 結論

本次S 坑邊坡防滲方案研究首先對S 坑的水文地質條件進行了分析與研究,在相關材料的試驗與研究的基礎上,在東部邊坡設計了壓實黑棉土+HDPE 土工膜+壓實黑棉土的復合隔障式防滲墻的防滲堵漏方案,壓實黑棉土分為內外墻體,水平厚度為10 m,HDPE 土工膜位于內外墻體的中心,厚度為2 mm,防滲墻墻體的設計飽和抗?jié)B系數(shù)達到1 ×10-9cm/s,設計年限不低于100年。本次研究分析了該防滲墻的穩(wěn)定性與耐久性,利用Visual Modflow軟件建立了S 坑地下水流模型和污染物運移模型,并利用該模型模擬了復合襯墊隔障式防滲墻對溶質運移的阻斷效果,由預測結果可以看出:在復合襯墊隔障式防滲墻的隔水作用下,100年內地下水中硫酸鹽、銅離子和鉛離子污染地下水后,檢出范圍沒有超出礦坑區(qū)范圍。