任占兵

(河北省武安市國(guó)土資源局，河北 邯鄲 056300)

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尾礦庫(kù)滲漏量計(jì)算分析

任占兵

(河北省武安市國(guó)土資源局，河北 邯鄲 056300)

[摘要]山谷型尾礦庫(kù)在進(jìn)行勘察時(shí)，必須要對(duì)尾礦庫(kù)的越谷滲流、繞壩滲流的滲漏量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。根據(jù)滲漏量的計(jì)算原理、計(jì)算公式，探討公式的適用范圍。結(jié)合實(shí)際的工程，利用公式解析法和二維數(shù)值模擬法，對(duì)相同區(qū)域的滲漏量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比了兩種方法計(jì)算出來(lái)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(lái)，隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的緊缺及國(guó)家對(duì)礦山建設(shè)投入力度的增大，許多大型礦山的尾礦庫(kù)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(kù)勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)勢(shì)在必行。隨著國(guó)家對(duì)自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高，尾礦庫(kù)建設(shè)造成的自然生態(tài)環(huán)境的破壞也越來(lái)越被人們重視，其中尾礦庫(kù)建設(shè)造成最大的污染為地下水的污染。

在尾礦庫(kù)勘察階段，必須查明尾礦庫(kù)區(qū)域的地層滲漏情況，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的方法對(duì)尾礦庫(kù)地下水的滲透路徑和滲漏量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果提出合理的防治措施，盡量的避免因?yàn)槲驳V庫(kù)的滲漏所造成的地下水污染。

1計(jì)算理論和公式

河渠間潛水的運(yùn)動(dòng)是非穩(wěn)定的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，得出一個(gè)相對(duì)接近的單寬滲漏量，有時(shí)把潛水的運(yùn)動(dòng)當(dāng)作穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)來(lái)研究。

圖1　潛水運(yùn)動(dòng)

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(bǔ)給量；h1為相對(duì)隔水層以上的河水水頭，h2為相對(duì)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(méi)有入滲時(shí)，潛水流的單寬流量為[1]：

(2)

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

計(jì)算出單寬滲漏量以后，通過(guò)寬度為B的單薄分水嶺，河渠滲漏流量可按下式計(jì)算。

Q=q×B

(3)

2SEEP/W軟件介紹及計(jì)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(wèn)題的有限元軟件。在SEEP/W軟件中，通過(guò)滲流有限元計(jì)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(duì)邊坡穩(wěn)定時(shí)的瞬態(tài)孔隙水壓力進(jìn)行分析。通過(guò)瞬態(tài)分析，可以得出不同時(shí)刻不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布狀況。通過(guò)對(duì)孔隙水壓力隨時(shí)間變化的結(jié)果分析，可以研究邊坡、路堤穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系。除了可以對(duì)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(jì)算模型使得該軟件可以對(duì)隨時(shí)間變化的滲流問(wèn)題和短期滲流過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

2.1SEEP/W軟件基本理論

求解飽和-非飽和滲流問(wèn)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(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的總應(yīng)力是常量，也就是說(shuō)土體沒(méi)有加載也沒(méi)有卸載，第二個(gè)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(duì)體積水容量變化沒(méi)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(shí)常量，體積水容量?jī)H是孔隙水壓力變化的函數(shù)。

2.2SEEP/W分析滲流問(wèn)題的主要步驟

(1)定義問(wèn)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(huà)問(wèn)題圖形，制定分析類型類型，指定分析控制，定義一個(gè)導(dǎo)水率函數(shù)，定義材料特性，畫(huà)有限元網(wǎng)格，指定結(jié)點(diǎn)邊界條件，畫(huà)出滲流區(qū)域，畫(huà)坐標(biāo)系，檢驗(yàn)編譯，保存并完成定義[4]。

(2)求解問(wèn)題。

(3)查看結(jié)果。可查看的內(nèi)容有：結(jié)點(diǎn)結(jié)果，單元結(jié)果，流速，流量，等勢(shì)線，流線(包括浸潤(rùn)線)，圖形輸出等。

3工程實(shí)踐

本文選取某山谷型尾礦庫(kù)作為工程實(shí)例進(jìn)行分析研究。該尾礦庫(kù)區(qū)域右岸坡脊主要為(T3a)砂、頁(yè)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(duì)庫(kù)區(qū)運(yùn)營(yíng)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(yùn)移和賦存的通道。因灰?guī)r具有極大的不均一性特點(diǎn)，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(kù)區(qū)內(nèi)尾礦砂堆積運(yùn)營(yíng)時(shí)，少量庫(kù)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(kù)區(qū)沿玉龍溝向下游滲流，一部分通過(guò)地下通道沿鄰谷滲流。本文選取了四條剖面計(jì)算單薄分水嶺的單寬滲漏量。

圖2　滲漏計(jì)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(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，概念清晰；缺點(diǎn)是假設(shè)條件多。該地區(qū)表層為粉質(zhì)粘土，碎石土和強(qiáng)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(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)滲流地層為主要為中等風(fēng)化的灰?guī)r層，計(jì)算可以簡(jiǎn)化為單一地層中的滲漏。本次分別選取四個(gè)剖面進(jìn)行解析計(jì)算，各剖面計(jì)算參數(shù)如下：

表1　各剖面計(jì)算參數(shù)

利用公式3，將上表參數(shù)帶入就可以得到4個(gè)剖面的單寬滲漏量，即庫(kù)區(qū)各個(gè)不同方向的滲漏量，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　各個(gè)剖面單寬滲漏量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上表的計(jì)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(dá)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(kù)廢水、廢渣對(duì)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(guò)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(jì)尾礦庫(kù)運(yùn)行之后，當(dāng)尾礦庫(kù)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(duì)滲漏量和滲流途徑進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，本文采用SEEP/W二維滲流模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，模擬出當(dāng)尾礦庫(kù)水頭抬升到4 400 m時(shí)，各斷面地下水的滲流路徑和單寬滲漏量。

3.3計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知：尾礦庫(kù)區(qū)域地層由上到下分別為粉質(zhì)粘土、碎石土、強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算參數(shù)如下表所示[2]：

表3　各地層計(jì)算參數(shù)

參照工程地質(zhì)剖面上的各鉆孔，詳細(xì)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(jì)算模型(見(jiàn)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(kù)區(qū)內(nèi)的地下水已經(jīng)形成了天然流場(chǎng)，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(kù)的建成投產(chǎn)，水位上升，天然流場(chǎng)平衡被破壞，尾礦庫(kù)內(nèi)的水位最終上升到4 400 m，此時(shí)，尾礦庫(kù)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(shí)，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(shí)候，臨谷不會(huì)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(duì)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(shí)，臨谷可能會(huì)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(huì)對(duì)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(jì)施工的尾礦壩壩基為透水的碎石層，尾礦庫(kù)的下游肯定會(huì)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(kù)內(nèi)流出的廢水，切斷尾礦廢水對(duì)下游地下水的污染，保護(hù)地下水資源。

從地下水滲流路徑的模擬形態(tài)來(lái)看，滲流路徑是拋物線形態(tài)，這和解析法裘布依公式計(jì)算中地表無(wú)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(jì)算尾礦庫(kù)的滲漏量的準(zhǔn)確性和計(jì)算假設(shè)條件的科學(xué)性。

3.5單寬滲漏量模擬計(jì)算

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

表4可以看出，模擬計(jì)算得出的單寬滲流量和解析法得出的滲流量基本相同，驗(yàn)證了選用裘布依公式計(jì)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(jì)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(jì)算時(shí)，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(jì)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(jì)算值

3.6滲漏防治建議

為防止尾礦庫(kù)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(duì)庫(kù)岸邊坡上溶洞采取回填、漿砌石封閉處理。

尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中做好庫(kù)區(qū)排水措施，增加庫(kù)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(cè)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。以防庫(kù)區(qū)含金屬離子水下滲到下游造成地下水的污染。

對(duì)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)建成后造成區(qū)域水位抬升形成的地下水滲流問(wèn)題進(jìn)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(jì)算兩種方法，得出了以下兩點(diǎn)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(jì)算的假設(shè)條件和計(jì)算范圍造成的。在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，必須對(duì)區(qū)域內(nèi)的地下水滲流進(jìn)行分析研究，確立初步的滲流模型，采用解析法粗略的進(jìn)行假設(shè)計(jì)算，得出的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較分析，互相驗(yàn)證分析。

(2)不管解析法還是數(shù)值模擬計(jì)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(gè)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(yàn)和類似工程監(jiān)測(cè)資料綜合考慮，根據(jù)環(huán)境影響程度和防滲等級(jí)采用相應(yīng)的工程措施。

參考文獻(xiàn)

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

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[4]中仿公司.GeoStudio 2007 系列教程之21.

[中圖分類號(hào)]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0041-03

[作者簡(jiǎn)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