景 爽 郝 喆 滕 達 王曉明 張 倩

(1.遼寧大學環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110036;2.遼寧有色勘察研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110013)

廢棄尾礦庫結構復雜,不僅占用土地資源,大量的尾礦固體廢棄物堆積在沒有得到及時治理的情況下會引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題,其中最嚴重的就是土壤重金屬污染[1]。重金屬污染尾礦土遇到酸、堿等物質時,可能引起重金屬離子遷移和濃度變化[2],還有可能導致土體物理力學性質改變,從而影響尾礦壩穩(wěn)定性。探討尾礦廢棄地重金屬污染物遷移特征及其與物理力學指標的相關性具有較大理論和現(xiàn)實意義。

目前,國內外學者對重金屬離子在不同土壤中的釋放遷移及其抗剪強度特性方面做了大量探究。如程峰等[3]研究了不同重金屬質量比下的污染土在不同圍壓下的三軸試驗,發(fā)現(xiàn)土體中重金屬含量越高,污染土的強度越低;韓鵬舉等[4]對鹽和堿污染下的粉土進行了測定,發(fā)現(xiàn)鹽和堿污染后的土體的物理性質均會發(fā)生改變;劉繼東等[5]采用尾礦聯(lián)合赤泥法模擬酸雨淋濾,發(fā)現(xiàn)淋濾后赤泥對下層土壤影響遠小于表層土壤;朱春鵬等[6]對不同濃度的酸堿污染土強度特性以及影響因素進行分析,得出總應力強度指標與其濃度計算關系式;張馳等[7]發(fā)現(xiàn)尾礦砂的抗剪強度在小于500 kPa 的低應力下基本符合線性摩爾庫倫準則,在大于500 kPa 高應力下符合冪函數(shù)強度準則,且尾礦砂的抗剪強度在各圍壓下均隨著剪切速率的增加而減小;楊凱等[8]發(fā)現(xiàn)不同含水率條件下尾礦的抗剪強度與垂直壓力符合Mohr-Coulomb 屈服準則,隨著尾砂相對密實度的增加,尾礦砂的抗剪強度指標均有所增加。

廢棄尾礦庫由于長期堆存,表層雜質逐漸增多,從而形成了明顯的尾礦垂直分層特征。土柱淋濾是開展尾礦庫污染物遷移研究的有效方法,但多針對在役尾礦庫進行,對于廢棄尾礦淋濾的試驗研究很少,且實驗中均未考慮到廢棄尾礦的特有分層特征,也缺乏多種降雨工況的組合作用分析,目前也未見從巖土工程角度去探究淋濾對廢棄尾礦的抗剪強度指標影響?；诖?以遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)某銅鉛鋅共生廢棄尾礦庫為背景,設計室內降雨淋濾實驗,利用自制大型土柱模型分層裝填,探究不同pH 值、降雨強度、降雨時長工況組合作用下分層土壤中重金屬元素的垂向遷移特征,并通過直剪試驗進一步探究淋濾作用對尾礦的抗剪強度的影響以及重金屬污染物含量與抗剪特性之間的相關性。為廢棄尾礦庫污染物遷移及穩(wěn)定性分析提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

通過對部分廢棄尾礦庫現(xiàn)場調研和文獻查閱[9-10],獲取尾礦土壤的普遍分層特征為:表層尾礦組成復雜,粘性土、砂粒和礫石等雜質含量高,向深處雜質含量逐漸減少、尾礦純度變高,且下層污染濃度大于表層。據(jù)此選取土柱實驗材料:尾礦土與粘性土采集于遼陽縣寒嶺鎮(zhèn)某廢棄尾礦庫及周邊;砂粒與礫石購買于建材市場;礫石選取4 種粒徑,粒徑分別為0.3～0.6 cm、0.6 ～0.9 cm、0.9 ～1.2 cm、1.2 ～1.5 cm。材料實物圖見圖1。參照國家標準[11-12]與實際情況綜合考量,確定不同分層配比向原始尾礦土中添加重金屬Cu、Pb、Zn 的含量;配制出與現(xiàn)場情況相符的含水率為27%的廢棄尾礦樣品土壤。土柱分層材料添加量見表1。

圖1 材料實物圖Fig.1 Material object diagram

表1 土柱分層材料添加量Table 1 Soil column layered material addition

1.2 試驗裝置與儀器

圖2 為試驗裝置與儀器的實物圖。其中圖2(a)為自制淋濾試驗裝置的實物圖。裝置主要由有機玻璃柱、水箱、蠕動泵、玻璃轉子流量計、可調水量的噴水槍、若干5 L 大塑料燒杯及硅膠軟管組成。土柱為帶底座的大型土柱,由3 段高40 cm 的透明有機玻璃管拼接而成,總長120 cm,共3 套。圖2 (b)為ZJ 型應變控制式直剪儀實物圖。

圖2 試驗裝置與儀器實物圖Fig.2 Physical diagram of experimental setup and instrument

1.3 試驗方案

(1)淋濾液pH 值。遼寧省主要是硫酸型酸雨,全省降水中SO24-、NO-3、Ca2+、NH+4離子濃度較高,pH值范圍為4.65～7.72[13-14]。因此選用4 ∶1 的硫酸與硝酸混合酸,加入適量 CaCl2、Ca ( OH)2和(NH4)2SO4等試劑,用去離子水逐步稀釋配制成pH為4.5、6.2、7.8 的淋濾液。

(2)降雨強度。遼寧省2005 ～2021 年的降雨強度在21 ～212 mm/h 范圍內[15-16];依據(jù)等差數(shù)列,設置雨強為50、120、190 mm/h。

(3)降雨時長。設置淋濾時長為2、4、6 h。水箱淋濾水總量均取25 L。

具體的土柱工況布設方案見表2。

表2 試驗工況布設方案Table 2 Layout schemes of experimental column

1.4 試驗方法

先在土柱底部裝填10 cm 的卵石作為過濾層,再將制備好的不同重金屬含量的尾礦樣品按10 ～30 cm、30～50 cm、50 ～70 cm、70 ～90 cm 分層對應依次裝入土柱中。裝填完畢后蓋上柱蓋,靜置陳化1 d 后開始淋濾試驗。達到設計時間后,用透明玻璃板將柱口蓋上,靜置24 h 后,用環(huán)刀從距土柱表層深度20、40、60、80 cm 處各取2 份土樣。一份采用四酸全分解的方法消解,一份用于室內直剪試驗。其物理力學指標測定方法等依據(jù)《GB/T 50123—2019 土工試驗方法標準》執(zhí)行。試驗分級施加垂直荷載100、200、300 kPa 及400 kPa,以0.8 mm/min 速率進行直剪試驗,得到剪應力與剪切位移關系曲線圖,進而獲得各試樣的抗剪強度指標。

2 結果與討論

開展了如表2 所示的6 組18 個土柱的降雨淋濾下的重金屬垂直遷移特征試驗以及直剪試驗,對試驗結果進行整理分析。

2.1 不同降雨工況下分層污染土壤中重金屬元素的垂向遷移特征分析

2.1.1 不同降雨pH 值下重金屬遷移特征

以工況7、8、9 為例,試驗結果見圖3?？梢?Cu和Zn 變化趨勢相似:酸性降雨下土壤中Cu 和Zn 含量在0～20 cm 深度內顯著降低,而堿性淋濾下則稍有增大。因為表土的黏度高,滲透性小,能有效抑制金屬離子的向下擴散;酸性淋濾下,土壤中Cu、Zn 能被氫氧化物等吸附,使得濃度降低;而堿性淋濾下,淋濾液中Cu、Zn 等能與土壤中的有機質等形成結合態(tài)而被固定在表層。

圖3 工況7、8、9 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.3 Concentrations of heavy metals Cu,Pb,Zn in soil at different depths under working conditions 7,8,9

2.1.2 不同降雨強度下重金屬遷移特征

以工況2、5、8 為例,試驗結果見圖4?？梢?同一土柱中,Cu、Pb 和Zn 濃度隨分層深度增加逐漸減小;隨降雨強度的增大而增大。因為重金屬離子隨淋出液下滲而發(fā)生遷移,可還原土壤中的有機質,但深度越深土壤中有機質含量越少,從而被固定的重金屬量也變少。雨強的增大加快了滲濾液的下滲流出,使得離子濃度變大。

圖4 工況2、5、8 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.4 Concentrations of heavy metals Cu,Pb and Zn in soils at different depths under working conditions 2,5,8

2.1.3 不同降雨時長下重金屬遷移特征

以工況3、12、18 為例,試驗結果見圖5。可見,Cu、Pb 和Zn 濃度隨淋濾時間的增加變化規(guī)律大致相同,相比初始水平,三者都有大幅度的減少,但鉛沒有出現(xiàn)表層累積的情況。因為隨著降雨時長的增大,更深處土壤更加密實,孔隙率變低,離子運移難度加大;淋濾液下滲過程中能發(fā)生化學反應與土壤中的黏性顆粒相結合形成較大的沉淀物;會阻塞土壤顆粒之間的孔隙,降低土壤中淋濾液的有效滲流面積;且尾礦土壤經降雨淋濾后外表變得不平坦,可能會出現(xiàn)大量孔洞和硅酸鈣顆粒物,也導致重金屬含量明顯減少。

圖5 工況3、12、18 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.5 Concentrations of heavy metals Cu,Pb and Zn in soils at different depths under working conditions 3,12,18

2.2 不同降雨工況對分層尾礦土壤的抗剪強度影響分析

2.2.1 降雨pH 值對分層尾礦土壤的抗剪強度影響

以工況13、14、15 為例,工況15 SEM 照片見圖6,相應試驗結果見表3?？梢?在低倍(×500)下試驗土壤結構體較松散分布并呈現(xiàn)塊狀;隨著pH 值的增大土壤的抗剪強度總體是變小,內摩擦角逐漸變大、黏聚力逐漸變小。這是因為尾礦土壤受到酸或堿溶液淋濾后,其中的各種礦物、膠體和有機質等被溶蝕,使土體結構連接減弱,土的孔隙變大;此時尾礦樣在法向應力的作用下孔隙被壓縮,結合水膜變薄,土顆粒結合水膜之間的接觸面增大,接觸面變大時,顆粒間的距離也就變短,黏聚力也就不斷增強。堿性淋濾過程中大量Na+離子等進入結合水膜,增加了其厚度,導致土體內摩擦角隨pH 值的增大而減小。

圖6 工況15 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.6 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 15

表3 工況13、14、15 分層尾礦的抗剪強度指標Table 3 Shear strength index of layered tailings under working conditions 13,14 and 15

2.2.2 降雨強度對分層尾礦土壤的抗剪強度影響

以工況1、4、7 為例,試驗結果見表4,相應工況4 SEM 照片見圖7。可見淋濾作用能有效增大尾礦的抗剪強度;尾礦淋濾后的抗剪強度指標與降雨強度呈正相關:隨著淋濾強度的增大,尾礦的抗剪強度指標也相應提高;且在低倍(×500)下,隨著粘性土、砂粒和礫石等雜質含量的增高,顆粒表面及顆粒間隙絮狀物也增多。這是因為尾礦處于飽水狀態(tài)時,各種作用力使顆粒相互黏結靠近,尾礦變得更加密實,力學性能也變得更好;且在酸堿性淋濾下,淋濾強度的增大使得尾礦中的Fe3+、Al3+等的濃度逐漸增加,進而使尾礦顆粒孔隙間的Fe(OH)3、Al(OH)3等膠體增多逐漸沉淀固化,同樣提高了尾礦的力學性能。

圖7 工況4 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.7 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 4

表4 工況1、4、7 分層尾礦的抗剪強度指標Table 4 Shear strength index of layered tailings under working conditions 1,4 and 7

2.2.3 降雨時長對分層尾礦土壤的抗剪強度影響

以工況2、11、17 為例,工況11 SEM 照片見圖8,相應試驗結果見表5?？梢娫诘捅?×500)下,試驗土壤結構呈松散狀并逐漸有序。尾礦淋濾后的抗剪程度與降雨時長也呈正相關;但尾礦流量組的抗剪強度指標增加明顯小于時間組的強度指標。因為重金屬污染物中一部分物質變成沉淀依附于土粒表面,一部分進入尾礦孔隙中,土顆粒和黏土礦物成分與Cu、Pb和Zn 離子發(fā)生作用,阻塞了土粒間的大孔隙,使土體趨于密實,從而改變了尾礦的結構。

圖8 工況11 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.8 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 11

表5 工況2、11、17 分層尾礦的抗剪強度指標Table 5 Shear strength index of layered tailings under working conditions 2,11 and 17

2.3 重金屬污染物含量與分層尾礦土壤的抗剪強度相關性分析

綜合分析發(fā)現(xiàn),重金屬污染對廢棄尾礦的剪切強度產生了一定的影響。以工況2 為例,試驗結果如圖9。可見淋濾后尾礦的抗剪強度與重金屬污染物含量呈反比關系,即同一淋濾工況條件下,從表層到底層隨著分層土壤重金屬污染物含量的增加,抗剪強度總體變小,其黏聚力逐漸增大,內摩擦角逐漸減小。原因是隨著侵入的重金屬污染物含量不斷增加,能夠加速尾礦裂縫表面的膠體物溶蝕,進而使得尾礦顆粒之間的膠結力變低,加快了尾礦的裂隙化程度,使尾礦的完整性造成一定的破壞,導致巖石的力學性能降低。

圖9 工況2 淋濾后尾礦試樣的剪應力與剪切位移關系圖Fig.9 Relationship between shear stress and shear displacement of tailings specimens after leaching under working condition 2

3 結 論

以遼寧省遼陽縣某銅鉛鋅共生廢棄尾礦庫為背景,通過在實驗室內配制與現(xiàn)場實際分層情況相符的廢棄尾礦樣品,利用自制的大型土柱模型分層裝填,開展模擬降雨淋濾實驗,并對淋濾后的樣品進行直剪試驗。得到如下結論:

(1)在不同降雨pH 值下,土壤中重金屬Cu 和Zn 遷移呈現(xiàn)相似特征:0 ～20 cm 深度內在酸性降雨下二者含量顯著降低,而堿性淋濾下含量稍有增大。且在低倍(×500)下試驗土壤結構體較松散分布并呈現(xiàn)塊狀;隨著pH 值的增大土壤的抗剪強度總體是變小,內摩擦角逐漸變大、黏聚力逐漸變小。

(2)同一土柱中,Cu、Pb 和Zn 濃度隨分層深度增加逐漸減小;隨降雨強度的增大而增大。淋濾作用能有效增大尾礦的抗剪強度;尾礦淋濾后的抗剪強度指標與降雨強度呈正相關:隨著淋濾強度的增大,尾礦的抗剪強度指標也相應提高;且在低倍(×500)下,隨著粘性土、砂粒和礫石等雜質含量的增高,顆粒表面及顆粒間隙絮狀物也增多。

(3)分層土壤中Cu、Pb 和Zn 濃度隨淋濾時間的增加變化規(guī)律大致相同,相比初始水平,三者都有大幅度的減少,但鉛沒有出現(xiàn)表層累積的情況。在低倍(×500)下,試驗土壤結構呈松散狀并逐漸有序。尾礦淋濾后的抗剪程度與降雨時長也呈正相關;但尾礦流量組的抗剪強度指標增加明顯小于時間組的強度指標。

(4)淋濾后尾礦的抗剪強度與重金屬污染物含量呈反比關系,即同一淋濾工況條件下,從表層到底層隨著分層土壤重金屬污染物含量的增加,抗剪強度總體變小,其黏聚力逐漸增大,內摩擦角逐漸減小。綜上所述,廢棄尾礦在經過不同降雨淋濾作用后,其中的重金屬元素在尾礦土中垂向遷移呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,確實對土體的抗剪強度產生影響,且重金屬污染物含量與抗剪特性之間也具有一定相關性。研究結果對尾礦邊坡的安全管理和穩(wěn)定性評價具有一定意義,也為廢棄尾礦庫的綜合治理提供參考。