基于数值模拟的赤泥堆场坝体渗漏特性分析

畅秀俊 ，冯天明，李源

(1.华北有色工程勘察院有限公司，石家庄 050021； 2.河北地质大学，石家庄 050031)

基于数值模拟的赤泥堆场坝体渗漏特性分析

畅秀俊1，冯天明2，李源2

(1.华北有色工程勘察院有限公司，石家庄 050021； 2.河北地质大学，石家庄 050031)

以某拟建赤泥堆场为研究区，选取合适的模拟计算参数及边界条件，在平面应变条件下，建立流体模型，利用FLAC3D软件模拟坝体在无防渗、部分防渗、全部防渗设计条件下孔隙水压力分布、滤液渗流路径、渗漏量等，为该尾矿库的防渗设计提供技术依据。模拟结果表明：该软件能较好的模拟赤泥堆场尾矿坝渗漏情况，库区渗漏特性明显，因此为防止环境污染及保证尾矿坝的稳定性，应采用坝体和库区完全防渗措施，并应采用合适的防渗材料。此方法可为尾矿库安全防渗设计提供参考依据和指导施工。

赤泥堆场；渗漏；FLAC3D；数值模拟

1 前言

赤泥堆场是矿山工程中堆存赤泥的场所，赤泥是一种饱和固体废弃物，含有强碱性液体，对环境有强烈的污染。在岩溶区赤泥堆场工程中，如果发生岩溶渗漏现象将对环境及坝体稳定性问题都具有重要的影响，因此应对堆场及尾矿坝体的渗流特性进行重点分析，并采取必要的防渗处理措施[1-3]。

在进行渗漏分析时，应在查明库区岩土体及筑坝材料的物理力学参数的基础上，可利用物理试验及利用工程软件或数值分析对尾矿库的安全稳定性和渗透特性进行分析，其中数值分析模拟方法更能形象的对渗漏特性进行全面分析[4]，其广泛适用于水文地质条件较为复杂的渗漏现象。本次分析拟利用FLAC3D软件模拟尾矿坝渗漏时的孔隙水压力分布、滤液的流动特性等，为该工程坝体防渗处理提供技术依据。

2 赤泥堆场概况

拟建赤泥堆场位于广西省靖西县附近，四面环山，且为狭窄谷地，年平均降水量为2 100.8 mm，地形地貌变化较大，场地内岩土体主要为可溶性碳酸盐及红粘土，各类岩溶形态(溶洞、落水洞溶蚀裂隙等)丰富，且周边断裂构造较多，水文地质条件复杂，这些不良地质现象对库区的渗漏防治有严重影响。该赤泥堆场拟设计初期坝为块石重力坝，并沿初期坝上游利用符合要求的赤泥分级建子坝。

3 模型建立

在进行数值分析的过程中，考虑堆场受力的发展，先进行场地的原始应力平衡计算，运行中按照赤泥连续存入堆场，然后分别求力学平衡，最后考虑渗流平衡，得到赤泥体稳定后堆场中的滤液分布状态和渗流特性。渗透体计算符合达西定律的二维非均质各向异性土体渗流,其基本方程如式(1)。结合变动的渗流自由面边界条件,式(1)可用来求解有渗流自由面的尾矿坝无压稳定渗流。其定解边界条件如公式(2)：[4-8]

(1)

i=Δh/∑Hi

(2)

(3)

式中,n是边界的外法向；i为水力坡度；k为渗透系数。

该堆场可以看做中间高周围低的对称模型，渗流分析中将整体模型切割出一部分进行计算，并应用到整个堆场渗流分析中。模型约300 m长、8 m宽，地层向下计算深35 m，划分网格约18 000个、节点数28 000。不同防渗状况下赤泥堆场网格模型划分相同，各种不同的防渗设计状态通过调整网格模型相应的渗透特性及渗透系数实现[9-11]。岩体参数及网格模型如表1及图1所示。库区渗流场分析按照不采取防渗措施、部分采取防渗措施、库区全封闭防渗3种情况考虑，计算得到孔隙水压力分布情况和地下水渗流方向。

表1 赤泥堆场岩土体参数

图1 赤泥堆场渗流分析网格模型

4 数值模拟过程

4.1 没有防渗措施时赤泥堆场中滤液分布状态

当地层不能满足自然防渗条件时，赤泥滤液将会作为污染液体进行渗流。此模拟过程模拟不采取防渗措施情况时赤泥堆场中滤液分布状况，为了解无防护状态下污染滤液向周围环境的排放路径、方式、方向等规律，对防护方式失效时的滤液运动有借鉴意义。模拟得到纵剖面孔隙水压力分布和流体渗流方向见图2、图3。

从图中可知，赤泥堆场周围不采取防渗措施时，赤泥滤液孔隙水压力零势面为赤泥体顶面与坝外土层顶面，渗流滤液同时通过坝体与赤泥堆场内下伏土层向外部环境渗流，由于坝体与赤泥堆场内土层渗透性能不同(渗透系数不同)，滤液渗流方向以向下通过赤泥堆场内土层为主，通过坝身渗流为辅，渗流滤液在坝身中下部流出[12-13]。赤泥污染液与周围环境较通畅，赤泥滤液通过下伏地层、堆坝等进入地下粘土层、基岩层及周围环境，直接影响周围地表及地下水。

图2 未防渗时纵剖面孔隙水压力云图

图3 未防渗时滤液渗流矢量图

4.2采取部分防渗措施时赤泥堆场中滤液分布状态

这种情况是模拟赤泥尾矿坝建立后，在堆场底面设置防渗措施，而坝体不采取防渗措施，不允许赤泥中滤液通过堆场表面进入下部土层。经分析可以得到纵剖面孔隙水压力分布和流体渗流方向见图4、图5。

图4 部分防渗纵剖面孔隙水压力云图

图5 部分防渗滤液渗流矢量图

从数值模拟结果图中可以看出，当采取部分防渗措施时，孔隙水压力零势面仍然为赤泥体顶面与坝外土层顶面，在子坝上有孔隙水渗出，子坝表面存在一定的孔隙水压力。由于赤泥堆场底部采取防渗措施，底面不可透水，赤泥渗流滤液通过坝体进入堆场外部粘土层及基岩层，再通过粘土层、基岩层向外部环境渗流。因此赤泥污染性滤液主要通过坝体排入地表水及地下水系，直接污染人类活动区域。

4.3采取封闭防渗措施时赤泥堆场中滤液分布状态

考察全部采取渗滤防护措施下赤泥堆场中滤液分布状况，坝体设置防渗措施，堆场底设置防渗层，根据不同防渗措施条件下综合渗透系数不同，对赤泥滤液的防护效果也不同，分别计算两种不同的防渗效果情况下的渗流分布特征，从而选择有利于地层防护的防渗设计，达到环保、安全的目的。根据不同的防渗效果，可假定防渗层综合防渗系数为1×10-9m/s 、1×10-10m/s、1×10-11m/s三种情况，经模拟可以得到纵剖面孔隙水压力分布和流体渗流方向如图6～11。

图6 全防渗(1)纵剖面孔隙水压力云图

图7 全防渗(1)滤液渗流矢量图

图8 全防渗(2)纵剖面孔隙水压力云图

图9 全防渗(2)滤液渗流矢量图

图10 全防渗(3)纵剖面孔隙水压力云图

图11 全防渗(3)滤液渗流矢量图

在采取全封闭防渗情况下，赤泥滤液与周围地下水环境发生的交换程度与综合防渗效果有关。图7及图9当防渗层的综合防渗效果低时滤液在主要通过渗流井的同时，滤液仍有一小部分通过堆场下土层直接进入粘土层、基岩，从而对周围生态造成污染。图11当防渗层的综合防渗效果高时，滤液通过土层下渗进入周围环境的赤泥液体物质量减小，堆场外土层中地下水与赤泥体滤液不发生交换作用，赤泥中滤液仅有极少部分渗流到周围环境，对周围环境没有影响，防渗层发挥了重要作用。

从孔隙水压力云图6、图8和图10中可以发现，赤泥库坝体要承受一定的孔隙水压力，在各级子坝及子坝与主坝交接处渗流体有向外流动的趋势。同时，各级子坝内也有流体流动，需要在子坝上游采取防护措施，防止赤泥液体在子坝内渗透，增加坝体稳定性。

通过对采取全封闭措施的堆场渗流场分析可知，当采取全封闭防渗时，孔隙水压力零势面为赤泥体顶面与坝外土层顶面，赤泥中滤液以竖向运动为主，滤液通过渗流通道即滤液排放井排出，防渗层能够达到安全、环保、经济的防护目的[14-17]。

4.4 赤泥堆场渗漏量计算

不同防渗条件赤泥滤液向周围环境的排放量，取水平地面处为计算平面，将防渗层整体当作一层，根据拟建坝体高度设防渗层上部孔隙水压力取53 m，防渗层下部粘性土层顶面处孔隙水压力取为0 m，防渗层整体厚度取为1 m。渗透流量Q为：Q=k·i·A[8]，日渗流量W为：W=Q·T，渗流面积A为单位面积，渗流时间T取为24 h。

根据上面公式可得防渗层渗透系数不同时，堆场内单位面积地基土赤泥渗漏量见表2。

表2 不同综合防渗条件渗漏量

从计算可知，当防渗层渗透系数为1×10-10m/s及1×10-9m/s时，库区底面单位面积内渗入赤泥液体为0.458 l/d及4.58 l/d，将超出环境土体对污染物的稀释吸收能力，当防渗层渗透系数为1×10-11m/s时，库区底单位面积内渗入赤泥液体仅为0.045 8 l/d，含有的污染物大为降低，满足赤泥滤液渗出量允许值，为达到相应要求可采用双层复合土工膜结构，防渗结构层应覆盖赤泥堆场全底面及坝体上赤泥堆存高度，各级子坝上也应采取适当的防渗措施，并严格按照相应规范要求进行施工[18-21]。

5 结论

(1) 该赤泥堆场岩溶形态发育，渗漏点多，堆场液体外渗会对周围环境造成严重影响。根据勘察岩土体参数及边界条件，在平面应变条件下，建立流体模型，利用FLAC3D软件模拟尾矿坝渗漏特性。

(2) 数值模拟按尾矿坝在无防渗、部分防渗、全部防渗设计条件下进行，可得孔隙水压力分布、滤液渗流路径。结果显示赤泥在无防渗、部分防渗条件下赤泥明显会通过坝体排入地表及地下水系，污染周围环境；当采用全封闭防渗时，除主要通过渗流井流出外，赤泥滤液对周围环境渗漏量很小，对周围安全环境基本无影响。

(3) 按全封闭防渗层模拟时，应考虑防渗体渗透系数，当渗透系数较小时，经计算滤液渗流量较少时，能满足库区赤泥滤液渗出量允许值，可采用相关防渗层按照相应规范严格施工。

(4) FLAC3D软件能较好的模拟尾矿坝渗漏时孔隙水压力和滤液渗流分布，可为该赤泥堆场的防渗设计提供技术依据，指导矿山尾矿库防渗工程的施工。

[1] 李源，王滨，张全秀.矿山排泥库渗漏特性的地下水示踪试验研究[J].水土保持通报，2012,32(2)：96-99,104.

[2] 殷凤霞，黄德镛.FLAC软件在尾矿库稳定性分析中的应用[J].内江师范学院学报，2008,23(8):66-68.

[3] 金佳旭，梁力，陈天宇，等.尾矿坝渗流计算及排渗设计[J].金属矿山，2013,(6):155-157.

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[5] 柳厚祥，宋军，陈克军．尾矿坝二维固结稳定渗流分析[J].矿冶工程，2002，22(4):8-10,14.

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[7] 于斯滢，邵龙潭，刘士乙.基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析[J].岩土力学，2013，34(4):1185-1190.

ASTUDYONTHESEEPAGECHARACTERISTICSOFTAILINGDAMSBASEDONNUMERICALSIMULATION

CHANG Xiu-jun1, FENG Tian-ming2, LI Yuan2

(1.North China Engineering Investigution Institute Co.,Ltd,Shijiazhuang,Hebei 050021,China；2.Hebei University of Geosciences,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)

In this paper, the red mud disposal field is taken as the study area. Appropriate calculating parameters and boundary conditions were selected based on the survey data to build a fluid model under the plane-strain condition. FLAC3Dsoftware was adopted to simulate the distribution of pore water pressure, filtrate seepage paths, and leakage of the dam body under conditions with no anti-seepage design, with partial anti-seepage design and with full anti-seepage design respectively, which provided a technical base for the anti-seepage design of this tailing reservoir. The results showed that the reservoir area displayed obvious leakage characteristics, so full anti-seepage measures and appropriate seepage-proofing materials should be employed to deal with the dam body and the reservoir area to prevent environmental pollution and guarantee the stability of the tailing dams. The method not also can provide the technical reference for the evaluation of anti-seepage works , but also gives important guidance for the anti-seepage works.

tailing dams；leakage；FLAC3D；numerical Simulation

1006-4362(2017)03-0062-05

2017-04-12改回日期2017-07-14

河北省教育厅科技发展计划项目(ZC2016131)

P642.5

A

畅秀俊(1980- )，女，本科，环境工程专业，主要从事工程地质及环境地质方面的研究工作。E-mail:chang517@163.com