尾矿库渗漏量计算分析

2016-05-23任占兵

地下水 2016年2期

关键词：渗透系数

任占兵

(河北省武安市国土资源局，河北邯郸 056300)

尾矿库渗漏量计算分析

任占兵

(河北省武安市国土资源局，河北邯郸 056300)

[摘要]山谷型尾矿库在进行勘察时，必须要对尾矿库的越谷渗流、绕坝渗流的渗漏量进行计算评价。根据渗漏量的计算原理、计算公式，探讨公式的适用范围。结合实际的工程，利用公式解析法和二维数值模拟法，对相同区域的渗漏量进行计算，对比了两种方法计算出来渗漏量的异同，分析产生差异的原因。

[关键词]渗漏量；渗透系数；渗透距离；水头高度

近年来，随着我国矿产资源的紧缺及国家对矿山建设投入力度的增大，许多大型矿山的尾矿库规模和寿命均已满足不了矿山生产的需要，新的尾矿库勘察、设计、建设势在必行。随着国家对自然生态环境保护要求的提高，尾矿库建设造成的自然生态环境的破坏也越来越被人们重视，其中尾矿库建设造成最大的污染为地下水的污染。

在尾矿库勘察阶段，必须查明尾矿库区域的地层渗漏情况，在此基础上，通过合理的方法对尾矿库地下水的渗透路径和渗漏量进行计算评价，根据评价的结果提出合理的防治措施，尽量的避免因为尾矿库的渗漏所造成的地下水污染。

1计算理论和公式

河渠间潜水的运动是非稳定的，为了简化计算，得出一个相对接近的单宽渗漏量，有时把潜水的运动当作稳定运动来研究。

图1　潜水运动

根据Darcy定律可得河渠间任意断面潜水流的单宽流量为[1]：

(1)

式中：qx为单宽渗漏量；K为岩体渗透系数；W为单位面积上的入渗补给量；h1为相对隔水层以上的河水水头，h2为相对隔水层以上的沟渠水头；x为渗漏距离；l为河渠之间的水平距离。

当没有入渗时，潜水流的单宽流量为[1]：

(2)

这就是裘布依公式，此时，浸润线的降落曲线为二次抛物线。通过河渠间所有断面的单宽流量也相等。

计算出单宽渗漏量以后，通过宽度为B的单薄分水岭，河渠渗漏流量可按下式计算。

Q=q×B

(3)

2SEEP/W软件介绍及计算理论

SEEP/W软件是一款用于分析多孔渗水材料，如土体和岩石中的地下水渗流和超孔隙水压力消散问题的有限元软件。在SEEP/W软件中，通过渗流有限元计算，可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力，也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力进行分析。通过瞬态分析，可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力分布状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果分析，可以研究边坡、路堤稳定性与时间的关系。除了可以对传统的稳定状态饱和渗流分析之外，SEEP/W软件中的饱和/非饱和计算模型使得该软件可以对随时间变化的渗流问题和短期渗流过程进行模拟分析。

2.1SEEP/W软件基本理论

求解饱和-非饱和渗流问题，需要建立控制方程，将Darcy定律应用到非饱和渗流中，可以得到如下的渗流方程[3]：

(4)

式中：H为总水头；Q为边界流量；t为时间；kx为x方向的渗透系数；ky为y方向的渗透系数；θ为体积水容量。

在稳定流条件下，任何时刻单元水流入和流出的体积是相等的，方程的右边因此等于零。体积随容量的变化依赖于应力的变化和土的性质。

SEEP公式对应的总应力是常量，也就是说土体没有加载也没有卸载，第二个假定是孔隙空气压力在非稳定流中是常量。这意味着(σ-ua)也是常量，对体积水容量变化没有影响。因此，体积水容量变化只依赖(ua-uw)应力的变化，当ua时常量，体积水容量仅是孔隙水压力变化的函数。

2.2SEEP/W分析渗流问题的主要步骤

(1)定义问题。具体内容有：定义工程，设置工作区域大小，设置比例，设置格栅间距，画问题图形，制定分析类型类型，指定分析控制，定义一个导水率函数，定义材料特性，画有限元网格，指定结点边界条件，画出渗流区域，画坐标系，检验编译，保存并完成定义[4]。

(2)求解问题。

(3)查看结果。可查看的内容有：结点结果，单元结果，流速，流量，等势线，流线(包括浸润线)，图形输出等。

3工程实践

本文选取某山谷型尾矿库作为工程实例进行分析研究。该尾矿库区域右岸坡脊主要为(T3a)砂、页岩，由于其质软，构造破碎，风化带较厚，多呈碎裂状、碎屑状、碎块状，由泥质充填，其透水性、含水性弱，对库区运营后影响较小。而左岸山脊及右岸北侧山沟地带主要以波里拉组(T3b)灰岩为主，受风化、构造作用的影响，地表构造裂隙、风化裂隙非常发育，岩体内的溶蚀裂隙也很发育，具有地下水运移和赋存的通道。因灰岩具有极大的不均一性特点，加之受高原隆起影响，区内断裂构造发育，勘察孔控制范围所限，不排除沟谷内尚存在管道式地下水渗流。因此，当库区内尾矿砂堆积运营时，少量库区尾矿水可能沿着灰岩岩溶或裂隙向沟谷两侧外渗(主要向左侧灰岩区外渗)。下渗地下水一部分在库区沿玉龙沟向下游渗流，一部分通过地下通道沿邻谷渗流。本文选取了四条剖面计算单薄分水岭的单宽渗漏量。

图2　渗漏计算剖面位置分布图

3.1解析法求解单宽渗漏量

解析法的优点是计算简单，概念清晰；缺点是假设条件多。该地区表层为粉质粘土，碎石土和强风化灰岩层，覆盖层较薄，下层为中等风化灰岩层，当水位上升至4 400 m时，库区内渗流地层为主要为中等风化的灰岩层，计算可以简化为单一地层中的渗漏。本次分别选取四个剖面进行解析计算，各剖面计算参数如下：

表1　各剖面计算参数

利用公式3，将上表参数带入就可以得到4个剖面的单宽渗漏量，即库区各个不同方向的渗漏量，具体计算结果见表2。

表2　各个剖面单宽渗漏量计算结果

根据上表的计算结果可以看出，各断面上单宽渗漏量均较大，临谷渗漏量在每天0.13 m3左右，而沿着玉龙沟的绕坝渗流达到单宽每天5.62 m3，渗漏比较严重，必须采取可靠的防渗加固措施，减少尾矿库废水、废渣对周边及河流下游的污染影响。

3.2数值模拟法求解单宽渗漏量

通过初步的解析法分析之后，得出了较为粗略的渗漏量估算值，预计尾矿库运行之后，当尾矿库内的水头抬升到4 400 m，临谷渗流和绕坝渗流都较大，所以必须对渗漏量和渗流途径进行详细的分析计算，本文采用SEEP/W二维渗流模拟软件进行计算，模拟出当尾矿库水头抬升到4 400 m时，各断面地下水的渗流路径和单宽渗漏量。

3.3计算模型的建立

根据地质勘察资料可知：尾矿库区域地层由上到下分别为粉质粘土、碎石土、强风化灰岩、中风化灰岩、微风化灰岩。粉质粘土、碎石土、强风化灰岩覆盖较薄，主要地层为中风化灰岩层，各地层计算参数如下表所示[2]：

表3　各地层计算参数

参照工程地质剖面上的各钻孔，详细的划分出各地层的界限，绘制工程地质剖面图，根据工程地质剖面图，建立渗流计算模型(见图3)。

图3　8-8剖面临谷渗漏模型

3.4渗流路径模拟

天然状态下，尾矿库区内的地下水已经形成了天然流场，从山谷的上游高水位区域流向下游低水位区域。当随着尾矿库的建成投产，水位上升，天然流场平衡被破坏，尾矿库内的水位最终上升到4 400 m，此时，尾矿库区域内的地下水渗流路径如下图所示。

图4　27-27剖面绕坝渗漏模型

图5　8-8剖面地下水越谷渗流路径

图6　27-27剖面地下水绕坝渗流路径

由图4～图6可以看出，越谷渗流和绕坝渗流的地下水都是从高水位区域流向低水位区域，沿着中风化灰岩发育的溶洞和岩溶裂隙渗漏，渗流路径为抛物线形态。在越谷渗流时，由于玉龙沟沟底的标高低于临谷的标高，在初始堆积尾矿的时候，临谷不会出现渗漏的尾矿废水，尾矿废水沿着岩溶裂隙渗流到比玉龙沟沟底标高更低的区域，对地下水形成污染；当尾矿堆积标高和水位标高高于临谷谷底时，临谷可能会出现渗漏的尾矿废水，这取决于中风化灰岩的渗漏性和岩溶裂隙的发育情况，渗漏的尾矿废水会对临谷的生态环境和地下水造成破坏和污染。绕坝渗流是必然存在的现象，设计施工的尾矿坝坝基为透水的碎石层，尾矿库的下游肯定会形成废水污染，必须在尾矿坝的下游一定距离上建造一座集水防渗坝，收集从尾矿库内流出的废水，切断尾矿废水对下游地下水的污染，保护地下水资源。

从地下水渗流路径的模拟形态来看，渗流路径是抛物线形态，这和解析法裘布依公式计算中地表无入渗条件下，地下水渗流路径为抛物线的理论是相一致的，印证了选用裘布依公式计算尾矿库的渗漏量的准确性和计算假设条件的科学性。

3.5单宽渗漏量模拟计算

选取各剖面高度最高的断面，计算该断面上通过的渗漏量，该渗漏量即为该剖面上单宽渗漏量。通过计算，四条剖面上的单宽渗漏量如表4。

表4可以看出，模拟计算得出的单宽渗流量和解析法得出的渗流量基本相同，验证了选用裘布依公式计算的正确性。裘布依公式得出的单宽渗漏量较大，这是由于裘布依公式计算只考虑影响最大的单一的中风化灰岩层，假设地下水流在均质层中，而模拟计算时，考虑了所有地层的渗透系数和渗透性能，得出的地下水渗漏量是所有地层中的渗漏量，由于表层的粉质粘土层和下层的微风化灰岩层渗透系数均比中风化灰岩层的渗透系数小得多，所以模拟计算得出的单宽渗漏量比裘布依公式算出的单一中风化灰岩层的渗漏量小。