（安全技术及工程专业论文）尾矿坝渗流场分析及其水土交互作用机理研究.pdf

a 。；s s e r t a t i 。n ；ns a f e 。y1 色c h n 。g ya n de n g ；n e e r i n g 7 笔| | ! 缪辔渤 a l i l a l y s i so fs e e p a g ef i e l da n d r e s e a r c ho ft h e p r i n c i p l eo f w a t e r - s o i li n t e r a c t i o ni nr i a i l i n gd a m b ym ac h i x i a n g s u p e r v i s o r ：v j c e - p r o q i nh u a l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u i y2 0 0 8 ，；-1 独创性声明 ： 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 1 r的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 ， 己的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 j 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：马犯看 日 期：纱罗年多月扣目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： & 半年口 一年影 一年半口 两年口。、 】| 学位论文作者签名：马他看 导师签名：勃础 签字日期：肋睛易同扣日签字日期：刃谚多弓o ：t ，d d ，l j 气 【 0 l l 东北大学硕士学位论文 摘要 尾矿坝渗流场分析及其水土交互作用机理研究 摘要 我国是矿业大国，冶金、有色、化工、核工业、建材和轻工业等行业的矿山都 有尾矿设施。尾矿坝是其中最主要的组成部分，尾矿坝的安全问题直接关系到环境 和人类的安全。渗流是影响尾矿坝安全性的重要因素，因此，更精确的尾矿坝渗流 场模拟，更准确的致灾机理模型，具有重要的理论和实践意义。 尾矿坝中的渗流问题是复杂的饱和一非饱和非稳定流固耦合渗流问题，文中推 导了尾矿坝中饱和一非饱和渗流微分方程、控制方程及定解条件，阐述了边界条件 类型与选择，并探讨了模型计算中有关参数的获取方法。 尾矿是由固、液( 水) 、气三相组成的复杂多孔介质，各相的状态及其相互作用 对尾矿的物化性质及土体强度都有重要影响，其中最主要的作用发生在水一土之 间。水土交互作用与尾矿坝渗流场密不可分，本文基于尾矿的多孔介质特性，主要 研究了尾矿坝渗流场内的水土交互作用，将水土作用理论应用于尾矿坝的渗流场分 析，并概括为水土化学作用、水土物理作用、渗流作用及化学、物理一渗流耦合作 用四方面，综合归纳分析了各自的作用类型、特点及主控因素。在尾矿坝稳定性分 析方面，首次尝试从微观机理分析入手，并考虑了化学场的影响，根据化学动力学 及相关试验，提出了化学作用对尾矿坝工程有重要影响。 和尚峪尾矿坝是一个典型的上游式堆筑坝，本文收集整理了和尚峪尾矿坝的地 形、地质及水文资料，各堆积层的渗透系数、容重、粘聚力、摩擦角、孔隙比等基 本物理力学参数，提出了水土交互作用下的尾矿土吸力( 包括基质吸力和渗透吸力) 的变化问题，在此基础上，利用传统的土一水特征曲线，结合工程实际资料，建立 了考虑水土交互作用影响的渗透系数函数模型，并利用此模型运用p h a s e 岩土工程 有限元软件进行了尾矿坝渗流场模拟。 本文在渗流场中水土的交互作用机理方面进行了有益的尝试，为渗流场中尾矿 颗粒的微观作用机理提供了参考，为尾矿坝的致灾机理研究提供了新的思路。尾矿 坝渗流场内水土交互作用机理，对完善尾矿坝工程的结构安全性与环境稳定性耦合 分析具有重要的参考价值，对改进尾矿坝设计和灾害治理也具有重要的理论意义和 实用价值。 关键词：尾矿坝；多孔介质；饱和一非饱和渗流；水土交互作用；渗流模拟 i i 。一 一 一 、一 二 一 - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a 皿a i y s i so fs e e p a g ef i e l da n d r e s e a r c ho ft h ep n n c i p l eo fw a t e r i - s o i l i n t e r a c t i o ni nt a i l i n gd a m a bs t r a c t o u rc o u n t r yi st h a tg r e a tp o w e ro fm i n i n gi n d u s t r y ，t h ei n d u s t r ym i n es u c ha st h e m e t a l l u r g yi n d u s t r y ，n o n f e r r o u sm e t a l si n d u s t r y ，c h e m i c a l i n d u s t r y ，n u c l e a ri n d u s t r y ， b u i l d i n gm a t e r i a la n dl i g h ti n d u s t r ya l lh a st a i l sf a c i l i t i e s t h e r e i n t o ，t h et a i l i n gd a m i st h em o s ti m p o r t a n tp a r t ，w h o s es a f c t yi sr e l a t e dt 0t h ee n v i r o n m e n ta n dh u m a n b e i n g ss a f e t yd i r e c t l y s e e p a g ep l a ya ni m p o r t a n tf o l ei nt h es a f e t yo ft h et a i l i n gd a m ， t h u s ，t h em o r ep r e c i s ec o m p u t a t i o n0 fs e e p a g ef i e l da n dt h em o r ea c c u r a t em o d e l0 f d i s a s t e r - c a u s i n gm e c h a n i s mi nt a i l i n g sd a mh a v ci m p o n a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h ea n a l y s i so ft h es e e p a g ei nt a i l i n g sd 锄i sac o m p l i c a t e ds a t u r a t e d u n s a t u r a t e d q u e s t i o no fc o u p l i n gs e e p a g e c o n s o l i d a t i o n t h ea r t i c l e d e d u c e ss a t u r a t e d u n s a t u r a t e d s e e p a g ed i f ! i e r e n t i a le q u a t i o n ，c o n t r o le q u a t i o na n dd e f i n i t ec o n d i t i o n si nt a i l i n g sd a m ， a n de x p l a i n st h et y p e so fb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h es e l e c t i o nm e t h o d ，a n dd i s c u s s e s t h ea c q u i s i t i o n0 fr e l a t e dp a r 锄e t e r si nm o d e lc a l c u l a t i o n 1 a i l i n gi sc o m p l i c a t e dp o r o u sm a t e r i a lm a d eu po ft h r c ep h a s e s ，s o l i d ，1 i q u i d ( w a t e r ) ， a n dg a s ，w h o s es t a t e sa n di n t e r a c t i o n sh a v ei m p o n 加t 砌u c n c e s t h ep h y s i c o c h e m i 翻 p r o p e n i e s 趾ds t r e n g t h s0 ft h et a i h n g a m o n gt h 锄，t h eu p p e m o s ti n t 啪嘶o n h a p p e n s b e t 、) l r e 即w a t e r 距ds o l i d w a t e r - s 0 l i di i l t e 删i o n 觚dd 锄s e e p a g ef i e l da r ei n s e p a r a b l e o n t h eb a s i s0 ft h ec h a r a c t e r i s t i c0 fp o r o u sm a t e r i a l s ，t h ep a p e rs t u d i e st h ew a t e r - s o i l i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et a i l i n gp a r t i c l e s ，a n di n 仃d d u d n gt l l e t h c o r y0 fw a t e r s o i l i n t e r a c t i o ni n t 0t h et a i l i n gd a ms e e p a g ea n a l y s i s ，t h ei n t e r a c t i o ni sc l a s s 赶i e di n t of o u r t y p e s ，w a t e r s o i lp h y s i c a li n t e r a c t i o n ，w a t e r - s o i lc h e m i c a li n t e r a c t i o n ，s e e p a g ea c t i o n ， a n dt h em o d a l s0 fp h y s i c a l ，c h e m i c a la n ds e e p a g ec o u p l i n ga c t i o n ，t h e ni n t r o d u c e st l l e t y p e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ec o n t r o lf a c t o r s0 ft h e i rr e s p e c t i v ea c t i o n a sf o r t h ed a m s t a b i l i t y ，f i r s ta t t e m p t i n gt 0s t a r to f ff r o mm i c r om e c h a n i s m ， a n dc o n s i d e r i n gt h e e f f e c t0 fc h e m i c a lf i e l d s ，p r o p o s e st h em e c h a n i s m0 fc h e m i c a l i n t e r a c t i o n0 nt h eb a s i s o fc h e m i c a lk i n e t i c sa n dr e l e v a n te x p e r i m e n t s h e s h a n g y ut a i l i n gd a mi sat y p i c a lu p s t r e a md a m ，t h ea u t h o rc o l l e c t st h er e l e v a n t d a t a o ft e r r a i n ， g e o l o g ya n dh y d r o l o g y t h er e l e v a n t p a r a m e t e r s0 fp e m e a b i l i t y c o e f j e i c i e n t ，b u l kd e n s i t y ；c o h e s i o n ， f r i c t i o n a n g e l ， v 0 i d r a t i oa n ds 00 n ，a n dt h e n p r o p o s e st h ep r o b l e m0 ft a i l i n gs u c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fw a t e r s o i li n t e r a c t i o n c o u p l i n gt h ee f f e c to fi n t e r a c t i o ni n t ot h et a i l i n gs u c t i o n ，a p p l y i n gt h er e p r e s e n t a t i v e s o i l w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ( s w c c ) ，t h ep e 皿e a b i l i t yc o e 蹦c i e n tf u n c t i o nu n d e r i i i ：v?：， ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r - s o i li n t e r a c t i o ni se s t a b l i s h e db a s e do nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a ld a t a a p p l y i n gt h e f h n c t i o nm o d a l ，t h es e e p a g ef i e l ds i m u l a t i o ni sm a d eb yt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ej 口s e b e n e f i c i a ld i s c u s s i o n so nt h ea s p e c t0 fw a t e r - s o i li n t e r a c t i o ni nt h es e e p a g ef i e l d g i v e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c c 蕾0 rt h em i c r oe f ! i b c tm e c h 蠲i s mo ft h et a i l i n gp a n i c l e s ，a n d p f o v i d ean e w 缸a i no f 也o u g h to nd i s 硒t e 卜c a u s i n gm e c h a l l i s mo ft h e 蛐gd a m i nc h i n a ， t h er e l e v a n ts t u d yi si ni t sf i r s ts t a g e ，t h es y s t e m i cr e s e a r c hi s0 fg r e a tr e f e r e n c ev a l u et o t h ep e r f e c tc o u p l i n ga n a l y s i so fs t m c t u r es a f e t ya n de n v i r o n m e n ts t a b i l i t yi nt a i l i n gd a m e n g i n e e r i n g ，a n di so f 铲e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f ：i c 孤c e 强dp r a c t i c a lv a l u et od e v e l o p m e n t 0 fd 锄d e s i g n 柚dh 配a r dc o n t r 0 1 k e y w o r d ： t a i l i n gd a m ，p o r o u sm a t e r i a l ， s a t u r a t e d - u n s a t u r a t e d s e e p a g e ，w a t e r - s o l i d i n t e r a c t i o n ，s e e p a g es i m u l a t i o n i v _ ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 研究目的和意义1 1 2 尾矿库系统安全与环境问题研究3 1 3 饱和一非饱和渗流研究5 1 4 水土交互作用研究现状8 1 5 主要研究内容及研究方法。9 1 5 1 主要研究内容9 1 5 2 研究方法。1 0 第二章多孔介质及尾矿坝渗流基本理论1 1 2 1 多孔介质1 1 2 1 1 多孔介质的涵义。1 1 2 1 2 多孔介质的基本物理性质1 1 2 1 3 多孔介质中的应力。1 6 2 2 渗流基本理论1 8 2 2 1 渗流基本模型以及表征单元体1 8 2 2 2 渗流分析中有关参数及其获取方法1 9 2 3 饱和一非饱和渗流基本理论和微分方程2 1 2 3 1 饱和一非饱和渗流的运动方程达西定律2 2 2 3 2 饱和一非饱和基本微分方程2 3 2 4 本章小结2 7 第三章渗流条件下水土交互作用机理2 9 3 1 概述2 9 3 2 土体结构及土中水分运动基本理论3 0 3 2 1 土体结构类型划分3 0 3 2 2 土中水的形态及土壤水势3 2 3 3 水土化学作用3 4 3 3 1 水土化学作用机理3 4 3 3 2 水土化学作用主控因素。3 9 3 3 3 尾矿坝水土化学作用的实例4 1 3 4 水土物理作用4 2 东北大学硕士学位论文目录 3 4 1 水土物理作用机理4 2 3 4 2 含水量( 饱和度) 与土体物理力学性质的关系4 2 3 4 3 物理场变异对尾矿结构的影响。4 5 3 5 渗流力学作用。4 6 3 5 1 入渗动静水压力作用4 7 3 5 2 不同渗流条件下土体抗剪强度变化分析4 7 3 5 3 坡内渗透作用形式与破坏条件分析4 9 3 5 4 坡面渗透破坏作用条件分析5 0 3 6 水土物理、化学渗流耦合作用。5 1 3 7 本章小结。5 3 第四章尾矿坝工程特点及其渗流模拟。5 5 4 1 尾矿坝工程特点5 5 4 1 1 概述。：5 5 4 1 2 尾矿坝的堆积特点5 5 4 1 3 尾矿坝的事故类型5 7 4 1 4 尾矿坝的渗流固结中的有关问题5 7 4 1 5 影响尾矿坝渗流水头的因素5 9 4 2 首云铁矿和尚峪尾矿工程概况5 9 4 2 1 尾矿库概述5 9 4 2 2 沉积尾矿特性分析6 0 4 2 3 尾矿的变形特性6 3 4 3 渗流计算参数确定及模型计算o 6 4 4 4 和尚峪尾矿库东坝渗流场模拟结果6 6 4 4 1 利用计算模型的渗流场模拟结果6 7 4 4 2f - x 模型与本文模型结果对比分析。7 1 4 5d 、结7 1 第五章结论与展望7 3 5 1 结论。7 3 5 2 展望7 4 参考文献。7 5 致谢。8 1 ， ， 、- t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁y 匕 矿业开发是人类生存和社会发展活动中一个非常重要的组成部分，世界9 0 的工业品和1 7 的消费品是用矿物原料生产的；目前我国9 5 的能源和8 5 的原 材料依赖于矿产资源，因此，矿业开发是人类社会发展不可缺少的活动【1 1 。在矿 业开发活动中，人们在获得有价值的矿产品的同时也产生了大量的废渣，无论从 环境保护还是资源利用出发，这些废渣都需要妥善处理。目前绝大部分都送往指 定地点进行堆存，为堆存这些废渣而建造的构筑物系统，即为尾矿库。 像其他各项水利工程一样，尾矿库工程涉及到土体( 主要是尾矿堆积坝) 稳定性 问题。众所周知，水对水利工程的破坏作用是非常显著的。一般来说有地表水和 地下水两种破坏作用，地表水的冲刷破坏常会引人注意，也比较容易发现和挽救； 而地下水的渗流冲蚀目不能见，常被忽视，有时问题一经发现，会立即导致工程 的破坏，很难补救【2 1 。尤其是尾矿坝坝体本身具有透水性，渗流问题就更为严重， 因此尾矿坝受到地下水渗流冲蚀破坏问题值得研究。 尾矿坝的渗流主要发生在水与土之间，并对水土作用有重要影响；同时水土 交互作用导致尾矿工程特性发生变化，进而影响其渗流场，并最终影响其安全稳 定性。基于尾矿坝的渗流场与水土交互作用的关系，从宏观和微观两方面探讨渗 流场内水土交互作用机理对研究尾矿坝工程具有重要意义。 尾矿坝作为矿山的重要组成部分，其安全稳定问题直接关系到环境和人类的 安全。因此，更精确的尾矿坝渗流场模拟，更准确的致灾机理模型，具有重要的 理论和实践意义。 1 1 研究目的和意义 尾矿库是一种特殊的工业建筑物，它是矿山三大控制性工程之一，它的运营 好坏，不仅影响到一个矿山企业的经济效益；而且与库区下游居民的生命财产及 周边环境息息相关1 3 。4 1 。尾矿坝是由矿山尾矿堆积而成的一种坝体，从材料上看， 它属于土石坝的范畴。尾矿堆积坝是否稳定，直接涉及尾矿库能否正常使用。国 内外矿山中，由于尾矿坝工程失效，造成严重危害的实例屡见不鲜，损失非常惨 重，教训也非常深刻1 5 引。例如2 0 0 年1 月3 0 日，罗马尼亚乌鲁儿金矿尾矿坝发 生泄漏，1 0 多万升含有氢化物、铜、铅等的污水流入多瑙河直流蒂萨河，污水流 经之处，生物暴毙，损失惨重，影响非常恶劣。再如2 0 0 0 年1 0 月1 8 日发生在广 西南丹县鸿图选矿场尾矿库垮坝事故，造成数十人死亡；直接经济损失达3 4 0 万 元l _ 川。为此，国家在过去尾矿库相关规程规范等法规的基础上，于2 0 0 0 年1 1 月6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 日又专门颁布了尾矿库安全管理规定( 第2 0 号令) ，以督促全国矿山尾矿库的 建设与管理。 尾矿坝是尾矿经水力充填沉积、逐年加高形成的。作为一种特殊的水工结构， 由于尾矿放矿水的影响，坝体内各填筑材料的沉积时间相差较大，各部位的密实 度、固结度、应力场及渗流场变化较大，这就使得尾矿坝的渗透稳定分析具有科 学研究的必要性和意义。 目前，尾矿工程中与渗流有关的问题很多。初期土石坝与后期堆积坝的管涌、 流土现象，过大的集中流量和流速对坝基和坝体的冲刷破坏，过高的坝基孔隙水 压力对坝体和坝基稳定性的影响，水位骤降、骤升对初期土石坝与堆积坝渗流场 的影响导致局部区域坡降过大，产生的顺坡向的渗流对坝体的渗透稳定的威胁， 以及蒸发和降雨入渗对边坡稳定性的影响等。尾矿库最严重的事故就是渗流对坝 体的侵蚀破坏并恶化所造成的灾难；渗流危害主要体现为坝坡、坝基、坝肩渗水、 流土、坝面的沼泽化等；如果不采取正确处理措施，严重的则会引起坝体垮塌、 尾矿库崩溃事故【引。 在尾矿坝工程中，水起着重要作用，在尾矿液的不断排入过程中，一方面重 塑了土体表部的特征，另一方面也对土体施加各种荷载，地下水的化学、动力、 物理和生物场造成持续扰动。相应的，地下水在渗流运动过程中，对土体会产生 四种作用，即：物理作用( 包括润滑，软化和泥化作用，结合水的强化作用) ，化学 作用( 包括离子交换，溶解，水化，水解，溶蚀，氧化还原，沉淀作用) ，力学作用 ( 包括渗透、渗流，孔隙静水压力和动水压力及托浮力、冻胀力作用，非饱和土中 还存在一种基质吸力) 和生物作用( 生物吸收，转化，清除，降解及与化学组分的反 应) 。水体与土体相互作用直接表现在：一是水体与土体要素间发生能量转移；二 是土体的力平衡被打破；三是水体的化学组份产生变化。 水土作用在改变水体的物理、力学性质和化学组分的同时，也改变土体的物 理、生物、化学及力学性质，其必然导致土体微细观结构性质的改变，进而改变 土体的宏观物理力学性质，最终影响土体的变形性能和强度【9 1 。 综上所述，渗流对尾矿坝的安全稳定运行有重要影响，渗流破坏对尾矿工程 的危害之大，不得不引起关注。而对于尾矿这种多孔介质，水土作用机理在渗流 分析中有重要角色，在研究尾矿坝渗流破坏及渗流稳定中，探讨水土作用机理是 非常必要的。 对渗流的研究分析，目前大量采用的是有限元数值模拟，在进行渗流场的计 算时，注意力主要集中在饱和区域的地下水流运动，而对非饱和区域水体渗流的 研究的相对较少。实际上，在尾矿工程中，非饱和区域水分的渗流在计算中也起 着重要作用。尾矿堆积坝的材料为选矿后的尾矿，这些尾矿属于土力学中典型的 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 三相材料：骨相一矿物颗粒和有机质等；液相一水( 液) ；气相一空气。尾矿颗粒构 成土的骨架，空气与水填充骨架间的孔隙，人们往往称之为“多孔介质 【1 0 】。非 饱和区域介质的物理力学特性和指标会随着区域土体的饱和度等发生变化，仅仅 考虑饱和区域的渗流就不能正确反映非饱和区的渗流情况和整体区域的渗流情 况，产生的结果不合理，也不全面。 传统的渗流理论在诸如尾矿坝等复杂工程的渗流分析中，已经不能准确地对 其渗流场进行分析，其结果自然有所失真。所以本文针对尾矿的多孔介质特性， 结合了水土作用机理综合考虑，对其渗流场进行饱和一非饱和渗流研究分析，以 期为此类工程相关研究提供借鉴。 1 2 尾矿库系统安全与环境问题研究 作为堆存尾矿的重要设施，尾矿库的稳定与安全运行不仅关系到采矿企业自 身正常运作，更直接关系到下游人民生命财产和库区周围地区的生态环境质量。 历史上，由于尾矿库发生事故曾经造成了巨大的损失。 长期以来，尾矿坝稳定性分析基本都是应用土力学边坡稳定性分析的传统方 法，近年来，研究人员开始应用渗流理论研究尾矿坝稳定性问题，这也为渗流条 件下的水土作用机理的深入研究奠定了良好的基础。 在尾矿坝渗流的研究方面，国内科研人员研究相对较多。如尹光志等( 2 0 0 3 ) 【1 1 】 将初期坝分为透水和堵塞两种情况，干滩面长度分三种情况，并考虑大气降雨对 尾矿坝渗流场的影响，利用2 d f l o w 计算软件获得了龙都尾矿库在不同条件下 渗流的变化规律。柳厚祥等( 2 0 0 4 ) 1 1 2 l 考虑了尾矿坝形成的特点，根据弹性力学和 渗流理论提出了耦合问题的力学模型及其控制微分方程，导出了尾矿坝渗透系数 和应力场的关系式，并进行了尾矿坝的非稳定渗流分析。段蔚平等( 2 0 0 4 ) 【1 3 】通过 对几个典型矿山实际资料的分析总结，基于尾矿沉积物土工技术的经验参数，建 立了适用于尾矿坝非饱和带的滞水曲线数学模型，提出了上游式尾矿坝适用的简 化公式并进行模拟分析验证。 随着对尾矿坝稳定安全性的深入研究，地震响应、液化问题等也逐渐成为研 究的热点。f o u r i e 等( 2 0 0 1 ) 1 4 j 通过对1 9 9 4 年m e r r i s p r u i t 尾矿坝溃坝事故进行研究 发现，大量尾矿物质处于亚稳定状态，引起尾矿物质的静态液化，同时由于尾矿 坝上部水的积存影响，最终导致溃坝事故。 除了以上热点研究方向，国外对尾矿坝侵蚀模拟研究也逐步开展。如h a n c o c k 和w i l l 9 0 0 s e ( 2 0 0 4 ) 1 5j 通过试验地形模拟器构建了一个尾矿坝类似体，采用降雨模 拟器造成坡面漫流和对人工土壤的侵蚀效果，对回填覆土式尾矿坝墙的侵蚀效果 进行了检测。采用侵蚀模型s i b e r i a 模拟试验坝墙的侵蚀及其后续发展，并通过 - 3 一东北大学硕士学位论文 第一章绪论 简单的一维水渠验证了模拟结果。酿池 z 等( 2 0 0 5 ) f 1 6 】采用电阻率测量技术，探测 了瑞典西部e n e m o s s e n 尾矿坝内部侵蚀过程和不规则渗流。7 作为尾矿坝重要研究内容之一，尾矿坝的安全性、稳定性及其相关问题仍是 目前和以后的研究热点，尤其是运用渗流相关理论研究尾矿坝稳定性问题正逐渐 。 成为研究方向。 此外，尾矿库环境问题与尾矿库的稳定安全一样，也是目前各国研究人员对尾 矿坝工程的主要研究内容。从研究深度与广度的角度看，国外科研人员更多地将 注意力集中在尾矿库运行期间或发生事故后引起的相关环境问题上，近年来，我 ， 国研究人员也对此类问题开始关注。 尾矿坝发生安全事故，尤其是溃坝事故，除了造成人民生命财产的巨大损失 外，对周围生态环境的影响更加不可忽视。因此，尾矿坝溃坝事故引发的环境问 题也是尾矿坝研究的热点。 以较有代表性的1 9 9 8 年4 月西班牙a 孤a l c 6 n a r 尾矿坝溃坝事故为例，因其释 放了约5 0 0 万立方米的有毒物质，影响了沿a g r i o 和g u a d i a m a r 河岸4 0 0 0 多公顷 地区，近年来广受关注。如g a l l a n 等( 1 9 9 9 ) 【1 7 】调查了溃坝事故影响的g u a d i a m a r 河的地质与地形特征，以及因溃坝泄漏的尾矿物质和随后进行的修复工程引起的 河流地形动态改变：m a n z a n o 等( 1 9 9 9 ) 【1 8 】调查了溃坝事故影响区域含水层的地形 特征、地下水的化学特征以及事故引起的地下水污染，并对未来地下水性质变化 进行了预测；f c m 缸d e z 等( 2 0 0 5 ) 【1 9 】在尾矿坝溃坝一周后采集地表水样和地下水样 分析金属、痕量元素和铅同位素，采用铅同位素研究地表水和地下水污染。此外， 很多研究人员通过采集土壤样、河流沉淀样、地表水样、地下水样、植物样、动 物样等各类样品，分析重金属等各类污染物质含量，研究了该溃坝事故产生的环 境污染【2 0 2 列，还有一些研究人员则开展室内试验研究此次溃坝事故引起的环境污 染【2 3 ，2 4 1 。还有学者设置采样点处采集沉淀样及水样，采用x 射线荧光法和电子探 针x 射线微量分析法辨识河流沉淀物中人为源颗粒和地壳侵蚀颗粒，分析来源于 尾矿物质的单颗粒中重金属的组成、分布和形态【2 5 1 。 ， 另外，世界其他国家尾矿坝溃坝事故引起的环境问题也广受关注。如2 0 0 0 年 ， 1 月和3 月位于罗马尼亚北部m a r a n u r e s 郡t i s a 流域上游的尾矿坝溃坝事故。 除了溃坝事故引起的灾难性的生态环境污染外，尾矿坝在平时运行中也不断 对周围环境产生污染风险。很多研究人员对尾矿坝进行了监测、模拟等研究。在 欧洲，d ig r e g o r i o 和m a s s o l i n o v e l l i ( 1 9 9 2 ) 【2 6 】对意大利s a r d i n i a 地区的仍在使用 和已经废弃的尾矿坝进行调查，分析了土壤和水中重金属含量。 l i n d s a y 等( 2 0 0 4 ) 2 7j 使用m e d u s a y 射线探测系统研究了南非w i t w a t e r a n d 金 矿富含铀的尾矿坝矿渣氧的扩散现象；c u k r 6 w s k a 等( 2 0 0 4 ) 【2 8 l 采用柱试验模拟和评 4 ， ， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 价了该金矿尾矿坝重金属的迁移规律。s c h i p p e r s 等( 2 0 0 7 ) 【2 9 】研究了靠近博茨瓦纳 s e l e b i p h i k w e 地区的尾矿坝产生的酸性废水。在亚洲，s h a 珊a 和a 1 b u s a i d i ( 2 0 0 1 ) 【3 0 】调查了阿曼苏丹国某矿业公司在s o h a f 地区铜矿开采和冶炼工程中使用 、 的无衬砌尾矿坝造成的地下水污染状况，并对地下水污染的来源、发展、当前状 态和修复进行了研究。我国众多研究者也对尾矿坝污染地区的大气、土壤、水、 、 植被、微生物等进行了一系列的调查与研究【3 卜3 7 1 。近年来，铀矿尾矿坝核素在地 下水中迁移的模拟研究也成为我国科研人员的研究重点f 3 8 。3 9 】。 除了对尾矿坝污染的监测、模拟等研究工作以外，尾矿坝的修复也是目前研 究人员十分关注的研究内容。 在尾矿库工程的研究中，坝体安全与环境是问题始终是其研究重点，我国在 近年来也逐渐开始环境污染和环境保护的相关研究，这充分说明了人类在进入新 的历史发展时期后，对自身安全、环境保护的重视。所以，将结构安全与环境稳 定结合起，从基础理论与工程实践两方面入手进行研究，以确保尾矿坝安全，并 使其与环境更好的协调、统一，最终实现尾矿库系统的整体最优化。 1 3 饱和一非饱和渗流研究 渗流是指含空隙( 孔隙、裂隙等) 介质中流体( 液体、气体) 通过空隙的流动【4 0 1 。 凡是有渗流就有渗透力或称为动水压力。土工建筑物及地基在渗透力的作用下出 现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。 渗流理论的发展是和地下水水力学的发展密切相关的。对渗流本质的研究始 于1 8 5 6 年法国工程师d a r c y 提出著名的d a r c y 渗流定律。d a r c y 定律的形式为： ，。脚 ( 1 1 ) 渗透系数k 具有流速的单位。运用因次分析原理可求得它是孔隙大小或粒径 d 、水的动力粘滞系数和水的容重的函数，即【4 1 】： 、 k 。血 ( 1 2 ) k t 二= - 二 f 1 2 1 肛 常数c 是一个性质系数，决定于土的层次结构、颗粒的形状与排列和大小级 配以及孔隙率等因素的影响。式中以2 标志着多孔介质的特性，而与流体特性生无 弘 ， 关，通常称为介质的固有渗透率，是一个表征岩土体渗透性能的常数。 与d a r c y 同时期的d u p u i t ，以达西定律为基础推导出了地下水单向及平面径 向稳定流公式，如式1 3 和式1 4 所示： ；风一j l 。兰l i l 堡 ( 1 3 ) 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 q 1 2 7 3 等+ ( 1 4 ) 、l g 兰 九 d u p u i t 公式1 4 2 】的出现对地下水水力学的发展起过重要的作用。但是随着地下。 水开发规模的扩大，稳定流理论已无法解决生产实践的需要。1 9 3 5 年美国学者泰 斯( t h e i s ) 提出了实用的地下水径向非稳定流公式，即所谓的t h e i s 公式。泰斯公式 - 出现以后五年，雅各布建立了地下水运动的基本微分方程。随后地下水非稳定流 量 理论蓬勃发展起来。 渗流理论发展中遇到的另一个重大问题是饱和流与非饱和流问题，达西定律 最初来源于简单的饱和渗流。b u c k i n g h a m ( 1 9 0 7 ) ，r i h a r d ( 1 9 3 1 ) ，c h i l d s 和 c o l l i s g e o r g e ( 1 9 5 0 ) 都证明达西定律也适用于非饱和土中水的流动【4 3 1 。但是，与 饱和流不同的是非饱和土中的渗透系数一般不能假定为常数，而是非饱和土含水 量或基质吸力的函数： 瓦- 瓦( 占)( 1 5 ) k - 瓦( 以一)( 1 6 ) 式中：k 一水相的渗透系数： 秒一含水率； 心一孔隙气压力； 心一孔隙水压力。 同时，孔隙水压力的压力表读数对饱和土_ 般为正值，而对非饱和土一般为 负值。除此之外，流动偏微分方程的推导对两者是相同的，而且饱和土和非饱和 土的应力状态都可以由两个状态变量p 一心) 和( 心一心) 来描述f 4 4 4 s 1 。r i c h a r d s 于 1 9 3 5 年扩展了达西定律的应用范围，用以描述非饱和土中水的运动规律，即非饱 和土中的水流通量与土水势梯度成正比，比例系数称为导水率，类似于渗透系数， 称为广义达西定律： 1 ，。一k ( 口) 掣( 1 7 ) 、 0 冤 式中：业一土的水力梯度。 呶 国外从上世纪7 0 年代开始考虑非饱和区域的流动，即把饱和区和非饱和区耦 合在一起进行整体分析【4 6 1 。压力水头在饱和区为正，在非饱和区为负，零压力面 就是自由水面，即饱和区与非饱和区的分界面。由于计算区域内不再有自由水面 边界，使得计算简化。 。 1 9 6 2 年，m i l l e r 提出非饱和介质的渗透系数是含水量或压力水头的函数【4 7 1 ， 这就为达西定律应用于非饱和区提供了理论基础。此后，国内外的学者致力于综 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论+ 合考虑饱和一非饱和渗流的有限元方法。多孔介质中以自由面为分界的饱和一非 饱和渗流整体计算是一个较难计算的问题，主要难点在于控制方程本身的非线性 以及非饱和渗流系数的高阶非线性。 研究表明，在饱和与非饱和区之间有连续的水流，如下图所示1 4 8 4 9 】： 图1 1 饱和区和非饱和区之间的连续水流 f i g 1 1t h ec o n t i n u o u sn o w i ns a t u r a t e da n du n s a t u r a t e dr e g i o n 1 9 7 3 年，n e u m a n 首先提出了用有限元求解土坝饱和一非饱和渗流的数值方 法1 5 0 】，a k a i 于1 9 7 9 年提出了三维饱和一非饱和渗流的有限元方法1 5 1 1 ，l a m 和 f r e d l u n d 对