化學作用下尾礦土柱流——固耦合模型計算結果分析

鄭訓臻

（長春建筑學院土木工程學院，吉林 長春 130607）

1 概述

尾礦壩的構筑材料一般是具有多孔介質性質的砂體，部分的孔隙空間被溶液和空氣所占據，考慮到酸雨和尾礦放水的影響，其中溶液會在重力作用下發生滲流，在滲流的過程中極易產生壩體變形，可以看出壩體處于獨特的水化學環境中。陳章友、梅海峰等人對尾礦壩固結滲流的數學模型和求解方面做了比較深入的研究，并利用土力學原理等理論對尾礦壩二維固結滲流模型進行論證。研究尾礦壩周圍環境的藍崇鈺等學者們運用動態淋溶實驗驗證其環境（包括水和土壤等）中離子溶出這一現象的存在，其中重金屬離子溶出現象也較為明顯。為了將化學溶液對尾礦土柱變形的影響更直觀體現出來，在以往研究的基礎上，本文計算了考慮化學因素時尾礦土柱在不同大小外載作用下的變形隨時間變化的曲線。

2 數值計算結果

運用有限差分方法對一維數學模型的離散處理以及結合給定的初始條件和邊界條件，在Matlab平臺上的編程求解，得出了在向下外載荷大小為50 kPa、100 kPa、200 kPa、800 kPa的作用下，高度為60 cm尾礦土柱試件沿高度方向在三種溶液中的變形隨時間變化的曲線。

3 結果分析

圖1 在50kPa下試件的變形

圖2 在100kPa下試件的變形

從以上各圖中可以看出：尾礦土柱的變形量是隨著時間不斷變化的。隨著時間的增加變形量逐漸增大，當時間達到某一個時刻時，曲線不在發生變化，也就是說尾礦砂試件的變形達到穩定狀態。也可以理解為整個系統由非穩態變為穩態。而且可以看出：當外部載荷增大時，無論在何種溶液中試件的變形量都有不同程度的增加，外載荷越大，變形量增加越多；4種外部載荷作用下，變形量都是在酸溶液中變化最大，在蒸餾水中其次，在堿溶液中最小。根據白云鵬對尾礦砂試件做滲透實驗得出的結論可以大致解釋這一現象，即在酸溶液中，主要發生的是溶蝕反應，鐵的氧化物與鹽酸溶液中H+發生置換反應后生成FeCl3和FeCl2，固體顆粒間的膠結物和顆粒外表面都受到酸溶液的腐蝕，導致顆粒間膠結物減少，削弱了顆粒間的連接，并且直接導致的后果是固體顆粒力學性質降低，發生化學損傷，這使得尾礦砂在外部載荷作用下更容易發生位移，溶解物隨著滲流作用流出試件，導致試件中固體介質的孔隙增大，但是由于外部有載荷作用，所以使得試件的變形量隨著化學反應時間的延長而增大，直至反應結束，變形才趨于穩定，系統近似到達穩態。并且溶液中H+濃度越高對尾礦砂的腐蝕就嚴重，變形量也就越大；在堿溶液中，主要發生的是膠結反應，Fe3+和（OH）-結合生成Fe（OH）3沉淀，這種新生成的物質作為膠結物填充顆粒間的孔隙，減小孔隙空間，甚至堵死孔隙通道，阻礙滲流作用的進行，所以在壓應力作用下可壓縮的空間減小，導致整體變形量相對較小。

結語

對建立的考慮化學作用下尾礦土柱變形的流固耦合模型經計算分析得出：（1）化學溶液對尾礦土柱的變形確有影響。（2）求得的數值更加直觀的展現出在外部載荷相同的情況下，酸溶液對尾礦砂變形影響最大，變形初期隨著時間的增加變形量逐漸增大，而后趨于穩定。

圖3 在200kPa下試件的變形

圖4 在800kPa下試件的變形

[1]陳章友，王又武，劉石橋，等.尾礦壩固結滲流的分析模型和計算方法研究[J].工程設計與建設，2004，36（02）：08-11.

[2]梅海峰.固結作用下的滲流理論研究及其在尾礦壩工程中的應用[D].西安：西安理工大學，2007.

[3]金永建.尾礦壩二維固結滲流模型研究及壩體穩定性分析[D].長沙：中南大學，2009.