化學(xué)作用下尾礦土柱流

鄭訓(xùn)臻

摘 要：基于之前研究中構(gòu)建的考慮化學(xué)、應(yīng)力、滲流作用下尾礦土柱變形的非線性耦合數(shù)學(xué)模型，利用Matlab計(jì)算軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行差分、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尾礦砂試件沿高度方向在酸溶液、堿溶液和水中的變形隨時(shí)間變化的曲線。

關(guān)鍵詞：酸堿溶液；流-固耦合；尾礦土柱；結(jié)果分析；變形

中圖分類(lèi)號(hào)：TE31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

尾礦壩的構(gòu)筑材料一般是具有多孔介質(zhì)性質(zhì)的砂體，部分的孔隙空間被溶液和空氣所占據(jù)，考慮到酸雨和尾礦放水的影響，其中溶液會(huì)在重力作用下發(fā)生滲流，在滲流的過(guò)程中極易產(chǎn)生壩體變形，可以看出壩體處于獨(dú)特的水化學(xué)環(huán)境中。陳章友、梅海峰等人對(duì)尾礦壩固結(jié)滲流的數(shù)學(xué)模型和求解方面做了比較深入的研究，并利用土力學(xué)原理等理論對(duì)尾礦壩二維固結(jié)滲流模型進(jìn)行論證。研究尾礦壩周?chē)h(huán)境的藍(lán)崇鈺等學(xué)者們運(yùn)用動(dòng)態(tài)淋溶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其環(huán)境（包括水和土壤等）中離子溶出這一現(xiàn)象的存在，其中重金屬離子溶出現(xiàn)象也較為明顯。為了將化學(xué)溶液對(duì)尾礦土柱變形的影響更直觀體現(xiàn)出來(lái)，在以往研究的基礎(chǔ)上，本文計(jì)算了考慮化學(xué)因素時(shí)尾礦土柱在不同大小外載作用下的變形隨時(shí)間變化的曲線。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用有限差分方法對(duì)一維數(shù)學(xué)模型的離散處理以及結(jié)合給定的初始條件和邊界條件，在Matlab平臺(tái)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(shí)間變化的曲線。

3 結(jié)果分析

從以上各圖中可以看出：尾礦土柱的變形量是隨著時(shí)間不斷變化的。隨著時(shí)間的增加變形量逐漸增大，當(dāng)時(shí)間達(dá)到某一個(gè)時(shí)刻時(shí)，曲線不在發(fā)生變化，也就是說(shuō)尾礦砂試件的變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。也可以理解為整個(gè)系統(tǒng)由非穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)。而且可以看出：當(dāng)外部載荷增大時(shí)，無(wú)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(jù)白云鵬對(duì)尾礦砂試件做滲透實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論可以大致解釋這一現(xiàn)象，即在酸溶液中，主要發(fā)生的是溶蝕反應(yīng)，鐵的氧化物與鹽酸溶液中H+發(fā)生置換反應(yīng)后生成FeCl3和FeCl2，固體顆粒間的膠結(jié)物和顆粒外表面都受到酸溶液的腐蝕，導(dǎo)致顆粒間膠結(jié)物減少，削弱了顆粒間的連接，并且直接導(dǎo)致的后果是固體顆粒力學(xué)性質(zhì)降低，發(fā)生化學(xué)損傷，這使得尾礦砂在外部載荷作用下更容易發(fā)生位移，溶解物隨著滲流作用流出試件，導(dǎo)致試件中固體介質(zhì)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(xué)反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，直至反應(yīng)結(jié)束，變形才趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)近似到達(dá)穩(wěn)態(tài)。并且溶液中H+濃度越高對(duì)尾礦砂的腐蝕就嚴(yán)重，變形量也就越大；在堿溶液中，主要發(fā)生的是膠結(jié)反應(yīng)，F(xiàn)e3+和（OH）-結(jié)合生成Fe（OH）3沉淀，這種新生成的物質(zhì)作為膠結(jié)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(jìn)行，所以在壓應(yīng)力作用下可壓縮的空間減小，導(dǎo)致整體變形量相對(duì)較小。

結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]金永建.尾礦壩二維固結(jié)滲流模型研究及壩體穩(wěn)定性分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.endprint