降雨淋濾下廢棄尾礦土重金屬遷移及其與抗剪特性相關(guān)性研究

景 爽 郝 喆 滕 達(dá) 王曉明 張 倩

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110036;2.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110013)

廢棄尾礦庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不僅占用土地資源,大量的尾礦固體廢棄物堆積在沒(méi)有得到及時(shí)治理的情況下會(huì)引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,其中最嚴(yán)重的就是土壤重金屬污染[1]。重金屬污染尾礦土遇到酸、堿等物質(zhì)時(shí),可能引起重金屬離子遷移和濃度變化[2],還有可能導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)改變,從而影響尾礦壩穩(wěn)定性。探討尾礦廢棄地重金屬污染物遷移特征及其與物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性具有較大理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重金屬離子在不同土壤中的釋放遷移及其抗剪強(qiáng)度特性方面做了大量探究。如程峰等[3]研究了不同重金屬質(zhì)量比下的污染土在不同圍壓下的三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)土體中重金屬含量越高,污染土的強(qiáng)度越低;韓鵬舉等[4]對(duì)鹽和堿污染下的粉土進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)鹽和堿污染后的土體的物理性質(zhì)均會(huì)發(fā)生改變;劉繼東等[5]采用尾礦聯(lián)合赤泥法模擬酸雨淋濾,發(fā)現(xiàn)淋濾后赤泥對(duì)下層土壤影響遠(yuǎn)小于表層土壤;朱春鵬等[6]對(duì)不同濃度的酸堿污染土強(qiáng)度特性以及影響因素進(jìn)行分析,得出總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與其濃度計(jì)算關(guān)系式;張馳等[7]發(fā)現(xiàn)尾礦砂的抗剪強(qiáng)度在小于500 kPa 的低應(yīng)力下基本符合線性摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則,在大于500 kPa 高應(yīng)力下符合冪函數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則,且尾礦砂的抗剪強(qiáng)度在各圍壓下均隨著剪切速率的增加而減小;楊凱等[8]發(fā)現(xiàn)不同含水率條件下尾礦的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力符合Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則,隨著尾砂相對(duì)密實(shí)度的增加,尾礦砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所增加。

廢棄尾礦庫(kù)由于長(zhǎng)期堆存,表層雜質(zhì)逐漸增多,從而形成了明顯的尾礦垂直分層特征。土柱淋濾是開展尾礦庫(kù)污染物遷移研究的有效方法,但多針對(duì)在役尾礦庫(kù)進(jìn)行,對(duì)于廢棄尾礦淋濾的試驗(yàn)研究很少,且實(shí)驗(yàn)中均未考慮到廢棄尾礦的特有分層特征,也缺乏多種降雨工況的組合作用分析,目前也未見從巖土工程角度去探究淋濾對(duì)廢棄尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響。基于此,以遼陽(yáng)縣寒嶺鎮(zhèn)某銅鉛鋅共生廢棄尾礦庫(kù)為背景,設(shè)計(jì)室內(nèi)降雨淋濾實(shí)驗(yàn),利用自制大型土柱模型分層裝填,探究不同pH 值、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)工況組合作用下分層土壤中重金屬元素的垂向遷移特征,并通過(guò)直剪試驗(yàn)進(jìn)一步探究淋濾作用對(duì)尾礦的抗剪強(qiáng)度的影響以及重金屬污染物含量與抗剪特性之間的相關(guān)性。為廢棄尾礦庫(kù)污染物遷移及穩(wěn)定性分析提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過(guò)對(duì)部分廢棄尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)查閱[9-10],獲取尾礦土壤的普遍分層特征為:表層尾礦組成復(fù)雜,粘性土、砂粒和礫石等雜質(zhì)含量高,向深處雜質(zhì)含量逐漸減少、尾礦純度變高,且下層污染濃度大于表層。據(jù)此選取土柱實(shí)驗(yàn)材料:尾礦土與粘性土采集于遼陽(yáng)縣寒嶺鎮(zhèn)某廢棄尾礦庫(kù)及周邊;砂粒與礫石購(gòu)買于建材市場(chǎng);礫石選取4 種粒徑,粒徑分別為0.3～0.6 cm、0.6 ～0.9 cm、0.9 ～1.2 cm、1.2 ～1.5 cm。材料實(shí)物圖見圖1。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11-12]與實(shí)際情況綜合考量,確定不同分層配比向原始尾礦土中添加重金屬Cu、Pb、Zn 的含量;配制出與現(xiàn)場(chǎng)情況相符的含水率為27%的廢棄尾礦樣品土壤。土柱分層材料添加量見表1。

圖1 材料實(shí)物圖Fig.1 Material object diagram

表1 土柱分層材料添加量Table 1 Soil column layered material addition

1.2 試驗(yàn)裝置與儀器

圖2 為試驗(yàn)裝置與儀器的實(shí)物圖。其中圖2(a)為自制淋濾試驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。裝置主要由有機(jī)玻璃柱、水箱、蠕動(dòng)泵、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、可調(diào)水量的噴水槍、若干5 L 大塑料燒杯及硅膠軟管組成。土柱為帶底座的大型土柱,由3 段高40 cm 的透明有機(jī)玻璃管拼接而成,總長(zhǎng)120 cm,共3 套。圖2 (b)為ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀實(shí)物圖。

圖2 試驗(yàn)裝置與儀器實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of experimental setup and instrument

1.3 試驗(yàn)方案

(1)淋濾液pH 值。遼寧省主要是硫酸型酸雨,全省降水中SO24-、NO-3、Ca2+、NH+4離子濃度較高,pH值范圍為4.65～7.72[13-14]。因此選用4 ∶1 的硫酸與硝酸混合酸,加入適量 CaCl2、Ca ( OH)2和(NH4)2SO4等試劑,用去離子水逐步稀釋配制成pH為4.5、6.2、7.8 的淋濾液。

(2)降雨強(qiáng)度。遼寧省2005 ～2021 年的降雨強(qiáng)度在21 ～212 mm/h 范圍內(nèi)[15-16];依據(jù)等差數(shù)列,設(shè)置雨強(qiáng)為50、120、190 mm/h。

(3)降雨時(shí)長(zhǎng)。設(shè)置淋濾時(shí)長(zhǎng)為2、4、6 h。水箱淋濾水總量均取25 L。

具體的土柱工況布設(shè)方案見表2。

表2 試驗(yàn)工況布設(shè)方案Table 2 Layout schemes of experimental column

1.4 試驗(yàn)方法

先在土柱底部裝填10 cm 的卵石作為過(guò)濾層,再將制備好的不同重金屬含量的尾礦樣品按10 ～30 cm、30～50 cm、50 ～70 cm、70 ～90 cm 分層對(duì)應(yīng)依次裝入土柱中。裝填完畢后蓋上柱蓋,靜置陳化1 d 后開始淋濾試驗(yàn)。達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間后,用透明玻璃板將柱口蓋上,靜置24 h 后,用環(huán)刀從距土柱表層深度20、40、60、80 cm 處各取2 份土樣。一份采用四酸全分解的方法消解,一份用于室內(nèi)直剪試驗(yàn)。其物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)定方法等依據(jù)《GB/T 50123—2019 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。試驗(yàn)分級(jí)施加垂直荷載100、200、300 kPa 及400 kPa,以0.8 mm/min 速率進(jìn)行直剪試驗(yàn),得到剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線圖,進(jìn)而獲得各試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

開展了如表2 所示的6 組18 個(gè)土柱的降雨淋濾下的重金屬垂直遷移特征試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析。

2.1 不同降雨工況下分層污染土壤中重金屬元素的垂向遷移特征分析

2.1.1 不同降雨pH 值下重金屬遷移特征

以工況7、8、9 為例,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。可見,Cu和Zn 變化趨勢(shì)相似:酸性降雨下土壤中Cu 和Zn 含量在0～20 cm 深度內(nèi)顯著降低,而堿性淋濾下則稍有增大。因?yàn)楸硗恋酿ざ雀?滲透性小,能有效抑制金屬離子的向下擴(kuò)散;酸性淋濾下,土壤中Cu、Zn 能被氫氧化物等吸附,使得濃度降低;而堿性淋濾下,淋濾液中Cu、Zn 等能與土壤中的有機(jī)質(zhì)等形成結(jié)合態(tài)而被固定在表層。

圖3 工況7、8、9 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.3 Concentrations of heavy metals Cu,Pb,Zn in soil at different depths under working conditions 7,8,9

2.1.2 不同降雨強(qiáng)度下重金屬遷移特征

以工況2、5、8 為例,試驗(yàn)結(jié)果見圖4。可見,同一土柱中,Cu、Pb 和Zn 濃度隨分層深度增加逐漸減小;隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。因?yàn)橹亟饘匐x子隨淋出液下滲而發(fā)生遷移,可還原土壤中的有機(jī)質(zhì),但深度越深土壤中有機(jī)質(zhì)含量越少,從而被固定的重金屬量也變少。雨強(qiáng)的增大加快了滲濾液的下滲流出,使得離子濃度變大。

圖4 工況2、5、8 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.4 Concentrations of heavy metals Cu,Pb and Zn in soils at different depths under working conditions 2,5,8

2.1.3 不同降雨時(shí)長(zhǎng)下重金屬遷移特征

以工況3、12、18 為例,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。可見,Cu、Pb 和Zn 濃度隨淋濾時(shí)間的增加變化規(guī)律大致相同,相比初始水平,三者都有大幅度的減少,但鉛沒(méi)有出現(xiàn)表層累積的情況。因?yàn)殡S著降雨時(shí)長(zhǎng)的增大,更深處土壤更加密實(shí),孔隙率變低,離子運(yùn)移難度加大;淋濾液下滲過(guò)程中能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與土壤中的黏性顆粒相結(jié)合形成較大的沉淀物;會(huì)阻塞土壤顆粒之間的孔隙,降低土壤中淋濾液的有效滲流面積;且尾礦土壤經(jīng)降雨淋濾后外表變得不平坦,可能會(huì)出現(xiàn)大量孔洞和硅酸鈣顆粒物,也導(dǎo)致重金屬含量明顯減少。

圖5 工況3、12、18 不同深度土壤中重金屬Cu、Pb、Zn 濃度Fig.5 Concentrations of heavy metals Cu,Pb and Zn in soils at different depths under working conditions 3,12,18

2.2 不同降雨工況對(duì)分層尾礦土壤的抗剪強(qiáng)度影響分析

2.2.1 降雨pH 值對(duì)分層尾礦土壤的抗剪強(qiáng)度影響

以工況13、14、15 為例,工況15 SEM 照片見圖6,相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表3。可見,在低倍(×500)下試驗(yàn)土壤結(jié)構(gòu)體較松散分布并呈現(xiàn)塊狀;隨著pH 值的增大土壤的抗剪強(qiáng)度總體是變小,內(nèi)摩擦角逐漸變大、黏聚力逐漸變小。這是因?yàn)槲驳V土壤受到酸或堿溶液淋濾后,其中的各種礦物、膠體和有機(jī)質(zhì)等被溶蝕,使土體結(jié)構(gòu)連接減弱,土的孔隙變大;此時(shí)尾礦樣在法向應(yīng)力的作用下孔隙被壓縮,結(jié)合水膜變薄,土顆粒結(jié)合水膜之間的接觸面增大,接觸面變大時(shí),顆粒間的距離也就變短,黏聚力也就不斷增強(qiáng)。堿性淋濾過(guò)程中大量Na+離子等進(jìn)入結(jié)合水膜,增加了其厚度,導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角隨pH 值的增大而減小。

圖6 工況15 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.6 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 15

表3 工況13、14、15 分層尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength index of layered tailings under working conditions 13,14 and 15

2.2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)分層尾礦土壤的抗剪強(qiáng)度影響

以工況1、4、7 為例,試驗(yàn)結(jié)果見表4,相應(yīng)工況4 SEM 照片見圖7。可見淋濾作用能有效增大尾礦的抗剪強(qiáng)度;尾礦淋濾后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān):隨著淋濾強(qiáng)度的增大,尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)提高;且在低倍(×500)下,隨著粘性土、砂粒和礫石等雜質(zhì)含量的增高,顆粒表面及顆粒間隙絮狀物也增多。這是因?yàn)槲驳V處于飽水狀態(tài)時(shí),各種作用力使顆粒相互黏結(jié)靠近,尾礦變得更加密實(shí),力學(xué)性能也變得更好;且在酸堿性淋濾下,淋濾強(qiáng)度的增大使得尾礦中的Fe3+、Al3+等的濃度逐漸增加,進(jìn)而使尾礦顆粒孔隙間的Fe(OH)3、Al(OH)3等膠體增多逐漸沉淀固化,同樣提高了尾礦的力學(xué)性能。

圖7 工況4 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.7 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 4

表4 工況1、4、7 分層尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Shear strength index of layered tailings under working conditions 1,4 and 7

2.2.3 降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)分層尾礦土壤的抗剪強(qiáng)度影響

以工況2、11、17 為例,工況11 SEM 照片見圖8,相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表5。可見在低倍(×500)下,試驗(yàn)土壤結(jié)構(gòu)呈松散狀并逐漸有序。尾礦淋濾后的抗剪程度與降雨時(shí)長(zhǎng)也呈正相關(guān);但尾礦流量組的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增加明顯小于時(shí)間組的強(qiáng)度指標(biāo)。因?yàn)橹亟饘傥廴疚镏幸徊糠治镔|(zhì)變成沉淀依附于土粒表面,一部分進(jìn)入尾礦孔隙中,土顆粒和黏土礦物成分與Cu、Pb和Zn 離子發(fā)生作用,阻塞了土粒間的大孔隙,使土體趨于密實(shí),從而改變了尾礦的結(jié)構(gòu)。

圖8 工況11 淋濾后分層尾礦樣品放大500 倍的SEM 圖片F(xiàn)ig.8 SEM image with 500-fold magnification of layered tailings sample after leaching under condition 11

表5 工況2、11、17 分層尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 5 Shear strength index of layered tailings under working conditions 2,11 and 17

2.3 重金屬污染物含量與分層尾礦土壤的抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析

綜合分析發(fā)現(xiàn),重金屬污染對(duì)廢棄尾礦的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響。以工況2 為例,試驗(yàn)結(jié)果如圖9。可見淋濾后尾礦的抗剪強(qiáng)度與重金屬污染物含量呈反比關(guān)系,即同一淋濾工況條件下,從表層到底層隨著分層土壤重金屬污染物含量的增加,抗剪強(qiáng)度總體變小,其黏聚力逐漸增大,內(nèi)摩擦角逐漸減小。原因是隨著侵入的重金屬污染物含量不斷增加,能夠加速尾礦裂縫表面的膠體物溶蝕,進(jìn)而使得尾礦顆粒之間的膠結(jié)力變低,加快了尾礦的裂隙化程度,使尾礦的完整性造成一定的破壞,導(dǎo)致巖石的力學(xué)性能降低。

圖9 工況2 淋濾后尾礦試樣的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系圖Fig.9 Relationship between shear stress and shear displacement of tailings specimens after leaching under working condition 2

3 結(jié) 論

以遼寧省遼陽(yáng)縣某銅鉛鋅共生廢棄尾礦庫(kù)為背景,通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分層情況相符的廢棄尾礦樣品,利用自制的大型土柱模型分層裝填,開展模擬降雨淋濾實(shí)驗(yàn),并對(duì)淋濾后的樣品進(jìn)行直剪試驗(yàn)。得到如下結(jié)論:

(1)在不同降雨pH 值下,土壤中重金屬Cu 和Zn 遷移呈現(xiàn)相似特征:0 ～20 cm 深度內(nèi)在酸性降雨下二者含量顯著降低,而堿性淋濾下含量稍有增大。且在低倍(×500)下試驗(yàn)土壤結(jié)構(gòu)體較松散分布并呈現(xiàn)塊狀;隨著pH 值的增大土壤的抗剪強(qiáng)度總體是變小,內(nèi)摩擦角逐漸變大、黏聚力逐漸變小。

(2)同一土柱中,Cu、Pb 和Zn 濃度隨分層深度增加逐漸減小;隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。淋濾作用能有效增大尾礦的抗剪強(qiáng)度;尾礦淋濾后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān):隨著淋濾強(qiáng)度的增大,尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)提高;且在低倍(×500)下,隨著粘性土、砂粒和礫石等雜質(zhì)含量的增高,顆粒表面及顆粒間隙絮狀物也增多。

(3)分層土壤中Cu、Pb 和Zn 濃度隨淋濾時(shí)間的增加變化規(guī)律大致相同,相比初始水平,三者都有大幅度的減少,但鉛沒(méi)有出現(xiàn)表層累積的情況。在低倍(×500)下,試驗(yàn)土壤結(jié)構(gòu)呈松散狀并逐漸有序。尾礦淋濾后的抗剪程度與降雨時(shí)長(zhǎng)也呈正相關(guān);但尾礦流量組的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增加明顯小于時(shí)間組的強(qiáng)度指標(biāo)。

(4)淋濾后尾礦的抗剪強(qiáng)度與重金屬污染物含量呈反比關(guān)系,即同一淋濾工況條件下,從表層到底層隨著分層土壤重金屬污染物含量的增加,抗剪強(qiáng)度總體變小,其黏聚力逐漸增大,內(nèi)摩擦角逐漸減小。綜上所述,廢棄尾礦在經(jīng)過(guò)不同降雨淋濾作用后,其中的重金屬元素在尾礦土中垂向遷移呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,確實(shí)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響,且重金屬污染物含量與抗剪特性之間也具有一定相關(guān)性。研究結(jié)果對(duì)尾礦邊坡的安全管理和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有一定意義,也為廢棄尾礦庫(kù)的綜合治理提供參考。