化学作用下尾矿土柱流——固耦合模型计算结果分析

郑训臻

（长春建筑学院土木工程学院，吉林 长春 130607）

1 概述

尾矿坝的构筑材料一般是具有多孔介质性质的砂体，部分的孔隙空间被溶液和空气所占据，考虑到酸雨和尾矿放水的影响，其中溶液会在重力作用下发生渗流，在渗流的过程中极易产生坝体变形，可以看出坝体处于独特的水化学环境中。陈章友、梅海峰等人对尾矿坝固结渗流的数学模型和求解方面做了比较深入的研究，并利用土力学原理等理论对尾矿坝二维固结渗流模型进行论证。研究尾矿坝周围环境的蓝崇钰等学者们运用动态淋溶实验验证其环境（包括水和土壤等）中离子溶出这一现象的存在，其中重金属离子溶出现象也较为明显。为了将化学溶液对尾矿土柱变形的影响更直观体现出来，在以往研究的基础上，本文计算了考虑化学因素时尾矿土柱在不同大小外载作用下的变形随时间变化的曲线。

2 数值计算结果

运用有限差分方法对一维数学模型的离散处理以及结合给定的初始条件和边界条件，在Matlab平台上的编程求解，得出了在向下外载荷大小为50 kPa、100 kPa、200 kPa、800 kPa的作用下，高度为60 cm尾矿土柱试件沿高度方向在三种溶液中的变形随时间变化的曲线。

3 结果分析

图1 在50kPa下试件的变形

图2 在100kPa下试件的变形

从以上各图中可以看出：尾矿土柱的变形量是随着时间不断变化的。随着时间的增加变形量逐渐增大，当时间达到某一个时刻时，曲线不在发生变化，也就是说尾矿砂试件的变形达到稳定状态。也可以理解为整个系统由非稳态变为稳态。而且可以看出：当外部载荷增大时，无论在何种溶液中试件的变形量都有不同程度的增加，外载荷越大，变形量增加越多；4种外部载荷作用下，变形量都是在酸溶液中变化最大，在蒸馏水中其次，在碱溶液中最小。根据白云鹏对尾矿砂试件做渗透实验得出的结论可以大致解释这一现象，即在酸溶液中，主要发生的是溶蚀反应，铁的氧化物与盐酸溶液中H+发生置换反应后生成FeCl3和FeCl2，固体颗粒间的胶结物和颗粒外表面都受到酸溶液的腐蚀，导致颗粒间胶结物减少，削弱了颗粒间的连接，并且直接导致的后果是固体颗粒力学性质降低，发生化学损伤，这使得尾矿砂在外部载荷作用下更容易发生位移，溶解物随着渗流作用流出试件，导致试件中固体介质的孔隙增大，但是由于外部有载荷作用，所以使得试件的变形量随着化学反应时间的延长而增大，直至反应结束，变形才趋于稳定，系统近似到达稳态。并且溶液中H+浓度越高对尾矿砂的腐蚀就严重，变形量也就越大；在碱溶液中，主要发生的是胶结反应，Fe3+和（OH）-结合生成Fe（OH）3沉淀，这种新生成的物质作为胶结物填充颗粒间的孔隙，减小孔隙空间，甚至堵死孔隙通道，阻碍渗流作用的进行，所以在压应力作用下可压缩的空间减小，导致整体变形量相对较小。

结语

对建立的考虑化学作用下尾矿土柱变形的流固耦合模型经计算分析得出：（1）化学溶液对尾矿土柱的变形确有影响。（2）求得的数值更加直观的展现出在外部载荷相同的情况下，酸溶液对尾矿砂变形影响最大，变形初期随着时间的增加变形量逐渐增大，而后趋于稳定。

图3 在200kPa下试件的变形

图4 在800kPa下试件的变形

[1]陈章友，王又武，刘石桥，等.尾矿坝固结渗流的分析模型和计算方法研究[J].工程设计与建设，2004，36（02）：08-11.

[2]梅海峰.固结作用下的渗流理论研究及其在尾矿坝工程中的应用[D].西安：西安理工大学，2007.

[3]金永建.尾矿坝二维固结渗流模型研究及坝体稳定性分析[D].长沙：中南大学，2009.