赤泥堆场固结排水方案的数值分析.pdf

第 3 3卷第 5期 2 0 1 2年 1 0月 华北水利水 电学 院学报 J o u r na l o f No ah Ch i n a I ns t i t ut e o f W a t e r Co n s e r v a nc y a nd Hy d r o e l e c t r i c P o we r V0 1 3 3 No 5 0c t 2 01 2 文 章 编 号 ： 1 0 0 25 6 3 4( 2 0 1 2) 0 50 0 8 70 4 赤泥堆场 固结排水方案 的数值 分析 毕庆 涛 ，贾景超 ，黄志全 ( 华北水利水 电学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 流塑状赤泥含水率 高、 强度低 ， 通过排 水固结处理 ， 可以增大其 密度和强 度 ， 增 强其堆场 的稳 定性 ， 并 减 小堆场渗漏污染的可能性 采用 固结有 限元 计算 ， 对 比分析分层堆载 干赤 泥 、 塑料排水板和真空预压 3种方 案 的 固 结 排 水 效 果 由 于 流 塑 状 赤 泥 渗 透 性 低 ， 堆 载 产 生 的超 孑 L 隙 水 压 力 难 以 消散 分 析 表 明 ， 堆 载 +塑料 排 水 板联 合方案下 ， 赤泥堆场能够及 时完成 固结 ， 有利 于扩大库容 关键词 ： 赤泥 ； 固结有限元 ； 塑料排水板 ； 真空预压 赤 泥是 企 业 生 产 氧 化 铝 过 程 中产 生 的 工 业 废 料 ， 在 自然环 境 中脱 水 呈现 流塑一 硬 塑一 胶结 状态 胶 结状态 的赤泥结 构 强 度 较 高 ， 有 的赤 泥 的 强度 近 似 于 已经 硬 化 的低 标 号 水 泥 ； 而 流 塑 状 态 的赤 泥 则 含水率 高 ， 强度 非常 低 ， 易流 动 ， 犹 如稀 泥 赤 泥堆 场 是赤 泥堆 放库 ， 由于 赤泥 化学 成分 复杂 ， 具有 腐蚀 性 ， 如果 发 生 堆 场 灾 害 事 故 ， 将 造 成 重 大 的 环 境 污 染 、 周边 居 民的财 产损 失 和人身 伤亡 赤 泥堆 场 是 否 安全 主要 体 现在 两 方 面 ： 一 是 堆 场 的稳定 问题 ， 二 是堆 场 的渗漏 问题 稳 定 问题 一 般 根 据土 力学 理论 如极 限平 衡 理 论 就 可 以解 决 渗 漏 问题 会 涉及 到 污染 环 境 ， 多数 学 者 是 从 防 渗 技 术 的角度 去 研究 这 个 问题 笔 者 针对 流 塑状 赤 泥 堆场 ， 从排 水 固结处 理方 案 的角度 来研 究 当排水 固结完成 ， 赤 泥将 会 由流塑 状转 变 为硬塑 状 ， 强度 大 大 提高 ， 堆场 的稳 定 性 也 将 增 强 ； 同时 ， 固结 完 成 意 味 着超孔 隙 水消散 ， 可 以加 快赤 泥废 料 的堆放 速度 ； 另 外 ， 随着孔 隙水 的排 出 ， 赤 泥 密 度 增 大 ， 渗 透性 减 小 ， 渗漏 污染 的可 能性 将大 大 降低 笔 者对 比研究 流 塑状赤 泥 在不 同措施 下进 行 排 水 固结 的效 果 排 水 固结 方 案有 3个 ， 分别 是 ： 不 做 地基处 理 ， 分层 堆填 干赤 泥 ； 用 塑料 排水板 处 理 后 ， 分层 堆填 干赤 泥 ； 用 塑 料 排 水 板 处理 后 ， 先 真 空 预压 4个月 ， 再分 层堆 填干 赤泥 1 赤泥堆场 固结计算 的基本原理 赤泥 堆场 不 同排水 方案 的 固结计算 不仅 要求 解 比奥 固结 方程 ， 还 涉及 到塑 料 排 水 板 处理 效 果 以及 真 空预压 的模 拟 ， 现分别 说 明如下 1 1 固结方 程的有 限 元格式 殷宗 泽 等于 1 9 7 8年 根据 流量平 衡 的概念 ， 结 合 虚位 移原 理 推导 了 B i o t 固结 方程 的有 限元形 式 ， R 式 中 K， K ， 和 分别 由单 元矩 阵 k， k ， 矗和 中的 元 素叠加 而成 = DBd d y d z， k r= M N d y d z， 【= Nn MBd x d y d z ， R =K q A 6 q =R +K A S ， 收 稿 日期 ： 2 01 20 61 5 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 4 1 1 4 0 0 3 0 ) ； 郑 州市创新 型科 技人才培育计划领军人才项 目( 1 0 L J R C 1 8 5 ) ； 华北水利水 电学院高层次人才引进科研基金项 目( 0 0 1 2 7 3 ， 0 1 2 5 7 ) 作者简介 ： 毕庆涛 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 河南罗 山人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要从事土力学试验 、 本构关系及岩土数值计算方面的研究 8 8 华北水利水 电学院学报 2 O 1 2年 1 O月 =一丝 y ff 盯 f t + 筹 + O N dx dy 出 ， 式中： 曰为几何矩阵 ； D为应力应变矩阵； 为单位 矩 阵 ； 为形 函数矩 阵 ； R为荷 载 向量 ； 为 t A t 时 刻 以前 所平 衡 的荷 载 ； K 。 为 q时刻 的劲 度 矩 阵 ； 6 为 节点 位移增 量 ； JB为节 点孔 隙压力 假设 计算 网格 中包 含 n 个 未知 的节点 位 移 ， n 个 未知 的节 点 孔 隙压 力 ， 它 可 以建 立 n 个 平 衡 方 程 ， n ， 个 连 续 性方 程 方 程 的个 数 和 未 知 量个 数是 一 致 的 ， 方程 可解 解题 时 ， 从 t=0开 始 ， 每次 增加 一 个 t ， 用 式 ( 1 )解得 占和 卢， 并求 出 R ， 用 于解 下 一 时刻 如 此反 复 ， 可 求 出任意 时刻 的位移 、 应力 、 应 变和孔 隙压 力 1 2 塑料排 水板 的模 拟 塑料排水板的作用是加速排水、 增大地基 的渗 透性 基 于此 ， 计 算 中对塑 料排 水板 的处理 思路 是采 用 与塑料 板排 水效果 相 当的地 基渗 透系数 1 2 1 排水 板堆 载下 的地基 平均 固结 度 理论 依 据 为太 沙 基 和 巴伦 固结 理论 在 一定 堆 载压 力下 ， 排水 板 影 响范 围 内的 土 中孔 隙 水 向两 个 方向流动 ， 即沿板轴 向与沿板径 向 求解时 ， 可按 照 竖 向 固结 和径 向固结两 种情 况综合 得 出地基 的平均 固结度 假定 已知地基 土层 的物 理 力 学性 质 指 标 a 为 压 缩系数 ( 与堆载 压力相 关 ) ； 为 水 的容重 ； e 为孔 隙 比 ； K ， K ， 为渗 透 系数 ； d 为排 水板 的有效 直径 ； d 为排水 板换 算直径 ； H为土 层竖 向排水 距离 ， 则 可 以 求 得竖 向固结 系数 C 和径 向固结 系数 C ， ， 即 ( 1+e ) K ( 1+e ) K = r = a a 进一步求得某一固结时间 t 内的地基固结度 ： ： 譬 ： 1 一 。 孚， ； I 盯 a F = 孚 l n n 一 U = 1 一 e - s T ， 式 中 ： T 为竖 向 固结 时 间 因数 ； T 为 径 向 固结 时 问 因 数 ； U 为 竖 向平 均 固结 度 ； U 为 径 向 平 均 固结 度 ； n为井径 比 ， n= d 。 d 最后 ， 求得 排水 板堆 载下 的地基 平均 固结 度为 U =1一( 1一 ) ( 1一 ) 1 2 2 与塑料板排水效果相当的地基渗透系数 假定 与塑 料板 排水效 果 相 当的没有设 置排 水板 的地 基 ， 其 渗透 系数用 表 示 两 者通 过 固结 度建 立 等式 ， 就 可 以求 出 K ， 即 U ： 1一( 1一U ) ( 1一 ) ， 1一U = ( 1一U ) ( 1一U ) ， 一 1 T 一 T 一8T 4 4 。 F = + ， K 。 + 式 中 ： U ， 分别 为与塑 料板 排水 效 果 相 当 的地 基 固结 度和 时间 因数 1 3 真 空预 压的模 拟 真 空预 压可形 成 1 个 大气 压 ， 也就 是 1 0 t m 的 负压 ， 可 以控制 边界 的孔 隙水压 力来 近似模 拟 ， 即在 水 平排 水边界 上令 孔压 等于 一1 0 0 k P a 此 次计算 中 取 真空 预压能 形成 一8 0 k P a 的 负压 1 4 计算 本构模 型 计算 中， 赤泥等材料 的本构模型采用了邓肯 E 一 非 线性 弹性模 型 邓肯模 型 中 ， 切 线 弹性 模 量 和 泊 松 比分别 表示 为 ： 一 ， GFl g ( 3 p 。 ) ( 1一A) A= ( 1 一 3 ) D Kp 。 一 对 卸荷 情况 ， 弹性模 量 用下式 计算 ， E = K P f 一0 3 1 ， P I 式 中 ： c 为粘 聚力 ； 为 内摩 擦角 ； p 。 为大气 压力 ； R i ， K， n ， G ， F， D， K 为模 型参 数 2 有限元计算分析 2 1计 算模 型参数 根据室内三轴试验 ， 整理 出邓肯模型参数 ， 见表 1 表 1 邓肯模型参数 圭 ! ! ! ： ! 流 塑 赤 泥1 4 9 1 5 6 0 8 8 4 0 0 5 2 0 3 0 1 0 2 0 硬塑 赤 泥2 9 8 3 6 2 0 8 0 1 6 0 0 4 0 0 4 0 0 3 3 0 坝填土3 2 7 2 3 6 0 7 8 1 0 0 0 5 0 0 4 0 0 3 3 6 2 2 计算网格及干赤泥堆载情况 赤 泥堆 场地基 的断 面及 堆载 干 赤 泥进 度 如 图 1 所示 流塑状 赤泥 层渗 透系 数为 1 51 0 c m s ， 层 厚约 4 5 m； 硬 塑状 赤泥 的渗 透 系 数 6 3l 0 一 c m s ， 土坝 的渗透 系数 为 3 81 0 c m s 施 工开 始后 ， 将沿 着地 面线往 上堆 载赤 泥 堆 载 第 3 3卷第 5期 毕庆涛 ， 等 ： 赤泥堆场固结排水方案的数值分析 8 9 第 1 层 ， 需 1 5 a ； 堆 载第 2层 ， 需 2 0 a ； 堆 载 第 3 层 ， 需 2 5 a ； 堆 载第 4层 ， 需 4 a 堆 载完 毕 ， 需 1 0 a 有 限元 固结 计算 时 ， 分 5级 加载 第 1级 加载 按 库池 本 身 ( 地面线 以下 ) 的 自重 计算 ； 第 2级 加 载 为 第 1 层填筑赤泥的堆载 ， 历时 1 5 a ； 第 3级加载为 第 2层 填筑赤 泥 的堆 载 ， 历 时 2 0 a ； 第 4级 加 载 为 第 3层填筑赤泥的堆载 ， 历时 2 5 a ； 第 5级加载为 第 4层 填筑 赤泥 的堆 载 共 填筑 3 0 m 干赤泥 图 1中的标识 点 6 9位 于流塑 状赤 泥层 的底 部 ， 此位置是加载过程中引起 的超孔压最大 的位置 给 出此位 置 的超 孔 压 随 时 间 的变 化 过程 ， 就 能 了解 整 个 流塑 状赤 泥层 的孔压 消 散过程 图 1 赤 泥 堆 场 计 算 断 面简 图 ( 单 位 ： m ) 2 3不做 地 基处 理 ， 分 层堆 载 堆 场 的有 限元 计算 边 界条件 包 括位移 边 界条件 和孑 L 隙水 压力 边 界条 件 图 1中堆 场 的底 面 是 不 透 水 的基 岩 ， 所 以底 面线 既是 位移 的零 边界 ， 又 是孔 隙 水压 力 的不排 水 边 界 堆场 地 基 原 始 地 面 线 是孔 隙 水压力的排水边界， 即在计算过程 中孑 L 隙水压力为 零 由于 堆场 地基 处 于 饱 和状 态 ， 且 表 面有 积水 ， 所 以有 限元 固结计 算 中原始 地面 以下 的各个 节 点存 在 初 始孔 隙水 压力 ， 即静 水压 力 图 2是第 l 0年 赤 泥 堆 场 内孔 压 等 值 线 图 ( 单 位 ： MP a ) 由图可 以看 出 ， 到 了第 1 0年 ， 场 地地 基底 部 的孔 压最 大值 已经积 累到 了 0 9 2 MP a ， 与堆 载 之 前 相 同位置 的 的静 水 压 力 0 4 5 MP a相 比 ， 积 累 了 0 4 7 M P a的超 孔压 表 明持续 堆 载 到第 4层 干赤 泥 所 引起 的地 基超 孔压 并没 有消 散 图 2不做地基 处理 堆场 内第 1 0年的孔压等值线分布 图 为 了更 好地 观 察 1 0 a内堆 场 地 基 内 超 孑 L 隙 水 压力随时间变化 的全过程 ， 可以整理出位置 6 9的超 孔 隙水 压力 变化 过 程 曲线 ， 如图 3所 示 * 毯 靼 时N 月 图 3不做地基处理条件下位置 6 9的超 孔压变化曲线 从 图 3可 以看 出 ， 流 塑 状赤 泥 层 底 部 的超 孔 隙 水压 力 随时 间一 直在 增 长 ， 连 续 的堆 载致 使 这 种增 长几 乎呈 线性 发展 综 合来 看 ， 在 不 做 地基 处 理 且连 续 堆 载 的条 件 下 ， 堆场地基内的超孑 L 隙水压力无法完全消散， 固结 长 时间不 能完 成 2 4塑 料排水 板 地基处 理 考 虑塑料 排 水板处 理地 基 2 5 m深 ， 流塑 状赤 泥 层原 渗 透 系数 为 1 51 0 c m s ， 插 入 排水 板 后 的 流 塑赤 泥层 的相 当渗透 系数 为 K 一 + 盯 式 中 ： K ， 为 赤 泥 层 竖 向与 径 向渗 透 系 数 ， 均取值 1 5 1 0 c m s ； 排水板 的排水有效直径 d 为 1 3 5 I n ； 参 数 F 为 2 2 8 ； H 为土 层竖 向排 水距 离 ； 由 于堆 场 地基内流塑层厚度不一致 ， 计算时 日取 2 0 m 由此 可得 K 为 4 71 0 c m s 有 限元 固结 计 算 时 ， 模 型 参 数仍 取 表 1中 的参 数 ， 不 过地 基 2 5 m 以 内的流塑状 赤 泥 的渗 透 系数取 4 7 1 0 c m s 有 限 元 计 算 的 网格 及 边 界 条 件 均 与不做 地基 处理 的 固结计 算一致 图 4是排 水 板 处理 后 第 1 0年 赤泥 堆 场 内孔 压 等值线图( 单位 ： M P a ) 可 以看 出， 到 了第 l 0年 ， 场 地地基底部的孑 L 压最大值约为 0 4 6 MP a ， 与堆载之 前 相 同位 置 的 的 静 水 压 力 0 4 5 MP a相 比 ， 几 乎 相 等 表 明超 孔 隙水 压 力接 近零 ， 也表 明各层 堆载 所引 起 的地 基超 孔 隙水压 力 已经消散 1 0 a内位 置 6 9处 的超 孔 隙水 压 力 随 时 间 的变 化过程 如 图 5所 示 由图可 以看 出 ， 塑料排 水板 处理 地基后 ， 整个堆载过程在流塑层内所 引起的超孔 隙 水 压力 不超 过 9 k P a 表 明地基 内孔 隙水压 力 能够 即 时消散 ， 且能够在施工时间内即时消散 9 0 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 1 0月 图 4排水板地基 处理堆场 内第 1 0年 的孔压等值线分布 图 d 9 鼙 耋 委 时 间 图 5 排水板地基 处理条件 下位置 6 9的超孔压变化 曲线 2 5真 空预压 处理 在插入 塑料 排水 板后 ， 先真 空预压 4个 月 ， 然 后 分层 堆载 干赤 泥 由于真 空预 压在 土体 内形成负 压 ， 所 以能促 进孔 隙水 的流 动 ， 同时 土体 在 自重作 用 下 固结沉降 图6为真空预压方案下赤泥库底部超孔 隙水 压力 随 时问 的变 化 曲线 一 山 出 * J 辋 一 1 2 3 一 d 一5 6 7 - 8 0 图 6真 空预 压 位 置 6 9的超 孔压 变化 曲线 从 图 6可以看 出 ， 在 开始 4个月 ， 超孑 L 隙水 压力 显 示为 负 压 ， 为 一7 0 一5 0 k P a 真 空 预 压 4个 月 后 ， 停止抽真空 ， 然后开始堆载 真空预压处理流塑 赤 泥 的排水 固结 问题是 有效 的 3 结 语 固结有 限元计 算 分析结 果表 明 ， 仅 堆载 干赤 泥 ， 流塑状 赤 泥堆 场 很难 完 成 固 结 ， 堆 载 引起 的超 孔 隙 水压力 难 以消散 究其 原 因是流塑 赤泥 渗透性 较低 在堆场 内插 入塑 料排 水 板 ， 可 有 效 地加 快 排 水 固结 速度 在堆 载 +塑料排 水板 联合方 案下 ， 赤泥 堆场 内 的超孔 隙水 压力 可及 时消散 ， 完成 固结 真空 预 压 可 以在 堆场 内形 成 负压 ， 能 促进 孔 隙 水的流动 ， 加快固结 ， 计算结果也表明了这一点 但 是 ， 考虑到时间因素， 真空预压在流塑赤泥堆场的固 结处 理上 有其局 限性 参 考 文 献 1 李全 明 ， 王云海 ， 付士根 ， 等 有 限元 数值计算 方法在 赤 泥堆场安全 评 价 中 的 应 用 J 轻 金 属 ， 2 0 0 7( 6 ) ： 1 2 1 6 2 罗敏杰 ， 董成 焱 台马沟赤泥堆场 的坝坡稳定分 析 J 有色冶金设计与研究 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 6 ) ； 5 7 3 欧孝夺 ， 樊克世 ， 饶平平 基于 G e o S l o p e的拜耳 法干式 赤泥堆 场 稳 定 性 分 析 J 金 属 矿 山 ， 2 0 0 9( 7 ) ： 1 1 5 1 1 9 4 王跃 ， 伍锡举 二维平面有限单 元法在 坝体渗流 稳定评 价 中的应用 J 矿产勘查 ， 2 0 1 0 ， 1 ( 6 ) ： 5 1 6 5 1 8 5 安艳芳 氧化 铝厂赤 泥堆场 库 区防渗层 的处理 J 有 色矿冶 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 6 ) ： 4 8 5 0 6 陈宁 ， 蓝蓉 浅析赤泥堆场 防渗 工艺设计 J 有 色金 属 设计 ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 1 ) ： 1 4l 7 ， 2 1 7 王 中美 ， 丁坚平 ， 褚学 伟 贵州 平坝 鸡大 陇赤 泥堆 场 岩 溶渗漏污染评价 J 工程勘察 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 4 9 5 2 Num e r i c a l An a l y s i s f o r Co n s o l i da t i o n Dr ai na g e Sc h e m e o f Re d M u d Di s p o s a l BI Q i n g - t a o ，J I A J i n g - c h a o ，HUANG Z h i q u a n ( N o a h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t：Re d mud wi t h flo w p l a s t i c s t a t e h a s hi g h wa t e r c o n t e nt a n d l o w s t r e n g t hThr o ug h t he d r a i na g e c o ns o l i d a t i o n t r e a t me nt ，t he de n s i t y a nd s t r e n g t h o f r e d mu d c a n b e i nc r e a s e d，t he s t a b i l i t y o f r e d mud d i s p o s a l c a n be e n ha n c e d，a n d t h e p o s s i bi l i t y o f l e a k a g e p o l 。 l u t i o n o f r e d mu d d i s p o s a l i s r e d u c e dUs i n g f i ni t e e l e me n t a na l y s i s f o r c o n s o l i da t i o n，t h e c o ns o l i d a t i o n d r a i na g e e ffe c t s o f t h r e e pr o g r a ms whi c h a r e h e a p e d l o a d i ng d r y r e d mu d，p l a s t i c d r a i n a g e p l a t e a n d v a c u u m p r e l o a d i n g a r e e v a l ua t e dBe c a u s e o f t h e l o w pe r me a bi l i t y o f r e d mu d，t h e e x c e s s p o r e wa t e r pr e s s u r e c a u s e d b y h e a p e d l o a di ng c a n no t b e d i s s i p a t e dTh e c a l c u l a t e d r e s u l t s s ho w t ha t u n de r t he c o n d i t i o n o f t h e u ni t e d pl a s t i c d r a i na g e p l a t e a nd h e a p e d l o a di n g，t h e e x c e s s p o r e wa t e r pr e s s u r e wi t hi n r e d mu d d i s p o s a l c a n be di s s i p a t e d i n t i me，a n d i t i s h e l pf ul t o e n l a r g e s t o r a g e c a pa c i t y Ke y wo r ds：r e d mu d；c o n s o l i da t i o n f i ni t e e l e me n t me t ho d；p l a s t i c d r a i na g e p l a t e；v a c u um pr e l o a d i ng ( 责任编辑 ：乔翠平 )