Using random discrete fractures for representing preferential flow in waste rock piles with compacted layers

Stefan Broda, Eugenia Hirthe, Daniela Blessent, Michel Aubertin, Thomas Graf

In the proceedings of: GeoMontréal 2013: 66th Canadian Geotechnical Conference; 11th joint with IAH-CNC

Session: Landslides I

ABSTRACT: Waste rock piles are made of heterogeneous, coarse grained material partly covered by haul traffic compacted layers, which create highly contrasted hydrogeological conditions. The internal structure of the pile has a major impact on water movement and pore water pressure distribution, controlling groundwater contamination and slope stability. The prediction and interpretation of water distribution in waste rock piles is challenging. Results from previous numerical investigations of short and long term forecasts were found equivocal. The shortcomings of existing approaches are due, in part, to difficulties in representing preferential flow processes in macropores. This paper focuses on the use of random discrete fractures, a conceptual approach originally designed for massive fractured rock media, to simulate flow in a field-scale waste rock pile. The effect of representing fractures in the domain is examined with the numerical 3D fully-integrated surface/subsurface, saturated/unsaturated flow model HydroGeoSphere. Strongly contrasted zones of high and low degree of saturation were obtained inside the simulated pile, which includes inclined layers of compacted waste rock. Furthermore, retrieved vertical local velocities in macropores (i.e. cracks) were found to be up to two orders of magnitude larger than those obtained for the waste rock porous matrix, in accordance with field and lab-scale observations.

RÉSUMÉ: Les haldes à stériles sont construites de matériaux hétérogènes, à grains grossiers, partiellement couvertes par des couches fortement compactées par la circulation, ce qui crée des conditions hydrogéologiques très contrastées. La structure interne d'une halde a un impact important sur l'écoulement de l'eau et la distribution de la pression interstitielle, contrôlant ainsi la contamination des eaux souterraines et la stabilité de la pente. La prédiction et l'interprétation de la distribution d'eau dans les haldes à stériles est difficile. Les prévisions numériques précédentes, à court et à long termes, ont mené à des résultats équivoques. Les insuffisances des approches existantes sont dues, en partie, aux difficultés de représenter les processus d'écoulement préférentiel dans les macropores. Cette étude met l'accent sur l'utilisation d™un réseau de fractures discrètes, distribuées aléatoirement, pour simuler l'écoulement dans une halde à stérile à l'échelle de terrain, selon une approche conceptuelle conçue à l'origine pour les massifs rocheux fracturés. L'effet de ces fractures est examiné avec le code numérique HydroGeoSphere qui permet de simuler en 3D l™écoulement partiellement saturé dans les milieux fracturés. Des zones de saturation fortement contrastées ont été observées à l'intérieur de la halde. Les vitesses locales verticales dans les macropores (fissures) sont souvent supérieures, parfois jusqu'à deux ordres de grandeur, à celles obtenues pour le matrice poreuse, en accord avec des observations de terrain et de laboratoire.

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