拜耳法赤泥“三維排滲筑壩”方法的研究

羅冬蘭，胡 虎

(1.南昌工程學院，江西 南昌 330099；2.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031)

1 概述

隨著全國各大鋁廠拜耳法生產氧化鋁的產量不斷提高，對應的拜耳法赤泥劇增。由于目前技術條件下，大量的赤泥得不到充分利用，如處理不妥，就會大面積地覆沒農田和污染水系，嚴重的污染環(huán)境，同時，赤泥中往往還含有目前尚不能回收的金屬物質，國內各大鋁廠只能選定一個場所將赤泥露天堆存。傳統的拜爾法赤泥堆放是一次筑壩，形成赤泥庫后，往庫內排放赤泥。該筑壩方式壩體工程量大或需要較大場地。

由于拜耳法赤泥天然含水量較高，天然重度較小，孔隙比較大，有很大的塑性，在外力作用下容易發(fā)生變形甚至出現液化，物理力學性能差，膠結性差，難以直接利用。

平果鋁廠通過實驗證明，自然干燥的原狀赤泥，及含水量在某一合適范圍內的碾壓或擊實赤泥，遇水不松軟崩解。利用拜耳法赤泥的這一特性，平果鋁廠首次采用碾壓拜耳法赤泥堆筑子壩；貴州某鋁廠利用已建庫區(qū)內干拜爾法赤泥堆筑擬建赤泥庫子壩；這些為拜爾法赤泥的堆放方式打開了新的方向。

拜爾法赤泥作為筑壩建筑材料使用，既可以廢物利用，又可減少赤泥堆場的筑壩成本。但是，目前國內運行赤泥堆場的赤泥壩裂縫和下部干赤泥吸水重新飽和等問題，危及了壩的安全。而赤泥壩的安全穩(wěn)定性，不僅涉及了企業(yè)自身的生產安全，同時關系到周邊及其下游居民的生命財產的安危。因此，尋找有效的赤泥筑壩方法意義重大，可有效的將拜爾法赤泥變廢為寶。

本文提出了利用三維排滲、土工格柵加筋和輪流晾曬相結合的工藝，實現拜耳法赤泥安全快速筑壩，本文稱之為“三維排滲堆筑”法，并進行了相關實驗，為拜耳法赤泥筑壩在實踐中的運用提供了一定的參考依據。

2 “三維排滲堆筑”方法

“三維排滲堆筑”的思路是：在平地上四面筑初期壩圍成尾礦庫，初期壩內側分區(qū)筑赤泥壩。初期壩對應的庫容(本文稱之為初期庫容)使用完畢后，用初期庫容中自然晾干的赤泥往上四周做子壩，同時填補初期庫容，接著再四周內側分區(qū)筑赤泥壩，如此循環(huán)。根據壩體的穩(wěn)定性和所需堆積的赤泥量，來決定堆積壩壩高和庫容大小。赤泥筑壩期間，利用了三維排滲和相鄰兩層赤泥堆體間鋪設的土工格柵加筋，加快了赤泥固結和增加了壩體穩(wěn)定，避免下部干赤泥吸水重新飽和。

2.1 赤泥排放

在赤泥壩區(qū)底部先鋪設一層碎石水平排滲層，再修筑縱橫向的碎石濾水堤，將壩面分成若干個小格，預埋垂直排滲井；將料管的出料口打開，赤泥交叉排放到各小格中。赤泥沉積在子壩區(qū)內，子壩填充到3～5m，經過10天晾曬后，再建新一級子壩。重復上述工作，直至堆積到設計高程。堆積壩的高度和壩面寬，主要取決于壩體穩(wěn)定和工程的經濟性。

筑壩過程中，保持從壩址處到堆場中央形成一定的坡度，促使赤泥分離水和降雨時的雨水匯集到堆場中央，并在中心位置設置排水井。

2.2 三維排滲

在堆壩過程中，赤泥壩體內，需分階段設置“垂直-水平三維排滲體”。水平排滲體和垂直排滲體(包括堆場中心處的排水井)是相通的，成為了一個排滲整體。 從一次堆筑赤泥壩的高度、穩(wěn)定和經濟的角度，在赤泥堆體間，水平布置碎石排滲層。垂直排滲，主要是利用滲井，滲井的井管可用帶花孔的高分子聚合材料管(高密度聚乙烯管和聚丙烯管等)，管井外填以粗砂或碎石等濾料，或外包土工合成材料作反濾層。三維排滲體沿壩軸線方向、水平和垂直方向的間距，一般主要取決于赤泥堆積壩的外坡、堆積物料的物理力學性質和化學性質、赤泥壩的高度等。

三維排滲共同承擔加速排出赤泥分離水和雨水的任務，可避免因上部的赤泥分離水或雨水，通過赤泥干燥過程中產生的裂縫及裂隙下滲，導致下部已自然干燥的赤泥。因為重新吸水飽和，下部的一些赤泥層含水量高于上部赤泥；此外，赤泥的滲透性較差，可能會出現由于排水緩慢，致使堆場內部赤泥長期被水浸泡，降低堆場內赤泥的強度，破壞赤泥壩的穩(wěn)定性。

2.3 赤泥壩加固

由于排放的赤泥泥漿隨時間的增長，赤泥內部水下滲、蒸發(fā)，含水量逐漸減小，赤泥本身壓縮固結，及堆場內赤泥各方向的排放順序、時間不同，不均勻沉降等導致裂縫的產生，影響著赤泥壩的穩(wěn)定。

在固結的赤泥子壩上，預先鋪設土工格柵加筋，再建新一級子壩，形成了赤泥纖維復合材料。一方面可以將分散性較高的粒狀赤泥組合為結構體，達到提高赤泥整體性的作用；另一方面可以減小裂縫的發(fā)育和赤泥壩體垮塌的下滑力，增加了筑壩的安全度。另外，在赤泥發(fā)生膠凝時，形成了一定等級的鋼筋混凝土結構，為壩體的永久穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。土工格柵加筋垂直方向的間距，可根據一次筑壩高度和壩體穩(wěn)定要求來確定。

這種筑壩方法的優(yōu)點是：無需專門碾壓設備；較適合北方平原地區(qū)。

3 實驗研究

3.1 試驗對象

試驗所選拜耳法赤泥屬粉質粘土，紅褐色，土質較均勻，不易析水、脫水和膠結，通常呈流塑-軟塑狀。天然含水量介于 48.2%～69.8%，平均值60.5%；天然重度介于 14.8～17.0kN/m3，平均值為 15.7kN/m3；孔隙比介于 1.383～1.901，平均值為 1.661；液限介于 55.3%～68.7%，平均值為 60.1%；拜耳法赤泥粒徑為 0.05～0.01mm占 5%，粒徑為0.01～0.005mm占 62%，粒徑<0.005mm占33%；滲透系數為 1.78×10-5～3.31×10-5。

由于拜耳法赤泥顆粒細，滲透性差，難于自然脫水沉積固結，脫水沉積與固結時間較長，經6個多月時間觀察，試坑內自然堆存赤泥僅表面出現龜裂現象，其下仍呈軟塑狀態(tài)。

3.2 試驗內容

本試驗測試了拜爾法赤泥的工程力學性質，并利用拜爾法赤泥三維排滲堆筑法堆筑堆放拜爾法赤泥。同時選了一個試驗坑，分別進行了相關的現場實驗，并通過實驗得出了在試驗坑中隨意堆放赤泥的狀態(tài)，和利用該法堆放的赤泥的強度指標值。

實驗庫平地上，四面筑7m高防滲初期壩圍成尾礦庫，場地地勢四周高中心低，中心處預埋垂直排滲井，排除滲濾水和雨水；初期壩內側底部防滲層上先鋪設一層碎石水平排滲層，再修筑縱橫向的碎石濾水堤，將赤泥堆場分成若干個小格，其間預先布設塑料花管碎石井垂直排滲，并與中心排滲井連接，形成三維排滲。打開料管的出料口，赤泥交叉排放到各小格。

赤泥沉積在堆場區(qū)內時，分區(qū)填充，每填高到3.5m時，換區(qū)填充。分別自然晾曬10天后，再往上填充赤泥。至初期壩對應的庫容用完，經過每一區(qū)都至少10天自然晾曬后，在一級子壩區(qū)和對應的堆場區(qū)上部鋪設碎石排水層，縱橫向修筑碎石慮水堤高3m。將一級子壩和堆場區(qū)分成若干格，在子壩區(qū)和堆場區(qū)內延長和加設垂直排滲井，形成三維排滲。用已膠結的赤泥修筑一級子壩高3m，往赤泥庫中交叉排放赤泥，至庫滿，詳見圖1。

圖1 試驗庫剖面示意

3.3 試驗結果

3.3.1 試驗坑

由于拜耳法赤泥顆粒細，滲透性差，難于自然脫水沉積固結，脫水沉積與固結時間較長。經8個多月時間觀察，試坑內自然堆存赤泥僅表面呈出現龜裂現象，其下仍呈軟塑狀態(tài)。

3.3.2 試驗庫

本實驗分別對至少都經過10d自然晾曬后的赤泥：初期壩對應庫容赤泥①，一級子壩赤泥②，一級子壩對應庫容內的赤泥③。進行了3～5組抽樣，分別進行了相關的力學指標測試，并得出各區(qū)赤泥的各項力學指標的均值，結果如表1～3所示。

表1 抽樣固結赤泥①強度指標取值

表2 抽樣固結赤泥②強度指標取值

表3 抽樣固結赤泥③強度指標取值

4 結語

通過對拜耳法赤泥進行三維排滲堆筑實驗，并進行強度指標測試，表明了“三維排滲筑壩”法可以有效排出赤泥中分離水和雨水，加速赤泥的自然固結，其強度指標在短時間內得到大大提高，滿足筑壩條件，加快了赤泥堆放的速度，能較好滿足鋁廠排放的需求。該法節(jié)省堆場空間，可以省去赤泥碾壓或擊實設備，可減少堆場筑壩成本。本研究為拜耳法赤泥快速堆放在實踐中的運用提供了一定的借鑒。

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