“堵、截、疏”系統(tǒng)工程在尾礦庫滲漏治理中的應(yīng)用

袁勝超 ，高學(xué)通

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050021)

0 前言

我國是一個礦業(yè)大國，礦產(chǎn)資源的開采與選冶在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有重要地位，而尾礦庫作為金屬礦山選冶工程的重要輔助設(shè)施，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎礦山正常運(yùn)營和礦區(qū)生態(tài)環(huán)保。尾礦庫是有色金屬礦山重要的安全環(huán)保設(shè)施，也是礦山危險(xiǎn)性較大的設(shè)施，國際災(zāi)害事故排名中將尾礦庫危害列在第 18位，而在造成尾礦庫災(zāi)害的眾多原因當(dāng)中，尾礦庫滲漏是主要因素之一[1]。

我國尾礦庫防滲技術(shù)經(jīng)歷了多個歷史階段[2]，防滲工程技術(shù)從開始只在少數(shù)特殊礦山中采用，到現(xiàn)在對于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物和危險(xiǎn)廢物尾礦庫均要求采取可靠的水平防滲系統(tǒng)。因此，很多老舊尾礦庫因未設(shè)置防滲系統(tǒng)或設(shè)計(jì)施工不規(guī)范而存在庫底或壩基滲漏問題[3]，由此造成庫內(nèi)攜帶重金屬離子等多種污染成分的廢水向下游擴(kuò)散，對庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。但目前國內(nèi)相關(guān)規(guī)范僅對新建庫的防滲系統(tǒng)設(shè)置有明確要求，對于已閉庫和正在使用的尾礦庫滲漏治理問題缺少相關(guān)要求和治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究適用于不同類型尾礦庫滲漏治理的技術(shù)方法，是建設(shè)綠色礦山、踐行綠水青山發(fā)展理念必須要解決的問題。

1 庫區(qū)條件

擬治理尾礦庫是在一溝谷兩側(cè)分別修建主壩和副壩圍擋而成，庫內(nèi)貯存鉛鋅礦選礦剩余的尾礦漿，澄清后的尾礦水供選礦重復(fù)利用。該尾礦庫副壩為堆石壩，設(shè)計(jì)最大壩頂標(biāo)高為813.5 m，最大壩高為21.5 m，初期壩一次性筑壩，各期子壩采用分期加高的方式筑壩。當(dāng)前壩體為一期壩體，壩頂標(biāo)高806.5 m，二期筑壩最終壩頂標(biāo)高813.5 m，在一期壩外坡筑壩。

在二期筑壩清基過程中，發(fā)現(xiàn)副壩壩腳有庫內(nèi)滲液漏出，由于淺層第四系和強(qiáng)風(fēng)化地層透水性較強(qiáng)，滲液未露出地表，而是通過地下含水層向下游場區(qū)徑流，如果不采取治理措施，滲液中所含的重金屬等污染物將對庫區(qū)下游環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

1.1 工程地質(zhì)條件

為了提供有針對性的治理方案，設(shè)計(jì)對副壩沿線進(jìn)行工程勘察。通過勘察資料可知，場區(qū)內(nèi)由新到老主要分布素填土、腐殖土、含角礫黏性土、火山角礫巖和安山巖地層，各層巖土體強(qiáng)度和完整性見表1。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)，獲取各層的滲透性指標(biāo)見表2。

表1 巖土層強(qiáng)度和完整性統(tǒng)計(jì)

表2 巖土層滲透性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

1.3 場區(qū)條件分析

目前，對于已經(jīng)發(fā)生滲漏的尾礦庫而言，常規(guī)治理辦法是通過在滲液向下游排泄的主要徑流通道上設(shè)置地下垂直防滲體，切斷地下水流動路徑。對于地下防滲體的建造工藝，淺部松散層可選擇地下防滲墻、咬合樁、高壓旋噴或攪拌樁等多種形式[4-5]；而對于基巖地層因受到現(xiàn)有設(shè)備的性能限制，一般只能選擇帷幕注漿技術(shù)[6]。

根據(jù)場區(qū)地層分布情況，上部松散層和接近全風(fēng)化的火山角礫巖④和安山巖⑥強(qiáng)度較差，具備開挖成槽的條件，可以采用地下防滲墻；而④-1和⑥-1強(qiáng)風(fēng)化及下部中風(fēng)化巖層的單軸抗壓強(qiáng)度已達(dá)數(shù)十兆帕，適宜采用鉆孔注漿的方式形成防滲帷幕體，且幕體應(yīng)進(jìn)入⑤-1或⑦-1弱透水地層之中。

2 治理方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

綜合分析場區(qū)地層條件以及治理需求，單純采用堵的方式無法解決滲漏問題，因?yàn)槲驳V庫內(nèi)具有高于庫區(qū)周邊地表高程的水頭，被地下防滲體堵住流通路徑的滲液勢必溢出地表或從防滲體頂部溢流至下游區(qū)域。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)采用“截、堵、疏”系統(tǒng)工程作為治理方案。其中“堵”是在壩腳截滲溝下游一定距離施工地下防滲體，要求防滲體底界和兩肩進(jìn)入相對隔水層，以阻斷滲液運(yùn)移至下游區(qū)域；“截”是沿壩腳開挖一條截滲溝，開挖完畢后充填礫料，以起到截流尾礦庫淺層滲液的目的；“疏”是在截滲溝的基礎(chǔ)上，在溝內(nèi)地勢低洼及透水性較強(qiáng)地帶布置集液井收集庫內(nèi)滲液，然后用水泵抽回到尾礦庫中供選礦利用，避免產(chǎn)生滲液的地面溢流。

2.2 工程平面布置

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，治理方案包括地下防滲體、截滲溝和集液井3個部分。其中地下防滲體布置在副壩壩腳外圍10 m距離，兩端延伸至壩肩位置，在地形上保證兩端不存在滲液繞流；在地下防滲體與副壩之間設(shè)置截滲溝和多口集液井，井內(nèi)安裝抽水設(shè)備和液位自動控制裝置，以維持穩(wěn)定的地下水位。設(shè)計(jì)方案平面布置如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案平面布置

2.3 工程關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

結(jié)合場地工況條件和治理需求，治理方案中關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)概況如下。

2.3.1 堵——防滲體

（1）結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)場區(qū)巖土層分布特征，淺部松散層和全風(fēng)化基巖注漿效果差，適宜開槽澆筑混凝土防滲墻，下部強(qiáng)度高的基巖可采用帷幕注漿，防滲墻及注漿孔布置形式如圖2所示。

圖2 防滲體平面布置及垂向?qū)φ?/p>

（2）防滲性能：混凝土防滲墻滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s，注漿帷幕單位透水率不大于2 Lu。為了保證防滲體防滲性能，設(shè)計(jì)防滲墻厚度 600 mm，經(jīng)滲透穩(wěn)定性校核滿足耐久性要求，混凝土強(qiáng)度等級為C20，滲透性能不低于P6；帷幕注漿孔按兩排進(jìn)行布置，沿防滲墻體兩側(cè)分布，排距 600 mm，孔距1500 mm，兩排孔交錯布置。

（3）防滲頂界：以軸線場區(qū)實(shí)際地面高程進(jìn)行控制，保證上游地下水不發(fā)生頂部溢流。

（4）防滲底界：帷幕注漿底界進(jìn)入相對隔水層（單位透水率不大于 2 Lu的中風(fēng)化安山巖⑦-1或火山角礫巖⑤-1）深度不小于5 m；設(shè)計(jì)防滲墻平均深度7 m，注漿帷幕平均深度50 m。

2.3.2 截——截滲溝

截滲溝用于截流淺部被地下防滲體阻擋的滲液，布置在壩體與防滲體之間，開挖成槽后充填濾料，以起到護(hù)壁和濾水的目的。設(shè)計(jì)截滲溝開挖寬度1 m，深度2 m，其中充填豆礫石作為濾水層。

2.3.3 疏——集液井

集液井布置在地勢低洼和地層透水性較強(qiáng)的地段，一共設(shè)計(jì)集液井8口，要求成井直徑不小于800 mm，內(nèi)部下放直徑426 mm過濾管，濾管與孔壁環(huán)狀間隙內(nèi)充填豆礫石作為濾水層。

3 工藝優(yōu)化及關(guān)鍵部位質(zhì)量控制措施

3.1 工藝優(yōu)化

（1）混凝土防滲墻成槽工藝優(yōu)化。根據(jù)場地地層條件，原計(jì)劃采用沖擊鉆施工主孔，配合液壓抓斗抓取副孔的施工方案，槽段劃分如圖3所示。

但實(shí)際通過補(bǔ)充勘察和施工驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，沖擊鉆在地層條件下存在成孔效率慢、護(hù)壁困難等問題。為了保證在原計(jì)劃工期內(nèi)完成防滲墻施工，通過研究改進(jìn)，對于墻體深度大于5 m的區(qū)段，改為旋挖鉆機(jī)施工主孔，大幅提高施工效率；將墻體深度小于5 m的局部區(qū)段改為挖掘機(jī)窄斗明挖法施工。通過上述兩種工藝的結(jié)合，成墻效率顯著提高。

圖3 防滲墻槽段劃分

（2）帷幕注漿工藝優(yōu)化。通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的分段純壓式和孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式注漿工藝針對薄覆蓋層風(fēng)化基巖注漿均存在明顯缺陷。采用純壓式的注漿孔注漿量較少，注漿效果難以保證；采取循環(huán)式的注漿孔，由于場區(qū)覆蓋層較薄，注漿頂板埋深淺，在灌注施工過程中，極易發(fā)生地面冒漿，造成施工效率大幅降低，嚴(yán)重影響工期進(jìn)度。

針對上述兩種注漿工藝在該場區(qū)注漿試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的主要問題，明確了場區(qū)風(fēng)化基巖微裂隙地層更適用于循環(huán)注漿方式，但孔口封閉是造成地面冒漿和射漿管增長的主要原因。為此，常規(guī)的孔口封閉循環(huán)注漿方式的主要改進(jìn)措施是改孔口封閉為孔內(nèi)封閉，形成局部循環(huán)的注漿方式，如圖 4所示。

采取上述工藝避免了孔口封閉造成注漿段過長，孔內(nèi)殘留漿液多的問題，同時降低了因射漿管過長而造成孔內(nèi)固管事故，減少了注漿后的掃孔工作量和地面冒漿情況，應(yīng)用效果良好。

3.2 關(guān)鍵部位質(zhì)量控制措施

根據(jù)場區(qū)地層垂向分布特征，采用了“上部混凝土防滲墻+下部注漿帷幕”的結(jié)構(gòu)形式，其搭接部位的防滲質(zhì)量是關(guān)乎整個防滲體防滲性能的關(guān)鍵之處。通過研究改進(jìn)，關(guān)鍵部位質(zhì)量控制措施如下。

圖4 孔內(nèi)封閉局部循環(huán)注漿工藝

（1）因防滲墻防滲性能優(yōu)于注漿帷幕，在施工過程中，對于機(jī)械設(shè)備開槽能力范圍內(nèi)的地層，最大限度增加墻體深度，保證墻底基巖完整穩(wěn)定，有利于后期注漿施工。

（2）加強(qiáng)成槽后的清孔換漿，最大限度降低混凝土澆筑時孔內(nèi)泥漿中的巖粉雜質(zhì)含量，減少墻底沉渣厚度，保證墻底防滲質(zhì)量。

（3）加強(qiáng)接觸帶注漿質(zhì)量控制，減少墻底首段注漿段長，使其最大不超過2 m，通過增加注漿壓力，降低漿液濃度等綜合措施，保證漿液在墻體周邊的擴(kuò)散搭接。

4 結(jié)論

（1）針對有色金屬礦山尾礦庫滲漏治理存在的普遍問題，結(jié)合場區(qū)工況及水文地質(zhì)條件，提出“堵、截、疏”系統(tǒng)工程方法，阻斷庫內(nèi)滲液擴(kuò)散通道，同時截流回收利用，以多重手段保護(hù)庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（2）為了保證防滲墻成墻效率和帷幕注漿質(zhì)量，研究改進(jìn)防滲墻成槽施工方法，創(chuàng)新孔內(nèi)封閉局部循環(huán)注漿工藝和設(shè)備，保證防滲體施工質(zhì)量。

（3）對于已閉庫和正在使用的尾礦庫的滲漏治理，在難以重新構(gòu)建庫內(nèi)水平防滲系統(tǒng)的條件下，本文提出的“堵、截、疏”系統(tǒng)工程具有一定的適用性和推廣價(jià)值。