赤泥尾礦庫氣驅排滲降水試驗研究

汪 泉 付文堂 邢愛國 劉 寧 吳泉澳

（1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.吉林省華冶環境治理有限公司，吉林 龍井 133400；3.上海勝義環境科技有限公司，上海 200240）

赤泥尾礦庫是在氧化鋁生產過程中用于儲存各類金屬或非金屬礦山選礦后排出尾礦的場所，含鐵礦石較多時呈紅褐色，故名“赤泥”［1-3］。尾礦庫多采用上游式構筑，受排礦方式影響，往往細粒夾層較多且滲透性較差，為確保并改善尾礦堆積壩的穩定性，需降低壩體浸潤線，加速赤泥脫水固結，故常采用降水排滲的方式加固尾礦庫［4-5］。目前尾礦庫常用的滲流控制措施有管井法、虹吸管法、輕型井點法、垂直—水平排滲系統、水平排滲井法、輻射井法，排滲管法和槽孔管法等，根據尾礦庫的實際情況可以選擇不同的排滲方式［6］。黃雯等［7］在楊家灣尾礦庫排滲加固實踐中采用輻射式排滲井，通過多層敷設水平濾管和壩體表面水平濾管聯合排滲工藝，提高了尾礦庫排滲能力，降低了壩體浸潤線，確保了尾礦庫安全運行。劉勝等［8］通過室內模型試驗開發新型復合排滲管，優化排滲管的排滲路徑，提高了排滲管的排滲能力和抗淤堵性能。龍騰等［9］采用垂直水平聯合自流排滲方式解決江西銅業集團銀山礦業尾礦庫安全問題，有效地保證了壩體穩定性。由于尾礦庫滲流場的復雜性，想實現經濟高效排滲并不容易［10］。因此，一種新型氣驅排滲技術被提出并已在實際工程中得到使用。

氣驅排滲在垂直排滲工法基礎上引入了氣驅系統與槽孔管，具有良好的排滲效果，目前對于氣驅排滲的試驗研究相對較少。本項目以澳大利亞Yarwun赤泥堆場排滲加固工程為研究背景，采用氣驅系統以及槽孔管等新型排滲設備開展了氣驅排滲現場試驗研究。利用孔壓靜力觸探（CPTU）及室內固結試驗測定赤泥堆場地層信息與土體性質，對降水過程中涌水量和孔隙水壓力進行實時監測，并通過對比排滲前后赤泥物理力學性質的變化，探討了新型氣驅排滲對赤泥尾礦庫的加固效果。

1 氣驅排滲系統結構簡介

本次現場試驗所使用的新型氣驅排滲，是在垂直排滲的基礎上引入氣驅系統和槽孔管，最高可以在排滲井中產生0.1 MPa的真空負壓，加速孔隙水的析出，提高降水效率，加固尾礦庫。

如圖1所示，垂直排滲井采用雙管結構，內管降水設備由高壓進氣管、出水管和進水管三部分構成。高壓進氣管是氣驅系統的重要組成部分，其底部伸入進水管，當輸入的高壓氣體通過進水管時會在管底產生較高的真空負壓，傳遞到土層后形成一定范圍的真空滲流場，加速孔隙水的滲流，源源不斷地吸入孔隙水，形成向上移動的水氣混合物。進水管采用直徑較小的槽孔管，外包與土層粒徑配套的不銹鋼網作為反濾層，提高抗淤堵能力。出水管為?40 mm的實壁PE管，將水氣混合物輸送出井外。

氣驅排滲豎井外管構造與管井相似，由井口、井壁管、槽孔管和沉砂段等部分組成。井口頂部通過活套法蘭焊接在一起，法蘭盤上留有高壓進氣管口和出水管口，2個管道穿過法蘭盤伸入排滲井。井壁管材料可用鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管或塑料管等不透水管材制造，用于加固井壁。槽孔管結構如圖2所示，普通過濾器滲流面積小，為了避免開孔過多造成淤堵，開孔率不得超過15%，而氣驅排滲槽孔管使用矩形滲流槽代替普通排滲管中的圓孔直接和尾礦接觸，可以擴大滲流面積，斷面開12個槽，槽寬10 mm，為表面積的50%［10］。槽孔管外的不銹鋼網可以把土層中的粗顆粒阻隔在排滲管外，形成一個天然的反濾層，從而使得排滲管的影響范圍擴大。這種結構使排滲管在不增加管周碎石導排層的情況下實現高效排滲，可為地基深層安裝排滲管創造條件。沉砂段接在槽孔管下面，用于沉淀進入排滲井的砂礫和來自地下水的固體顆粒。

2 氣驅排滲降水試驗

2.1 赤泥堆場地質特征

試驗場地位于澳大利亞Yarwun赤泥堆場內，如圖3所示。

赤泥是一種紫紅色的固體顆粒，從巖土體性質來看，相當于一種類黏性土回填物，顆粒極細，含水時呈軟塑—流塑淤泥質狀態。室內固結試驗結果見表1。

可以看出赤泥土樣的密度、壓縮模量隨著固結壓力的增大而增大，孔隙比以及滲透系數隨著壓縮模量的增大而減小，壓縮指數不隨固結壓力變化。固結壓力在100～200 kPa時，壓縮指數大于0.4，滲透系數也小于10-7m/s，屬于典型的高壓縮性低滲透性土。

采用孔壓靜力觸探法（CPTU）對試驗場地土層進行測試，根據 Robertson［11］提出的 SBT 圖法，引入了SBT指數Ic劃分土層。如圖4所示：場地①層主要為粉質黏土，錐尖阻力變化較大，Ic≤2.6，土質不均勻，含少量粉砂混合，厚度為5 m；②層為淤泥質黏土，錐尖阻力小，2.6＜Ic＜3.5，含少量粉質黏土混合，厚度為25 m。圖4（c）中u2是由錐肩處測得的貫入孔壓，地下深度2 m以上孔壓基本為0，推測地下水深度為地下2 m，u0是以地下水位埋深為2 m畫出的靜水壓力曲線。可以看出赤泥自上而下均存在超孔隙水壓力，土層并未固結完全，且一直處于飽和狀態。

2.2 試驗方案

在澳大利亞Yarwun赤泥堆場內進行現場氣驅排滲試驗，歷時30 d結束，試驗布置如圖5所示。試驗場區內布置4口排滲井，編號為W1～W4，井徑均為200 mm，井深分別為22 m、22 m、19.9 m和20.7 m。降水過程中采用自動化水表進行涌水量的統計，觀測頻率為每30 min一次，水量平衡后每2 h觀測一次，觀測精度為±0.01 m3。WP1～WP3為孔隙壓力監測點，在各測點深度為6 m、10 m和15 m位置分別安裝孔隙水壓力計，觀測孔隙水壓力變化，觀測頻率為4次/d，觀測精度為±1 kPa。CPTU1和CPTU2為靜力觸探測試點，分別進行了排滲前和排滲后2組孔壓靜力觸探試驗，通過對錐頭貫入深度土層的工程參數分析，可得到降水排滲前后土體強度的變化情況。

3 現場監測結果分析與討論

3.1 日涌水量變化

單井及總體日涌水量統計結果如圖6所示。由圖6可見，4口井總日涌水量呈現緩慢下降至穩定的規律，在降水幾天后基本處于穩定狀態，這說明排滲管滲流狀態良好，槽孔管起到了良好的排滲效果。單井日涌水量在降水前期緩慢下降，因為赤泥含水量在隨降水持續時間而減小，導致了涌水量降低，同時排滲井附近的土體隨著孔隙水的排出被固結壓密，孔隙比減小，滲透系數降低，進一步限制了孔隙水的析出。

3.2 孔隙水壓力變化

本次現場試驗的孔隙水壓力監測結果如圖7所示。孔隙壓力值均隨著降水持續時間而下降，孔隙水壓力的消散主要是由于水位下降引起的，氣驅系統產生的真空負壓在排滲井周圍一定區域內形成真空滲流場，使得排滲井與周圍土體存在壓強差，在壓強差作用下，赤泥中孔隙水加速排出，導致地下水位下降［12］。孔隙壓力變化可以反映排滲井降水的影響半徑以及井中真空度沿深度的變化規律。由圖7可見，同深度下孔隙壓力在WP1與WP2處變化明顯，在WP3處變化很小，說明排滲井降水影響對距離排滲井較遠的WP3測點作用小，4口排滲井的影響半徑約為WP3測點到4口排滲中心位置距離（10 m）。對比不同深度孔隙壓力在排滲降水30 d后的變化，WP1測點在6 m、10 m以及15 m深度的孔壓分別下降了5.4 kPa、12.6 kPa和15.4 kPa，WP2測點的孔壓分別下降了7.9 kPa、15.6 kPa和21.6 kPa，同一個測點孔隙壓力的減小幅度在隨著深度增加而增加。這說明，深部土層受到真空滲流場的影響顯著，真空度在隨著深度遞增，這樣深層真空負壓大，更有利于深層地基的排滲加固。

4 加固效果分析

為評價氣驅排滲的加固效果，對場地的加固效果進行前后對比CPTU試驗［13-14］。

赤泥堆場在降水前后錐尖阻力和摩阻比的變化情況如圖8所示。從加固前后場地錐尖阻力與摩阻比的變化來看，土層的錐尖阻力明顯增加，而總的摩阻比在減小，說明土體性質有所改善，地基得到加固。此外，對于地下22 m深度以上土層，隨著深度增加，錐尖阻力變化幅度逐漸增加，深層的加固效果要優于淺部土層，因為氣驅排滲產生的真空負壓從上往下逐漸增加，深層真空度大，加固效果好。在22 m深度以下土層的錐尖阻力變化很小，這是由于氣驅排滲井的最大長度為22 m，排滲加固效果在地下前22 m體現比較明顯，而摩阻比仍在減小，說明在地下22 m深度以下土層也得到了加固。

赤泥堆場在降水加固前后的不排水抗剪強度變化如圖9所示，由圖9可見，其規律與錐尖阻力的變化情況一致。結合表2定量分析，赤泥土的不排水強度在不同深度有不同幅度增加，地下5 m和15 m深度土層在降水排滲后的最終強度提高幅度達65.9%、67.8%，說明利用氣驅排滲降水對地基加固起到了良好的作用。滲透系數總體在減小，因為土體發生固結壓縮，隨著孔隙比的減小而減小。雖然不排水抗剪強度在地下25 m增加幅度不大，但有效應力增加了33%，滲透系數減小了50%，說明氣驅排滲降水對于超出排滲井深度的土層加固效果也比較顯著。

5 結論

利用孔壓靜力觸探試驗和室內固結試驗對澳大利亞Yarwun赤泥尾礦庫的地層信息與土體性質進行測定，采用新型氣驅排滲技術進行降水試驗，得到以下結論。

（1）澳大利亞Yarwun赤泥堆場采用的新型氣驅排滲降水工藝是在垂直排滲工法基礎上引入氣驅系統和槽孔管。氣驅系統可產生真空負壓，形成滲流場，增加排滲加固的深度；槽孔管可提高排滲井的抗淤堵能力，實現穩定排滲。

（2）孔壓靜力觸探測試以及室內固結試驗結果表明，赤泥尾礦庫上層為粉質黏土，下層為淤泥質黏土，屬于高壓縮性低滲透性土。

（3）日涌水量與孔隙水壓力監測結果表明，槽孔管保證日涌水量很快趨于穩定，氣驅系統產生的真空負壓沿著排滲井自上向下遞增，深層赤泥中真空度大，有利于深層地基加固。

（4）現場CPTU在降水前后的原位測試表明，加固后不排水抗剪強度與有效應力明顯增加，滲透系數比加固前減小，對于深層土體的加固效果顯著。