尾礦庫防滲工藝優(yōu)化及治理效果評(píng)價(jià)

楊宇鴻

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊 050000；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050000）

0.引言

隨著礦山企業(yè)發(fā)展，選礦規(guī)模不斷加大帶來尾礦庫擴(kuò)容需求，以及國家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，使尾礦庫滲漏問題凸顯出來。目前尾礦庫防滲治理多采用“截、堵、疏”等基本手段控制壩基滲流攜帶污染物對(duì)地下水環(huán)境造成影響，地下連續(xù)墻截獲庫內(nèi)滲流水在尾礦庫防滲治理中也得到了廣泛應(yīng)用。

1.工程背景

某尾礦庫選址于低山丘間谷地，三面環(huán)山，僅于南側(cè)修筑土石壩形成庫體。溝谷兩側(cè)山坡較緩，地形坡度為0°～6°。庫區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造作用影響，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育。區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水的垂直入滲及上游側(cè)向滲入補(bǔ)給，其徑流主要受地形條件及巖石節(jié)理裂隙控制；區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，無河流分布。

場區(qū)地層結(jié)構(gòu)由上到下分別為第四系殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖及中風(fēng)化安山巖。第四系殘坡積層主要由黏性土組成，含大量角礫和少量碎石，中等透水，滲透系數(shù)K為3.11×10-4cm/s，層厚15m～20m；強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖主要礦物成分為斜長石、角閃石和輝石等，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅳ～Ⅴ級(jí)，強(qiáng)透水性，滲透系數(shù)K為1.35×10-3cm/s，層厚15m～30m；中風(fēng)化安山巖斑晶為斜長石、角閃石和輝石等，基質(zhì)為隱晶質(zhì)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅱ～Ⅲ級(jí)，中等透水，滲透系數(shù)K為2.08×10-4cm/s，層厚約20m。

強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖地層巖體破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，為壩基的水平滲漏提供了主要通道，截獲該地層滲漏水成為施工設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。同時(shí)尾礦庫防滲治理工程中防滲墻及墻下帷幕注漿屬于隱蔽工程，其質(zhì)量控制和效果評(píng)價(jià)目前并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.“截、堵、疏”系統(tǒng)工程及優(yōu)化

2.1 “截、堵、疏”系統(tǒng)工程施工工藝

根據(jù)場地地層及水文地質(zhì)條件研究成果，針對(duì)場地防滲，采用了“截、堵、疏”系統(tǒng)工程作為本次設(shè)計(jì)方案。“截、堵、疏”系統(tǒng)工程方案總體思路是：截第四系地下水及季節(jié)性降雨補(bǔ)給水，堵第四系及下部的基巖裂隙水，疏上述截堵所產(chǎn)生的地下水[1]。

“截”即沿壩腳施工一條截滲溝，截滲溝施工完畢后充填礫石以起到截滲水的作用。“堵”即以前期副壩工程勘察線為基礎(chǔ)，在坡腳前沿施工一條防滲體，上部采用“墻”的方式進(jìn)行防滲，下部采用帷幕注漿方式進(jìn)行封堵。“疏”即在截滲溝的基礎(chǔ)上，在溝內(nèi)地勢(shì)低洼及透水性較強(qiáng)地帶設(shè)計(jì)集水井。通過集水井收集滲濾液，然后用水泵抽回到尾礦庫中。“截、堵、疏”系統(tǒng)工程示意圖如圖1所示。

圖1 “截、堵、疏”系統(tǒng)工程示意圖

工程實(shí)踐證明，“截、堵、疏”系統(tǒng)工程所形成截獲壩基水平滲流的3道防線，有效的控制了庫內(nèi)污染水體的運(yùn)移和擴(kuò)散。原庫區(qū)下游南側(cè)草場枯萎，地表濕潤，土地鹽堿化，經(jīng)過治理后地表土體逐漸變干，草場逐漸返青。治理前、后壩外草場情況如圖2和圖3所示。

圖2 治理前壩外草場情況

圖3 治理后壩外草場情況

2.2 “蓋帽法”工藝優(yōu)化

上部防滲墻為開挖治理工程工藝成熟，技術(shù)難度較低，能較為容易滿足設(shè)計(jì)要求，而下部帷幕注漿為隱蔽工程，地層節(jié)理裂隙分布不均一，施工技術(shù)難度較大，同時(shí)上墻下帷幕組合的施工工藝在強(qiáng)風(fēng)化火成巖地區(qū)施工具有極大難度。由于墻體與帷幕搭接位置處在強(qiáng)風(fēng)化角礫巖地層，強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，具有強(qiáng)透水性且不具備承壓性。當(dāng)注漿壓力稍大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)漿液順著防滲墻兩側(cè)向上冒漿的問題，當(dāng)注漿壓力過大時(shí)則會(huì)直接頂壞上部防滲墻體。當(dāng)注漿壓力較小，無法使?jié){液向遠(yuǎn)處運(yùn)移而無法達(dá)到設(shè)計(jì)的漿液擴(kuò)散半徑[2]。

防滲墻開挖回填后，墻體與周圍地層無法做到完全緊密貼合，當(dāng)注漿壓力增大時(shí)，墻底和墻體就會(huì)成為漿液運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道，解決冒漿的關(guān)鍵問題在于如何阻斷墻底和墻體所形成的優(yōu)勢(shì)通道，同時(shí)又能夠讓地層承受較大注漿壓力。經(jīng)過工程實(shí)踐，確立了“蓋帽法”工藝優(yōu)化。通過在墻體與帷幕搭接位置以下0.2m段內(nèi)使用較小注漿壓力進(jìn)行間歇式注漿，讓漿液在墻下形成一個(gè)“帽子”，該“帽子”能有效防止?jié){液順墻底和墻壁運(yùn)移，同時(shí)還能為上部地層和防滲墻提供一定的承壓能力，使下部帷幕注漿可用壓力增大。“蓋帽法”示意圖如圖4所示。

圖4 “蓋帽法”示意圖

“蓋帽法”具體工藝流程為：（1）1序孔同時(shí)在墻下鉆進(jìn)0.2m作為蓋帽段；（2）灌漿壓力采用0.2MPa，水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1 6個(gè)比及由稀到濃進(jìn)行灌注，變漿規(guī)則與正常帷幕灌漿規(guī)則相同；（3）當(dāng)灌漿過程出現(xiàn)地表冒漿即停止注漿，間歇4h；（4）重復(fù)步驟（2）和（3）直至在0.2MPa壓力下注入率小于0.4L/min時(shí)停止注漿。此時(shí)帽子蓋好。

3.治理效果評(píng)價(jià)

利用群孔抽水試驗(yàn)來驗(yàn)證上墻下帷幕防滲體的防滲效果，計(jì)算防滲體滲透系數(shù)。沿防滲體外側(cè)依次布置六口抽水孔并選取若干觀測孔觀測水位動(dòng)態(tài)。群孔抽水試驗(yàn)水位觀測圖如圖5所示。

圖5 群孔抽水試驗(yàn)水位觀測圖

本次群孔抽水試驗(yàn)各抽水孔影響半徑100m～220m。模擬范圍按抽水影響范圍適當(dāng)外擴(kuò)，取以抽水大井為中心，800m×570m的區(qū)域。抽水時(shí)，模擬區(qū)地下徑流由四周向抽水井流動(dòng)，假定在影響范圍外，水位在空間上保持不變。本次數(shù)值模擬在平面上將第一層分為兩個(gè)區(qū)，其中防滲墻單獨(dú)作為一個(gè)分區(qū)，其他區(qū)域作為一個(gè)分區(qū)；將第二層分為兩個(gè)區(qū)，其中帷幕體單獨(dú)作為一個(gè)分區(qū)，其他區(qū)域作為一個(gè)分區(qū)。根據(jù)礦區(qū)地下水位觀測孔當(dāng)天的觀測資料，選擇群孔抽水試驗(yàn)前一天的水位作為本次模擬研究區(qū)的初始水位，選擇群孔抽水試驗(yàn)的地下水位觀測孔的實(shí)測水位動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行全過程擬合，經(jīng)反復(fù)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)等不確定因素，直至觀測孔觀測水位與模擬水位歷時(shí)曲線相對(duì)擬合，得出結(jié)束抽水時(shí)刻流場圖如圖6所示[3]。

圖6 群孔抽水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻地下水流場圖（整體）

從擬合的群孔抽水試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻地下水流場圖可以看出防滲體內(nèi)側(cè)全部為紅色區(qū)域，表明該區(qū)域水位壅高，且無滲漏；防滲體外側(cè)自西向東顏色逐漸由紅、黃、綠、藍(lán)漸變，地下水位逐漸降低，表明該區(qū)域地下水流場與原始流場相吻合，外側(cè)流場未受防滲體影響；在緊鄰防滲體區(qū)域出現(xiàn)串珠狀低水位區(qū)域，此為抽水試驗(yàn)形成的降落漏斗，該現(xiàn)象表明模擬結(jié)果符合現(xiàn)場實(shí)際；防滲體內(nèi)外兩側(cè)流場表現(xiàn)出巨大差異，表明防滲體處形成了良好的隔水邊界。

4.結(jié)語

本文對(duì)尾礦庫防滲優(yōu)化工程進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過“截、堵、疏”系統(tǒng)工程的3道防線切斷了尾礦庫壩腳的水平滲流路徑，針對(duì)墻體與帷幕搭接位置的強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖采用“蓋帽法”工藝優(yōu)化解決了高注漿壓力下地表起鼓冒漿問題，設(shè)計(jì)的工程措施均具有可操作性，針對(duì)該類礦山地質(zhì)特點(diǎn)可有效防止尾礦庫的滲漏問題。同時(shí)利用群孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的水文地質(zhì)模型，模型對(duì)防滲優(yōu)化工程的效果評(píng)價(jià)具有較好的指導(dǎo)意義，同時(shí)治理效果評(píng)價(jià)方法適用性良好，可為類似防滲工程的評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。