巖溶區某鋁土礦排泥庫防滲漏綜合治理概述

陳哲，駱巍，何同慶

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

排泥庫作為尾礦庫的一個分支，是桂西堆積型鋁土礦所配套的濕排尾礦設施，多利用天然洼地并在四周埡口一次性筑壩形成庫容。與傳統尾礦庫相比，排泥庫所儲存泥漿呈流體狀態，濃度僅30%左右，礦泥粒度-0.074 mm占90%以上，極難排水固結，盡管利用地形一次性筑壩堆存，但庫址多位于巖溶發育區，極易發生泥漿泄漏事故。

近年，相關專家、學者對巖溶區尾礦庫、排泥庫的滲漏防治做了大量的研究分析。宋志[1]分別給出了尾礦庫基建期、運行期的巖溶裂隙、落水洞、水平溶洞、巖溶強發育區及尾礦巖溶塌陷等具體處理措施和方法。程峰、劉婷等[2-3]通過具體的工程案例，提出了滲漏點治理、導水通道治理以及庫區防排滲的巖溶區尾礦庫綜合治理技術。施燦海等[4]提出選擇碎石換填和防滲膜嵌固聯合的“柔性”處理方案，對巖溶洼塘底部進行地基處理。歐孝奪、全守岳等[5-6]對巖溶區排泥庫泥漿深層泄漏機理進行了相關研究，認為在進行排泥庫選址時應充分探測該地區的地址構造情況，對危害排泥庫安全的溶洞進行施工處理，在源頭上進行防控和治理。何同慶[7]總結了近30 a的巖溶地區排泥庫設計與建設的實踐，對巖溶區排泥庫選址原則給出了指導性意見。

此外，水利行業對巖溶區水庫的防滲漏治理相關研究同樣值得借鑒。符鋒、黃國芳等[8-9]提出采用帷幕灌漿的方法可以有效減少庫區滲漏，并詳述了巖溶區帷幕灌漿設計和施工重點。王暢、陳才明等[10-11]針對大型溶洞提出了自密實混凝土回填+高壓噴射灌漿+鋼管樁+周邊引排的永久綜合處理措施。

綜合以上研究成果，本文依托巖溶區某新建鋁土礦排泥庫，根據其庫區工程地質條件、水文地質條件及巖溶發育特點，制定了一套完善的防滲漏治理方案，可為后續巖溶區排泥庫建設提供參考。

1 工程概況

新建排泥庫位于廣西百色市一處天然洼地，四周高、中間低，終期標高930 m，庫內設1座內壩（碾壓堆石壩），庫周6座外壩（2座埋石混凝土重力壩，4座碾壓堆石壩），最大壩高30 m，總庫容4036×104m3，有效庫容 3914×104m3，屬于三等庫。庫內排洪系統采用排水井-隧洞型式，設有 3座46 m高窗口式排水井；隧洞長約2600 m，圓拱直墻型，凈斷面1.5 m×1.8 m，平均坡降為1.5%。隧洞出口接明渠，最終接入下游應急池。

2 特殊地質條件和巖溶發育

2.1 庫區斷層

庫區斷層如圖1所示。庫區有2條斷裂構造穿過，吉烈斷裂F4和坡周斷裂F9。其中吉烈斷裂F4由于受北東—南西向的坡周斷裂在庫區內錯斷，分成2段。

圖1 庫區斷層示意

更粘-隴峒斷裂（F4-1）總體走向北西，傾向南西，長約3.5 km，斷裂帶發育寬約3～10 m不等。斷裂通過處負地形地貌發育，主要沿灰巖山體間線狀谷地發育。庫址內斷裂沿谷地長軸方向發育，水系多沿斷裂走向發育，沿斷裂走向上可見溶洞呈串珠狀分布。該斷裂在庫區內表現為走滑特征，裂隙多以垂直發育，具有導水性。

隴峒-敏明斷裂（F4-2），斷層總體走向北西，傾向北東，長約4 km，破碎帶寬約9～18 m不等。斷裂通過處負地形地貌發育，沿途可見斷層陡坎發育，局部見擦痕。該斷裂在庫區內表現為走滑特征，裂隙多以垂直發育，具有導水性。

內屯—坡周斷裂（F9）該斷裂總體走向北東，傾向以南東為主，個別北西，長約9 km，影響寬度為20～35 m。該斷裂在庫區內派生次一級斷裂F9-1，F9-1位于F9斷裂南東側150 m處，與F9斷裂基本平行，影響寬度約30 m。鉆探揭露主要表現為庫內內壩一側鉆孔多見角礫巖，角粒粒徑0.5～3 cm不等，多倍方解石充填膠結。該斷裂在庫區表現為沿線裂隙劈里較為發育，巖心局部較為破碎，具有相對阻水性質。

上述斷裂均為不活動性斷裂，斷裂在庫區內穿過處主要表現為沿斷裂帶及周邊巖體破碎、裂隙理發育和巖溶發育。

2.2 庫內積水

庫區內地表水系不發育，但雨季或暴雨季節，在雨水及大量地下水的補給下，由于 F4斷裂具有導水性，而 F9斷裂具有阻水性，導致地下水在庫區兩個洼地內積聚成兩個水塘（以下稱北水塘、南水塘）。北水塘水源主要是庫區外圍西北側一帶的地下水及周邊雨水，暴雨季節地下水通過北西向的導水斷裂F4-1形成徑流帶徑流，在庫區中部受相對隔水的北東向斷裂 F9的阻攔，徑流不暢，在北段庫區內沿巖溶構造發育的軟弱地帶以落水洞及季節性泉的方式涌出，并在庫區北側洼地積聚。北水塘的積水大部分從庫底、山體裂隙及落水洞向東北流出庫區，最終出露于現有應急池。因水塘南側地勢較低，部分積水通過地表往庫區南側洼地匯流。南水塘水源主要是降雨后庫內積聚的雨水、庫區外西側一帶的地下水以及北水塘通過地表漫流補給的地表水。庫區西側的地下水通過巖 溶裂隙往南側洼地徑流，以季節泉或落水洞的形式涌出。

2.3 巖溶發育概述

庫區屬峰叢-洼地地貌單元，分布的巖層主要為可溶性碳酸鹽巖；構造發育，有2條斷裂及其派生的次一級斷裂在庫區相交，地質構造及水文地質條件錯綜復雜，為巖溶的發育提供了有利條件。巖溶作用沿層理以及各種構造帶、節理裂隙面發育，是泥漿滲漏的主要通道。

2.3.1 巖溶形態特征

庫區岸坡以裸露型巖溶為主，底部裸露型巖溶與覆蓋型巖溶均有分布，以覆蓋型巖溶為主。庫區為一大型的峰叢-洼地組合巖溶形態，地表巖溶形態有石牙、溶蝕裂隙、沖溝、落水洞、溶洞(穴)、土洞、溶蝕塌陷等，規模不一；地下巖溶形態有溶蝕裂隙、溶洞及隱伏的溶溝（槽）。

2.3.2 巖溶發育規律

平面上，庫區的巖溶主要發育方向與谷地的走向及 F4斷裂的走向一致，為場地溶蝕裂隙的主要走向。空間上，受區域剝蝕和溶蝕旋回控制，巖溶發育呈“階梯”式坎狀。在標高890～910 m以上峰叢區，以垂直型發育的巖溶為主，表現為落水洞、垂直向溶蝕裂隙集中發育；在標高830～860 m山腰地段，以順層理或水平面發育的巖溶為主，表現為溶蝕洼地、溶洞及落水洞等集中發育；在庫區洼地地平面以下以垂直型溶蝕裂隙、落水洞、漏斗、溶蝕塌陷等巖溶發育為主。庫區的巖溶亦受區域地下水徑流-排泄基準面變化影響，表現為以垂直向發育巖溶形態與水平向發育巖溶形態隨地勢呈交替集中發育的特點。

3 治理方案

3.1 溶洞處理

根據巖溶區建庫經驗，盡管勘查采用了多種方法查找巖溶，但絕大部分溶洞均是施工過程中大開挖找到的，尤其是庫底周邊有較薄土層覆蓋的區域。施工過程進行勘查有利于指導實施正確的施工方案，并填補詳勘的不足。同時根據不同類型巖溶發育的特點，對不同類型的巖溶分別采取不同的措施進行處理，主要處理措施包括：裂隙塊石卡堵、預埋通氣管、洞內塊石回填、素混凝土封堵、鋼筋混凝土封堵、注漿封堵裂隙及雙向反濾層等。本文選取以下兩種典型的巖溶處理方案進行介紹，其他巖溶可參照處理。

（1）邊坡大型溶洞。此類溶洞高程較高，一般不會出現溢水現象，容易形成泥漿滲漏通道和存在地下氣壓頂托、吸附鋪蓋的不利作用。該類型溶洞應深入內部進行封堵，防止塌陷；同時預埋通氣管以平衡洞內外氣壓；洞內采用塊石或毛石砼回填，設置雙向反濾層防止泥漿滲漏，洞口再根據地形條件設置不同類型的地表鋪蓋，如圖2所示。

圖2 邊坡大型溶洞處理方案示意

（2）與地下河連通的落水洞。此類溶洞在庫底較為多見，由于庫區地下水位較高，溶洞均與地下河直接連通，洞內均設置通氣管和排水管。通氣管伸出地表后與邊溝內主排水管相通，以保持洞內外壓力均衡，防止產生負壓，破壞防滲層；排水管伸出地表后連通邊溝內主排水管，將雨季地下河上涌的水引至隧洞排往庫外，防止地下水對庫底防滲層產生頂托作用，造成防滲層破壞，如圖3所示。

圖3 與地下河連通的落水洞處理方案示意

3.2 斷層處理

雖然庫區的斷裂構造均為不活動，但是各斷層及其附近巖溶均十分發育，滲流通道呈現集中分布現象；導水、阻水斷裂在庫內相交，地下水排泄通道錯綜復雜，雨季庫底大量積水，對庫底安全帶來十分不利的影響。為消除斷層對排泥庫建設的不利影響，宜將庫底斷層范圍的土層盡可能開挖，找出地下水排泄通道，尤其是集中滲流通道，將地下水直接自流排往隧洞，一方面確保庫底具有足夠的強度不發生塌陷；另一方面及時將地下水進行疏導和外排，消除地下水水位反復漲落對庫底產生頂托、吸附、沖刷等不利作用。對于邊坡斷層，則主要是巖溶的治理和斷層防滲，防止大量水從集中通道滲流進入斷層，從而誘發地震。

F4-2斷層庫底區域為庫底土層較厚區域，平均土層厚度超過10 m，其中西側區域勘察期間有一鉆孔深80 m未見基巖，且其中有約5 m厚為黑色膠泥土。為防止該區域后期承受礦漿荷載發生沉降，導致庫底防滲層發生破壞，在F4-2斷層庫底區域上部設置4～8 m沉降堤，以適應斷層下部土層沉降變形，確保該區域庫底防滲層安全穩定。

3.3 邊坡處理

庫區邊坡面積較大，邊坡型式及處理側重點不同，應劃片區針對性處理。F9斷裂以南區域巖溶非常發育，應適當提高處理標準，以提高邊坡的防滲漏安全性。根據各區域的標高、巖溶發育情況、地層情況以及岸坡坡度，采用不同形式邊坡處理方案。

碎石反濾鋪蓋：石芽出露或覆蓋土層較薄的區域，清除裂隙土至基巖、爆破+人工找平、鋪設20 cm厚碎石、土工布。陡坡噴漿鋪蓋：陡坡、陡崖區域，爆破粗平、石縫土工布賽條/塊石卡堵、5 cm或10 cm厚噴射混凝土、土工布。內凹邊坡鋪蓋：邊坡局部凹陷的區域，爆破粗平、凹陷區域干砌、漿砌或澆筑混凝土找平、5 cm或10 cm厚噴射混凝土、土工布。黏土加強鋪蓋：南庫段石芽出露或覆蓋土層較薄的區域，在碎石反濾鋪蓋的基礎上，表層設兩層土工布，并在土工布之間設置一層50 cm厚的黏土幫助防滲。土坡防滲鋪蓋：南庫段土層較厚難以開挖至基巖的區域，土層翻填2 m厚，依次設置5000 g/m2膨潤土毯、1300 g/m2復合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排滲層（內設排滲管網接入隧洞）、1300 g/m2復合土工膜（兩布一膜），確保水不下滲侵蝕邊坡土，保障土坡穩定，如圖4所示。

圖4 邊坡大型溶洞處理方案示意

多種鋪蓋型式更符合施工實際，使邊坡處理更容易操作，并節省投資。另外，應將邊坡由930環庫路至庫底一次性爆破粗平，避免分期爆破落石砸破土工布導致滲漏。

3.4 庫底處理

根據庫底復雜的工程地質和水文地質條件，庫底處理的重點有以下兩個方面：一是設置可靠的地下水排泄系統，將庫底集中上涌的地下水以及通過裂隙滲出的地下滲水及時進行疏導，排出庫外，消除地下水對庫底的淘刷作用和對防滲系統的頂托作用；二是為了防止大量水和泥漿從地下巖溶管道集中滲流，在全庫底設置多種形式的復合防滲層，從“面”上防止泥漿泄漏。庫底綜合防滲排水系統如圖5所示。

圖5 庫底綜合防滲排水系統示意

3.5 地下水導排

與以往排泥庫不同，該排泥庫雨季地下水位較高，庫底積水達15 m，如何有效安全地疏導地下水是該庫建設的重點和難點。本研究提出在庫底防滲層之下設置地下水導排系統，即地下水直排系統和地下水排滲系統相結合方式，有效排泄地下水，消除庫底安全隱患。

（1）地下水直排系統。庫底完成斷層及隱伏巖溶處理之后，在與地下水有水力聯系的泉眼均預埋直排管（DN108鋼管），出地表后就近組合接入一根直排主管（DN325鋼管），對于涌水集中的大型泉眼，單獨設直排管（DN711、DN325鋼管）。直排管尺寸及數量根據3年內現場踏勘的泉眼涌水量確定，采用溝埋式鋪設，除 DN108管外全部包鋼筋混凝土受力。庫底共設置4個地下水導排片區，各片區均設置有支隧洞，直排主管分片區各自獨立順地形自流接入支隧洞中，最后經主隧洞及明渠排出庫外。

（2）地下水排滲系統。考慮到巖溶地區巖層千瘡百孔，肉眼能夠觀察到的地下水出露點有限，盡管地下水直排系統可有效地排泄部分地下水，但是仍有大量地下水可從巖溶裂隙中涌出并在庫底積聚。因此可另設置地下水排滲系統，即在直排系統上部布置一層或多層集水管網（DN108鋼管開花孔并包裹土工布），分片區接入主管（DN325鋼管），支管及主管數量由各片區涌水量確定，并最終引入隧洞排泄出庫外。

往年雨季地下水位最高為808 m，試運行期間（正值雨季）庫底最低處795 m，庫底防滲層安全穩定運行；隧洞內排水管出水量穩定，地下水導排系統排水效果顯著，達到預期目標，為庫底滲透安全提供了強有力的保障。

3.6 膜間排滲、環庫集滲

遵循“面”上防滲的原則，本研究在庫底設置膜間排滲系統，以及在庫底、邊坡交界處設置環庫集滲系統，防止庫內水垂直下滲以及邊坡水下滲，影響庫底穩定。

（1）膜間排滲系統。為防止庫內泥漿及泥漿水下滲，在庫底設置復合防滲鋪蓋，工藝由下至上依次為覆土翻填碾壓2.0 m（邊溝為4 m）、5000 g/m2膨潤土毯、1300 g/m2復合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排滲層、1300 g/m2復合土工膜（兩布一膜）。0.5 m厚碎石層內鋪設排水管網，遍布整個庫底，將庫底下滲水收集至主管，自流進入隧洞排往庫外。

（2）環庫集滲系統。庫底與邊坡交界處設環庫集水溝，尺寸為1.0 m×1.0 m。集水溝內土工布包碎石回填，碎石層底部預埋土工布包裹的開孔DN219鋼管，順地形自流進入隧洞，用于收集和排泄邊坡下滲水，確保庫底防滲系統不受邊坡下滲水影響。

4 結語

根據多年排泥庫設計及建設經驗，并參考類似工程中防滲漏治理的經驗，本研究總結排泥庫防滲漏治理宜遵循以下幾點原則。

（1）由于巖溶發育的復雜性，很難一概而論地確定某類型巖溶的具體處理措施。提高巖溶處理的成功率，首先必須十分重視施工勘查，盡量找全巖溶；其次應根據各個巖溶的特征以及所處位置，分別確定處理技術方案。

（2）“水”是防滲漏治理的關鍵，對于不同類型的水應采取不同的處理方式，如庫內垂直下滲水應采取防滲措施，阻止其下滲；地下水應設置導排系統實施排泄，應盡可能減少水對庫底安全穩定的影響。

（3）邊坡、庫底處理原則宜區別對待，邊坡面積大、土層薄，滲漏多為小型滲漏；庫底面積小、土層厚，滲漏多為大型滲漏。因此邊坡宜以排滲為主，庫底宜為防滲為主。

（4）斷層處理宜根據其特點采用防滲或壓覆的措施，確保其滲透穩定和整體穩定。