我國西南尾礦庫區(qū)巖溶特征及防滲研究進展

田 帥 胡振琪 李社鋒

（1.中國礦業(yè)大學（北京）土地復墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083;2.保定理工學院資源與工程技術學院,河北 保定 071000;3.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;4.中冶南方都市環(huán)保工程技術股份有限公司,湖北 武漢 430205）

我國西南地區(qū)位于 97°21′～110°11′E,21°08′～33°41′N 之間,包括四川、云南、貴州、重慶、西藏五省（直轄市、自治區(qū)）,面積達234.2×104km2,約占全國面積的四分之一,是我國七大自然地理分區(qū)之一[1]。該區(qū)域礦產資源豐富,據相關統計,已發(fā)現礦種155種,有探明儲量的礦產資源約90種,其中有色金屬約占全國儲量的40%;部分礦種儲量巨大,如四川釩、鈦,云南鉛、鋅、鍺,貴州省磷礦與金礦等[2]。該區(qū)域共發(fā)現各種礦產地11 000余處,大、中型以上規(guī)模的礦床產地約1 000處[3],是我國有色金屬工業(yè)發(fā)展和戰(zhàn)略儲備的重要基地[4]。以豐富的礦產資源為基礎,礦業(yè)開發(fā)已經成為西南地區(qū)重要產業(yè)之一[5]。

在礦產資源開采中,因廣泛采用浮選等選礦工藝,生產過程產生了大量顆粒細、含水份高的尾礦砂,并通過泵送濕排的形式堆存于尾礦庫中。尾礦砂在尾礦庫中呈飽水狀態(tài),滲濾液Ph值為酸性/堿性,含有相應的鉛、鋅、鎘、砷、銀、汞、有機物等有毒有害物質,使得尾礦庫對周邊土壤、水、生物等存在巨大的環(huán)境污染隱患[6-10]。同時,西南地區(qū)也是我國巖溶集中分布地區(qū),發(fā)育形成了巖溶裂隙、落水洞、溶洞、地下河（暗河）等典型的巖溶地貌;不同類型巖溶地貌或出露于地表或埋藏于地下,其單獨或相互作用,存在極大的滲漏風險隱患;選址于此的尾礦庫一旦發(fā)生滲漏,在巖溶系統作用下,其影響的范圍、程度等都遠遠超過非巖溶區(qū)尾礦庫污染,對區(qū)域水資源、土壤、植被等自然生態(tài)環(huán)境及社會造成嚴重的影響及經濟損失[8,11]。因此,對西南巖溶發(fā)育尾礦庫區(qū)進行防滲研究具有重要意義。

本研究以我國西南巖溶發(fā)育下的Ⅱ類尾礦庫為分析對象,總結分析西南尾礦庫區(qū)影響滲漏的巖溶地貌類型、形態(tài)特征及發(fā)育形成機制,并從巖溶地基防滲技術、庫底復合防滲工程技術對尾礦庫區(qū)滲漏防治進行分析,以期對西南巖溶發(fā)育下的尾礦庫區(qū)防滲工作提供參考。

1 區(qū)域巖溶及尾礦庫概況

1.1 區(qū)域巖溶概況

西南地區(qū)地形地貌復雜,其中低地盆地、平原、小起伏低山與中山面積較大,超過總面積的42%;峽谷地形主要分布于橫斷山區(qū),在河流長期切割作用下,地表起伏、破碎。該區(qū)域江河眾多,如瀾滄江、金沙江、怒江等;同時,受季風環(huán)流和復雜地理環(huán)境的影響,強降水區(qū)域較多,如重慶大部、四川盆地、貴州大部及云南南部等。地質構造方面,在地質歷史時期,西南地區(qū)海相沉積形成了廣布的石灰?guī)r;同時,該區(qū)屬于特提斯造山帶的一部分,經歷了強烈的構造運動,地質構造復雜[4]。

在地形地貌、氣候、地質構造運動等共同作用下,經過漫長的時間,西南地區(qū)發(fā)育形成了我國面積廣大的典型的巖溶地貌,主要巖溶地貌類型如巖溶裂隙、石芽、石林、峰林、溶溝、漏斗、天坑、落水洞等,集中分布于貴州和云南東南部等區(qū)域。西南地區(qū)巖溶地貌的特征及發(fā)育程度差異較大,如巖溶類型方面,貴州高原多為裸露型、四川盆地為埋藏型巖溶等,其原因主要為各地區(qū)巖溶發(fā)育條件的差異[12],以及構造、巖性、氣候、水文、土壤等綜合影響而產生的直接作用方式和強度[13]。

巖溶是一種不良地質現象。在長期的流水作用下,以碳酸巖為主的可溶性巖石經溶蝕、沖蝕、潛蝕、崩塌等形成了地表、地下復雜的水循環(huán)系統。地表水通過地面出露及隱伏的巖溶裂隙、漏斗、落水洞等進入地下溶洞、暗河,對工程防滲造成巨大的隱患,嚴重影響其安全性[14-15]。

1.2 區(qū)域尾礦庫概況

尾礦庫是指筑壩攔截谷或圍地構成的、用以貯存礦產開采選礦后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[8,16-17]。根據《GB 50863—2013尾礦庫設施設計規(guī)范》,因堆存尾礦性質的不同,尾礦庫分為3種類型:Ⅰ類庫、Ⅱ類庫、危險廢物庫。Ⅰ類庫堆積物對外界環(huán)境無污染,不需要進行防滲處理;Ⅱ類庫為堆存一般工業(yè)固體廢物的尾礦庫,其堆存的尾礦對周邊環(huán)境具有一定的危害,需要采取防滲措施;危險廢物庫具有輻射性,需要進行特殊處理[17]。其中,Ⅱ類庫是我國西南地區(qū)主要的尾礦庫類型,在尾礦庫防滲中占有重要地位。

據不完全統計,目前西南地區(qū)有近千余座尾礦庫。因礦產資源普遍富存于山區(qū),尾礦庫選址通常結合礦區(qū)地形地貌、地層特征,多選址在山間峽谷、盆地等區(qū)域,使得我國西南地區(qū)尾礦庫主要為山谷型尾礦庫、傍山型尾礦庫兩種類型[18-19]。

西南地區(qū)廣泛發(fā)育巖溶裂隙、落水洞等巖溶地貌,相較于其他地區(qū),滲漏的風險更大;同時,尾礦中大量的重金屬離子、有毒有機溶劑等污染物質可能隨落水洞、地下暗河等遷移,擴大污染范圍,造成更為嚴重的后果[6]。如貴州省某鋇鹽渣場,建于巖溶洼地之上,因沉淀池防滲處理沒有做好,導致其與地下巖溶裂隙連通,發(fā)生渣場滲漏事故,周圍地下水變成白色,Ba2+、S2-濃度增高,當地居民無法飲用[20]。貴陽市某尾礦庫區(qū)廢液發(fā)生滲漏,導致其附近的陸家灣、白水泉、牟老泉等處排泄出的地下水pH均大于10,最高值為13,總堿度最高為7 021.6,地下水遭受污染[21]。云南省楚雄州武定縣朱家壩新建尾礦庫下伏昆陽群綠汁江組的白云巖基底發(fā)育有隱伏斷層,形成的巖溶裂隙導致下游一泉水點出現尾礦粉滲漏污染,污染了當地地下水源[22]。因此,我國西南地區(qū)進行相關類型尾礦庫建設必須要解決滲漏問題。

2 尾礦庫區(qū)巖溶形態(tài)特征及發(fā)育機制

2.1 巖溶地貌形態(tài)特征

2.1.1 巖溶洼地

巖溶洼地主要發(fā)育及分布于西南尾礦庫區(qū)地勢低平、峰叢等之間的區(qū)域,是最常見的巖溶地貌類型[19,23-24]。

巖溶洼地規(guī)模不一,多呈圓形、橢圓形等,發(fā)育于灰?guī)r地層中。吳慧群等[25]研究表明,巖溶洼地是云南大理大沙地尾礦庫地上巖溶的主要形式;其呈月牙狀、圓形、橢圓形,面積約900～15 220 m2,大小不一,縱深可達十數米,存在于北衙組、麗江組上段地層中。劉文連等[24]研究發(fā)現,云南個舊老廠五級凹塘尾礦庫巖溶洼地包括典型與非典型2類。典型巖溶洼地分布于巖溶峰叢之間,由差異溶蝕形成,邊壁較平緩、均勻;非典型巖溶洼地無溶峰圍繞,規(guī)模較小,分布于溝谷或小型山間盆地內,邊壁坡度不均勻,存在斷崖式的標高驟降,可能主要受到深部巖溶的驅動。

巖溶洼地多呈規(guī)律性定向分布。云南個舊五級凹塘尾礦庫巖溶洼地沿溝呈串珠、帶狀分布;在更大尺度上的分布特征為呈帶分布,如背陰山槽谷一線[24]。付其林[26]對貴州巖溶石山地區(qū)某尾礦庫巖溶發(fā)育研究也有呈串珠狀等類似的結果。

復合型巖溶洼地是巖溶洼地進一步發(fā)育、復雜化的結果;受當地地質、地形地貌影響,多出現于規(guī)模較大的洼地中。如云南個舊五級凹塘尾礦庫地處紅河水系與南盤江水系的分水嶺地帶,區(qū)內發(fā)育有洼地內嵌套2個或更多洼地的復合型巖溶洼地[24]。

2.1.2 漏斗（落水洞/豎井）

尾礦庫區(qū)地表水沿節(jié)理裂隙不斷向下溶蝕同時伴隨塌陷作用,逐漸形成漏斗、落水洞、豎井等垂向巖溶地貌。其多發(fā)育于厚層灰?guī)r、白云巖中,有呈條帶狀分布的特征[27-28]。3種形式的巖溶地貌均可引起尾礦庫的集中滲漏。

漏斗通常是呈口大底小的一種巖溶地貌,直徑及深度一般數米至數十米,其底部常有通道與暗河相連[27]。劉文連等[24]對云南紅河個舊老廠五級凹塘尾礦庫研究表明,該尾礦庫巖溶地貌發(fā)育數個巖溶漏斗,直徑7～20 m,深約數米至十米左右,邊壁坡度25°～40°左右,邊壁形態(tài)圓潤,底部平坦、多未見基巖,個別有基巖出露。同時,五級凹塘尾礦庫亦發(fā)育形成有不規(guī)則漏斗,其長、短軸相差10 m左右。

落水洞是地表水流入地下溶洞、地下河或深部裂隙的洞穴。其表面形態(tài)與漏斗相似,直徑與深度為數米至數十米,大小不一,有垂直的、傾斜等形態(tài),如云南金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)溝谷底部地表[29]、紅河五級凹塘尾礦庫[24]均發(fā)育形成有落水洞。部分落水洞分布呈一定的規(guī)律,如貴陽市巖溶區(qū)某尾礦庫庫區(qū)主要發(fā)育于二疊系棲霞、茅口組灰?guī)r上,地面豎井狀落水洞呈帶狀、串珠狀發(fā)育[21]。

豎井是由落水洞進一步向下發(fā)育、地表水進入地下河的垂直通道。蔡良鈞等[28]對貴州扎塘赤泥堆場研究發(fā)現,該區(qū)域為裸露型巖溶,發(fā)育于二疊系下統石灰?guī)r中,其內的巖溶豎井、落水洞達35個/km2,平均深15 m,最深40 m。

2.1.3 裂 隙

裂隙是可溶性巖石在構造運動、巖溶等作用下發(fā)育形成的常見巖溶地貌類型,是尾礦庫區(qū)滲漏的重要形式。西南尾礦庫區(qū)主要分為2種類型:構造裂隙與巖溶裂隙;裂隙大小不等,一般不超過1 m。依據裂隙發(fā)育規(guī)律,在西南巖溶尾礦庫區(qū)呈縱向分層的形態(tài)特征,如貴州巖溶石山地區(qū)某尾礦庫,其垂直方向上不同高程處的裂隙發(fā)育程度及規(guī)模整體呈“上粗下細”的特征[26]。

構造裂隙發(fā)育與斷裂構造行跡一致,同時也基本與溝谷發(fā)育方向一致。如金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)主要發(fā)育2組優(yōu)勢節(jié)理裂隙,3～4條/m,延伸1.0～4.0 m,裂面粗糙平直;裂隙、斷裂構造、溝谷三者發(fā)育方向基本相同[29]。構造裂隙在巖溶的作用下進一步發(fā)育,使得構造裂隙進一步發(fā)育加大,增加滲漏的風險。如王亞明[30]對西藏玉龍銅礦尾礦庫研究表明:其灰?guī)r區(qū)節(jié)理裂隙在該區(qū)良好的巖溶條件下,巖體裂隙規(guī)模進一步發(fā)育,且裂隙上窄下寬,使得巖體導水性增加。

巖溶裂隙主要在巖溶作用下形成,其規(guī)模及影響范圍均較小,主要發(fā)育于灰?guī)r分布區(qū)。雷再云等[31]對云南文山盤龍河流域的尾礦庫研究表明,該尾礦庫區(qū)以巖溶峰叢洼地地貌為主,四周高中間低,溶蝕裂隙等發(fā)育較強烈。張德洲[32]對玉龍溝尾礦庫場區(qū)研究發(fā)現,其地面發(fā)育有較多巖溶裂隙,直徑一般不超過1.0 m。

2.1.4 溶 洞

溶洞是尾礦庫區(qū)常見的巖溶地貌類型,常見于尾礦庫地下。溶洞大小與發(fā)育條件有關,通常情況下大小不一,呈單體分布。吳慧群等[25]發(fā)現云南大沙地尾礦庫所在的北衙盆地南部雞鳴寺—鍋蓋山一帶發(fā)育有溶洞,位于三疊系中統北衙組三段地層內,高度約1.2 m,寬度約2 m,面積7.5 m2,其內無地表水匯集。袁勝超等[33]對西藏某尾礦庫庫區(qū)研究發(fā)現,庫區(qū)左岸坡下伏基巖為灰?guī)r,局部基巖裸露,巖溶發(fā)育,存在較大溶洞和大量小溶洞。張德洲[32]研究表明,玉龍溝尾礦庫場區(qū)地面溶洞以小溶洞為主,直徑一般不超過1.0 m;鉆孔與物探分析發(fā)現場地溶洞等從幾十厘米到幾米不等,發(fā)育在地面下10～35 m之間。王應科等[29]研究表明,金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)內溶洞直徑多數小于5 m,溶洞垂直高度1～5 m,埋深數米至數十米不等。

研究區(qū)溶洞內多有填充物。楊燕等[34]對云南會澤鉛鋅渣庫研究發(fā)現,該區(qū)域溶洞大部分有充填物;王應科等[29]研究表明,金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)為充填型溶洞,充填物為含礫粉質黏土和角礫。

2.2 巖溶發(fā)育機制研究

2.2.1 巖溶發(fā)育的巖性因素

可溶性巖石是巖溶發(fā)育的物質基礎。西南地區(qū)發(fā)育形成了大范圍可溶性碳酸鹽巖石,為巖溶發(fā)育奠定了基礎。如貴州省晴隆縣花貢鎮(zhèn)某尾礦庫區(qū)為石炭系上統馬平組上部為碳酸鹽巖,下部為碎屑巖中泥、粉砂巖,形成以巖溶峰叢槽谷、洼地等為主的巖溶地貌[23]。云南省大理市大沙地尾礦庫擴容場地巖性主要為灰?guī)r,地表發(fā)育石芽、洼地、溝槽;在地面以下巖體中溶蝕裂隙和小型溶洞較發(fā)育[25]。

西南尾礦庫區(qū)不同類型的層狀碳酸巖組合形成巖溶層組,因其各層巖性不同,發(fā)育的含水介質不同,形成了不同層性質的巖溶類型[33]。貴州巖溶石山地區(qū)某尾礦庫灰?guī)r含水介質包括裂隙（溶洞）—管道—裂隙類型組合,形成落水洞、地表溶洞等[26]。拉薩墨竹工卡縣甲瑪溝尾礦庫碳酸鹽巖地層與其他地層的接觸部位巖溶發(fā)育程度相對較大,連通性較好,局部地段發(fā)育溶洞,主要以賦存碳酸鹽巖裂隙溶洞水為主,富水性較好[35]。云南武定縣朱家壩尾礦庫區(qū)內主要出露地層為昆陽群綠汁江組不等厚白云巖、泥灰?guī)r等,在溶解、溶蝕作用下形成裂隙、溶溝、溶槽、溶洞等中等巖溶發(fā)育地貌[22]。

2.2.2 巖溶發(fā)育的地質構造因素

2.2.2.1 斷裂與巖溶發(fā)育

西南巖溶尾礦庫區(qū)在強烈的構造運動背景下,斷裂構造發(fā)育普遍。如貴陽市某尾礦庫[21]、云南大理北衙地區(qū)尾礦庫[25]、西藏拉薩甲瑪溝尾礦庫[35]等均有斷裂發(fā)育。巖溶發(fā)育程度與斷裂力學性質有密切聯系,斷裂帶為張性,其巖溶發(fā)育程度高;斷裂帶為壓性,巖溶發(fā)育差或不發(fā)育;扭性斷裂帶巖溶作用的深度一般較大,如云南北衙大沙地尾礦庫形成有張性斷裂,使得該區(qū)內巖溶洼地、落水洞等與其分布一致[25,36]。

節(jié)理是斷裂構造帶最常見的構造形式,其發(fā)育程度和延伸方向對巖溶的發(fā)育程度和形式有決定性作用,如金寶山鉑鈀礦細米家尾礦在構造節(jié)理的影響下,巖溶溝谷基本保持與其相同的發(fā)育方向[29]。構造運動造成巖體破碎,大量節(jié)理具有很強的透水性[25],促進了巖溶的發(fā)展。如云南武定縣朱家壩尾礦庫原基巖中的裂隙在溶蝕作用下逐漸變?yōu)槿芟锻ǖ?且規(guī)模不斷擴大[22]。西藏某尾礦庫庫區(qū)斷裂構造發(fā)育,節(jié)理裂隙等發(fā)育,形成地下水運移和賦存的通道[33]。

斷層是構造運動中兩側巖體發(fā)生相對位移的一種地質構造。斷層發(fā)育區(qū)基巖面起伏較大,巖體破碎,多形成富水區(qū)及水流通道。工程實踐證明,通常斷層通過的可溶巖石地區(qū),巖溶均較發(fā)育。云南大沙地尾礦庫區(qū)域11條斷層均為高角度至近于直立的平移斷層,約束了降水入滲路徑及巖溶發(fā)育空間與方式,為降水垂向入滲及垂向巖溶發(fā)育提供了通道與場所[25];金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)在南東向至南側溝谷張性斷層的影響下,發(fā)育形成了巖溶地貌類型[29]。

斷裂集中發(fā)生地區(qū)往往形成斷裂帶,因裂隙眾多,連通性更好,通常是巖溶集中發(fā)育且程度相對較大的地段,常分布有漏斗、豎井、落水洞等。如拉薩墨竹工卡縣甲瑪溝尾礦庫南、北兩側斷裂發(fā)育地帶,巖溶形態(tài)有溶洞和落水洞,溶洞呈近圓狀[35];貴陽市巖溶地區(qū)某尾礦庫位于區(qū)域構造帶,且該區(qū)域因背斜核部附近有破碎帶,構造活動較強烈,巖溶地貌發(fā)育[21]。

2.2.2.2 褶皺與巖溶發(fā)育

褶皺是巖體受力后發(fā)生彎曲但仍保持連續(xù)性的一種構造,包括背斜與向斜2種類型。背斜軸部通常發(fā)育張節(jié)理,地表水易沿節(jié)理下滲并向兩翼運動,形成垂直形態(tài)為主的巖溶類型;向斜軸部裂隙閉合,裂隙欠發(fā)育,但其兩翼層面的來水匯向軸部,故向斜的巖溶也會發(fā)育;因此,褶皺軸部一般巖溶均較發(fā)育[37]。

袁勝超等[33]對西藏某尾礦庫庫區(qū)研究發(fā)現,其左岸山坡多為背斜構造,節(jié)理裂隙發(fā)育,水沿裂隙發(fā)育方向流動而巖溶發(fā)育明顯;樊懷華等[21]研究表明,貴陽市遵義巖溶地區(qū)某尾礦庫庫區(qū)靠近革射背斜核部東翼,構造活動較強烈,發(fā)育了較為顯著的落水洞、裂隙、溶洞等巖溶形式。吳慧群等[25]研究發(fā)現,北衙盆地為傾伏向斜形成的構造盆地,導致該區(qū)域地下水流向低洼的軸部一帶,為巖溶地貌的發(fā)育提供條件。

2.2.2.3 巖層產狀與巖溶發(fā)育

巖層產狀中,傾角的大小對巖溶發(fā)育及程度有直接的影響。傾斜或陡傾斜的巖層,一般巖溶發(fā)育較強烈;水平或緩傾斜的巖層,當上覆或下伏非可溶性巖層時,巖溶發(fā)育較弱。云南金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫區(qū)近直立的斷裂構造巖層產狀引發(fā)洼地、槽谷及漏斗等巖溶負地形,其邊壁斷崖式“自下而上”標高驟降[29]。紅河五級凹塘尾礦庫在區(qū)域巖性白云質灰?guī)r及灰質白云巖基礎之上,其低傾角產出狀態(tài)不利于降水向深部入滲,阻礙巖溶特別是垂向巖溶的形成;高傾角及存在的剪性斷裂為巖溶發(fā)育提供了發(fā)育條件,形成“垂向為主、水平向為輔”的巖溶格局[24]。

2.2.3 巖溶發(fā)育的水文因素

區(qū)域水文地質條件直接影響巖溶發(fā)育的形式和發(fā)育強度。我國西南地區(qū)巖溶水系統在該區(qū)域氣候下,大氣降水豐沛,地表與地下水循環(huán)交替強烈,巖溶水動力條件較強[25]。在尾礦庫區(qū)地表與地下水不同動力形式作用下,巖溶地貌發(fā)育,且發(fā)育形成了水平與垂直不同的巖溶類型。

周建平[38]對云南昆明海口頭石山尾礦庫研究表明,地下水的溶蝕作用和徑流是形成溶洞或溶隙的主導因素。吳慧群等[25]研究發(fā)現云南大沙地尾礦庫地表下的灰?guī)r處于垂直滲流帶,發(fā)育形成的巖溶主要為垂直形式分布,水平呈間斷形態(tài)。周南等[22]對云南武定縣朱家壩尾礦庫研究表明,地表庫區(qū)內巖溶發(fā)育以垂直發(fā)育為主、在水平方向沿侵蝕基準面隨地層產狀延伸;地下隱伏斷層控制了水的匯集與主要徑流通道,從而影響了地下水的流動,形成溶蝕裂隙通道。宋旭[39]研究發(fā)現尾礦庫區(qū)地下水與地表水分水嶺基本一致,大氣降水沿垂直裂隙下滲,巖溶發(fā)育形態(tài)主要為豎直溶溝、溶槽,主要分布在庫岸西側和南側之間地帶,淺表層巖溶極為發(fā)育。

2.2.4 巖溶發(fā)育的地形地貌因素

地形地貌控制巖溶發(fā)育的條件,進而影響巖溶發(fā)育的類型及程度,其中坡度與地貌形態(tài)及部位具有重要作用。

地面坡度反映地表傾斜程度,其大小直接影響滲流量大小。在較平緩的地方,地表徑流速度慢,滲透量大,地下水運動和循環(huán)迅速;反之,地下水運動和循環(huán)緩慢,影響巖溶發(fā)育強度。西藏拉薩市甲瑪溝尾礦庫左岸谷坡呈上陡下緩之勢,坡腳段小型洪積扇的坡度一般12°～18°;右岸谷坡坡腳以上段因基巖出露良好,基本為＞35°的長陡坡,局部呈陡崖。坡度為該區(qū)域巖溶的發(fā)育創(chuàng)造了條件[35]。云南武定縣朱家壩尾礦庫溝谷形態(tài)近似V字型,岸坡坡度介于30°～48°,局部可達90°,主溝縱坡降100‰～200‰,發(fā)育形成了中等巖溶地貌[22]。

不同地貌形態(tài)或部位對巖溶的發(fā)育及強度有較大影響。云南瀾滄縣某尾礦庫庫區(qū)地形呈“鍋底”狀,庫區(qū)地貌不利于地表水體的排泄,地表水排泄主要通過灰?guī)r裂隙下滲,為庫區(qū)喀斯特地貌的垂向發(fā)育創(chuàng)造了條件[40]。貴州水銀洞金礦小廠尾礦庫庫盆位于相對開闊的槽谷內,地勢西、北高,南、東低。左岸沖溝發(fā)育,外側存在溶蝕低洼地帶,伴隨落水洞以及喀斯特管道發(fā)育;右岸地形單薄,有低鄰谷分布,谷底發(fā)育Ls20l一三岔河巖溶通道[41]。

3 尾礦庫防滲研究

3.1 巖溶地基防滲技術

我國西南尾礦庫區(qū)發(fā)育形成的裂隙、落水洞、溶洞等巖溶類型,對尾礦庫的防滲有極大的隱患。依據巖溶地貌及防滲特點,將其分為:裂隙防滲、落水洞防滲、水平溶洞防滲、巖溶破碎帶（強發(fā)育區(qū)）防滲[14]。

3.1.1 裂隙防滲

巖溶裂隙是西南巖溶發(fā)育尾礦庫區(qū)最常見的地貌類型,分布于尾礦庫底部及邊坡風化的基巖上,裂隙大小不一,從數毫米至數米不等,風化嚴重地區(qū)尤其密集,是重要的滲漏隱患。

防滲處理時,通常根據庫區(qū)巖溶裂隙的發(fā)育情況,將其按寬度分類,再采取針對性的措施。寬度較小的裂隙,水泥砂漿直接填縫;中等裂隙,用碎石、粗砂充填,最后用水泥砂漿填縫;大的裂隙,先填充塊石,上部依次填充碎石、砂漿,再用混凝土封堵。

宋志[14]對巖溶發(fā)育區(qū)尾礦庫裂隙進行防滲處理研究,應首先清除裂隙內的松散物,并將其適當挖大挖深,小于5 cm寬的裂隙,用水泥砂漿填縫,表面鋪平;5～20 cm寬的裂隙,用碎石充填后再鋪粗砂,并以水泥砂漿堵縫;裂隙寬于20 cm,依次填充塊石、碎石、粗砂,并用混凝土封堵。云南瀾滄縣某尾礦庫庫底及周圍邊坡裂隙采用的防滲措施如下:尾礦庫邊坡及其附近,依據裂隙實際情況,選擇毛石混凝土、細石混凝土填隙;庫底附近裂隙較少區(qū)域,以細石混凝土充填[40]。

3.1.2 落水洞防滲

落水洞的處理較裂隙復雜。清理之后,通常先用塊石等填充,上面依次鋪設一定厚度的碎石層、粗砂層、砂漿砌筑層、混凝土層、粉黏土層等,形成良好的防滲效果。

梁形形等[40]對云南瀾滄縣某尾礦庫落水洞處理方法為:將落水洞口清理后插入鋼管;洞內填充大塊石料,并用混凝土填隙;洞口用混凝土以蓋板形式覆蓋頂部;用黏土分層碾壓回填到原始地面。宋志[14]研究表明:清理落水洞之后采用塊石填充后,上覆防滲層依次為碎石層、粗砂層、碎石層、砂漿砌筑塊石層、混凝土層和黏土層。雷再云等[31]處理云南文山尾礦庫庫底落水洞發(fā)育區(qū)防滲方案為:清除落水洞內的雜物,然后用混凝土及塊石夯填澆灌堵塞,待地面整平后用素混凝土澆筑。

3.1.3 水平溶洞防滲

溶洞在我國西南部分尾礦庫區(qū)發(fā)育,包括普通溶洞及隱伏溶洞兩類。其體積較大,通常在清除雜物后,先填充塊石、碎石、粗砂等,最后根據具體工程要求以混凝土進行封閉,達到對溶洞進行處理的目的。

西藏某尾礦庫發(fā)育形成有較大溶洞與小溶洞,使用漿砌片（塊）石充填、水泥砂漿填縫、混凝土等封堵[33]。宋志[14]對尾礦庫溶洞進行處理,利用塊石堵塞溶洞后,上部覆蓋防滲層依次為碎石層、粗砂層、混凝土層、黏土層。王應科等[29]對金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫存在潛在危險的隱伏溶洞通過鉆孔,向溶洞內部灌注入水泥砂漿、混凝土進行防滲治理。

3.1.4 巖溶破碎帶（強發(fā)育區(qū)）防滲

因斷層等局部構造運動、強烈?guī)r溶作用,區(qū)域地表物質破碎,滲漏作用明顯,對防滲造成極大的工程隱患。工程施工中,應先對區(qū)域地表進行清理;再根據實際情況采用合適的方法進行處理。

王應科等[29]對金寶山鉑鈀礦細米家尾礦庫存在巖溶強發(fā)育區(qū),設計防滲方案為:鉆孔后,通過灌漿管,灌入水泥漿防滲加固,遇下部較大孔隙,可先用砂漿、粗砂等進行填入,再行注漿。傅燦等[42]對云南大沙地礦區(qū)存在的斷裂破碎帶區(qū)域進行工程設計研究,在對其表層破碎物進行開挖置換并夯實后,沿斷層兩側各設置聚丙烯雙拉塑料格柵處理。梁形形等[40]對云南瀾滄縣某尾礦庫巖體破碎區(qū)設計防滲思路為:破碎區(qū)先清理表面,對落水洞、裂隙封堵;其上依次鋪設用黏土層、SS20土工格網、防滲復合土工布、黏土保護層,以達到防滲的目的。

3.2 庫底復合防滲工程技術

3.2.1 水平防滲

水平防滲是我國西南巖溶發(fā)育區(qū)尾礦普遍采用的一種防滲形式。該技術是在尾礦庫底水平鋪蓋多層不同功能的防滲層材料,形成人工復合防滲結構（包括單層及雙層人工復合防滲結構等）[17,43-44],達到尾礦庫有效防滲的目的。

3.2.1.1 防滲層結構概述

為增強防滲結構的穩(wěn)定性及防滲的效果,達到我國尾礦庫環(huán)保防滲標準要求,水平防滲層多采用復合結構。其基本結構層包括:防滲材料層、防滲材料墊層（防護層）、地下水導排層等。

（1）防滲材料層,是防滲功能的主體。目前西南尾礦庫區(qū)普遍采用的防滲材料為 HDPE膜,通過HDPE膜或結合土工布形成HDPE復合土工膜（如二布一膜等）形成防滲材料層。

（2）墊層。該層為對防滲材料起襯墊作用物理層,為防滲材料的鋪設、良好性能的發(fā)揮提供支撐基礎。墊層包括上墊層與下墊層。上墊層材料可采用砂礫料、土工織物等;下墊層材料可采用壓實細粒土、土工織物等。目前,西南尾礦庫區(qū)常見形式的墊層包括黏土墊層、GCL合成墊層等,具體可以結合當地情況,選擇適當的材料,如選擇當地資源豐富的黏土等,以便降低尾礦庫成本;同時,墊層鋪設時應注意相關問題,如黏土墊層含水量、尾礦廢水pH值影響、GCL合成墊層接縫等,以免影響防滲的效果[17]。

（3）地下水導排層。地下水導排層用于尾礦庫區(qū)地下水排出,降低地下水壓力水頭,以免破壞防滲結構。我國西南地區(qū)雨量較多,同時因尾礦庫多布置于溝谷中,受降水影響地下水位顯著,需進行地下水導排。一般位于排放庫內及兩側邊坡防滲層以下,主要選用復合土工排水網、碎石、集水盲溝、通過排滲管將多余水排出。

3.2.1.2 缺點與不足

（1）施工工藝相對復雜:水平防滲考慮不同的功能層,防滲層、墊層、排水層等,共同發(fā)揮作用,達到尾礦庫穩(wěn)定防滲的目的,這導致其設置層數較多,且各層具體功能及要求不同,施工工藝相對復雜。

（2）防滲膜造價及滲漏問題:采用HDPE土工膜防滲襯層,工程造價高,投資大,對企業(yè)形成一定的經濟負擔,影響其工程應用及推廣。HDPE土工膜對接縫焊接工藝要求較高,不規(guī)范操作易造成縫隙焊接不實;同時,后期鋪設膜上碎石排水層易使土工膜產生孔洞破壞,形成滲漏[17,45]。

3.2.1.3 工程應用案例

（1）西藏玉龍溝尾礦庫防滲工程。西藏玉龍溝尾礦庫位于玉龍溝下游,在構造作用下,主要發(fā)育形成了侵蝕—溶蝕地貌,溝床寬度不一,同時發(fā)育有次級溝谷,谷底狹窄,寬度5～30 m。張德洲[32]對玉龍溝尾礦庫基底的防滲層研究采用如下防滲結構:尾礦庫底設計30 cm細粒土墊層,經過覆壓處理滲透系數≤1.0×10-5cm/s;土工膜下部鋪設鈉基膨潤土墊GCL;HDPE膜設置無紡布襯層保護層。該防滲工程自下而上的防滲層次為:地基平整層、地下水導排層、GCL（細粒土）層、HDPE膜、土工布、尾礦砂層。

（2）云南大沙地尾礦庫防滲工程。研究區(qū)域位于云南北衙地區(qū)盆地南部斜坡上,尾礦庫北半部石芽發(fā)育,出露少量溶蝕洼地,微觀地貌為峰叢,南部微觀地貌為溶蝕殘丘。傅燦等[42]對大沙地尾礦庫防滲工程進行研究如下:各結構層由上部到下部為400 g/m2土工布、HDPE光面土工膜、400 g/m2土工布、70 cm厚壓實黏土墊層。上部導排采用30 cm厚礫石瀝水導流層和200 g/m2長絲紡粘針刺非織造土工布,導流層內設HDPE鉆孔透水管,膜下導排采用碎石盲溝,盲溝內襯HDPE鉆孔透水管,鉆孔管外側及礫石盲溝四周均用200 g/m2土工布包裹。

3.2.2 垂直帷幕防滲

3.2.2.1 簡 述

尾礦庫垂直防滲,是通過采用注漿帷幕或混凝土連續(xù)墻等垂直防滲體,阻隔尾礦庫區(qū)地下水及污染物水平向擴散污染周圍環(huán)境實現尾礦庫的防滲。其主要特點是基于隔斷庫區(qū)水平橫向流動的地下水流及污染物,達到避免污染物向尾礦庫四周擴散進而污染庫區(qū)環(huán)境;根據《GB 50863—2013尾礦設施設計規(guī)范》的規(guī)定,垂直防滲設置的前提是尾礦庫下部需存在不透水層或厚的弱透水層且深度不小于2 m,從而達到尾礦庫整體防滲的效果[46-47]。

目前,尾礦庫垂直防滲工藝中的注漿帷幕或混凝土連續(xù)墻是應用較廣的方式。注漿帷幕主要是經鉆孔將水泥漿液、黏土漿液、膨潤土漿液或混合材料漿液等,利用灌注壓入、高壓噴射等方式,形成帷幕防滲體,增強防滲的效果;混凝土連續(xù)墻法主要利用水泥等防滲材料,在地下形成連續(xù)防滲墻體,達到防滲的目的。與水平防滲相比,垂直防滲有其自身的優(yōu)勢,如成本低、效果好等;但對尾礦庫底部地層的要求較高,應用受到一定的限制[47]。

3.2.2.2 工程應用案例

蔡良鈞等[28]對貴州扎塘赤泥堆場應用懸掛式帷幕灌漿防滲,取得了較好效果。

貴州扎塘赤泥堆場位于大山洞—曹關溶丘谷地與長沖巖溶槽谷之間的峰叢山地,峰叢間發(fā)育有巖溶洼地、落水洞等。研究區(qū)以1 250 m為界,上部巖溶發(fā)育帶,以落水洞、豎井、垂直溶隙為主;下部以大溶隙為主,沿斷層及旁側破碎帶發(fā)育,含水性極不均勻。

根據當地地層滲透剖面和地形地質條件,由于該地區(qū)隔水層埋藏較深,應采取懸掛式帷幕灌漿,原則上以微滲地段下5 m為下限。灌漿施工中孔的設計采用單排、雙排布置,要求排距1m,孔距2.5m,施工時采取“先上游排后下游排”施工過程;按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的順序進行灌漿施工。灌漿漿液的水灰比控制在 2∶1、1∶1、0.8 ∶1、0.5 ∶1 共 4 個級別。 正常灌漿段從2∶1漿液濃度開始灌,遇嚴重漏水段使用0.5∶1濃漿液起灌,漿液變換遵循“由稀到濃”的原則;灌漿壓力從0.5 MPa到3.0 MPa逐漸加壓。

4 結 語

我國西南地區(qū)因其豐富的礦產資源,在開采過程中形成了大量尾礦庫,對周圍環(huán)境造成極大隱患;同時,西南地區(qū)巖溶發(fā)育,落水洞、裂隙等巖溶類型進一步增加了尾礦庫污染的風險及程度。本文綜述了西南尾礦庫區(qū)主要巖溶類型及特征;從巖性、地質構造、水文、地形地貌因素對尾礦庫區(qū)巖溶發(fā)育機制進行了研究;最后,從巖溶地基處理、防滲工程分析總結西南尾礦庫區(qū)防滲技術。隨著國家對礦山環(huán)境的重視,綠色礦山建設是礦山發(fā)展的方向,未來可考慮以尾礦庫區(qū)固廢、當地豐富的潛在防滲物料等為基礎,研發(fā)經濟可行、高性能的防滲材料及創(chuàng)新功能結構層,為尾礦庫綠色、環(huán)保、安全運行奠定基礎。