拜耳法赤泥“三维排渗筑坝”方法的研究

罗冬兰，胡 虎

(1.南昌工程学院，江西 南昌 330099；2.中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031)

1 概述

随着全国各大铝厂拜耳法生产氧化铝的产量不断提高，对应的拜耳法赤泥剧增。由于目前技术条件下，大量的赤泥得不到充分利用，如处理不妥，就会大面积地覆没农田和污染水系，严重的污染环境，同时，赤泥中往往还含有目前尚不能回收的金属物质，国内各大铝厂只能选定一个场所将赤泥露天堆存。传统的拜尔法赤泥堆放是一次筑坝，形成赤泥库后，往库内排放赤泥。该筑坝方式坝体工程量大或需要较大场地。

由于拜耳法赤泥天然含水量较高，天然重度较小，孔隙比较大，有很大的塑性，在外力作用下容易发生变形甚至出现液化，物理力学性能差，胶结性差，难以直接利用。

平果铝厂通过实验证明，自然干燥的原状赤泥，及含水量在某一合适范围内的碾压或击实赤泥，遇水不松软崩解。利用拜耳法赤泥的这一特性，平果铝厂首次采用碾压拜耳法赤泥堆筑子坝；贵州某铝厂利用已建库区内干拜尔法赤泥堆筑拟建赤泥库子坝；这些为拜尔法赤泥的堆放方式打开了新的方向。

拜尔法赤泥作为筑坝建筑材料使用，既可以废物利用，又可减少赤泥堆场的筑坝成本。但是，目前国内运行赤泥堆场的赤泥坝裂缝和下部干赤泥吸水重新饱和等问题，危及了坝的安全。而赤泥坝的安全稳定性，不仅涉及了企业自身的生产安全，同时关系到周边及其下游居民的生命财产的安危。因此，寻找有效的赤泥筑坝方法意义重大，可有效的将拜尔法赤泥变废为宝。

本文提出了利用三维排渗、土工格栅加筋和轮流晾晒相结合的工艺，实现拜耳法赤泥安全快速筑坝，本文称之为“三维排渗堆筑”法，并进行了相关实验，为拜耳法赤泥筑坝在实践中的运用提供了一定的参考依据。

2 “三维排渗堆筑”方法

“三维排渗堆筑”的思路是：在平地上四面筑初期坝围成尾矿库，初期坝内侧分区筑赤泥坝。初期坝对应的库容(本文称之为初期库容)使用完毕后，用初期库容中自然晾干的赤泥往上四周做子坝，同时填补初期库容，接着再四周内侧分区筑赤泥坝，如此循环。根据坝体的稳定性和所需堆积的赤泥量，来决定堆积坝坝高和库容大小。赤泥筑坝期间，利用了三维排渗和相邻两层赤泥堆体间铺设的土工格栅加筋，加快了赤泥固结和增加了坝体稳定，避免下部干赤泥吸水重新饱和。

2.1 赤泥排放

在赤泥坝区底部先铺设一层碎石水平排渗层，再修筑纵横向的碎石滤水堤，将坝面分成若干个小格，预埋垂直排渗井；将料管的出料口打开，赤泥交叉排放到各小格中。赤泥沉积在子坝区内，子坝填充到3～5m，经过10天晾晒后，再建新一级子坝。重复上述工作，直至堆积到设计高程。堆积坝的高度和坝面宽，主要取决于坝体稳定和工程的经济性。

筑坝过程中，保持从坝址处到堆场中央形成一定的坡度，促使赤泥分离水和降雨时的雨水汇集到堆场中央，并在中心位置设置排水井。

2.2 三维排渗

在堆坝过程中，赤泥坝体内，需分阶段设置“垂直-水平三维排渗体”。水平排渗体和垂直排渗体(包括堆场中心处的排水井)是相通的，成为了一个排渗整体。 从一次堆筑赤泥坝的高度、稳定和经济的角度，在赤泥堆体间，水平布置碎石排渗层。垂直排渗，主要是利用渗井，渗井的井管可用带花孔的高分子聚合材料管(高密度聚乙烯管和聚丙烯管等)，管井外填以粗砂或碎石等滤料，或外包土工合成材料作反滤层。三维排渗体沿坝轴线方向、水平和垂直方向的间距，一般主要取决于赤泥堆积坝的外坡、堆积物料的物理力学性质和化学性质、赤泥坝的高度等。

三维排渗共同承担加速排出赤泥分离水和雨水的任务，可避免因上部的赤泥分离水或雨水，通过赤泥干燥过程中产生的裂缝及裂隙下渗，导致下部已自然干燥的赤泥。因为重新吸水饱和，下部的一些赤泥层含水量高于上部赤泥；此外，赤泥的渗透性较差，可能会出现由于排水缓慢，致使堆场内部赤泥长期被水浸泡，降低堆场内赤泥的强度，破坏赤泥坝的稳定性。

2.3 赤泥坝加固

由于排放的赤泥泥浆随时间的增长，赤泥内部水下渗、蒸发，含水量逐渐减小，赤泥本身压缩固结，及堆场内赤泥各方向的排放顺序、时间不同，不均匀沉降等导致裂缝的产生，影响着赤泥坝的稳定。

在固结的赤泥子坝上，预先铺设土工格栅加筋，再建新一级子坝，形成了赤泥纤维复合材料。一方面可以将分散性较高的粒状赤泥组合为结构体，达到提高赤泥整体性的作用；另一方面可以减小裂缝的发育和赤泥坝体垮塌的下滑力，增加了筑坝的安全度。另外，在赤泥发生胶凝时，形成了一定等级的钢筋混凝土结构，为坝体的永久稳定创造了条件。土工格栅加筋垂直方向的间距，可根据一次筑坝高度和坝体稳定要求来确定。

这种筑坝方法的优点是：无需专门碾压设备；较适合北方平原地区。

3 实验研究

3.1 试验对象

试验所选拜耳法赤泥属粉质粘土，红褐色，土质较均匀，不易析水、脱水和胶结，通常呈流塑-软塑状。天然含水量介于 48.2%～69.8%，平均值60.5%；天然重度介于 14.8～17.0kN/m3，平均值为 15.7kN/m3；孔隙比介于 1.383～1.901，平均值为 1.661；液限介于 55.3%～68.7%，平均值为 60.1%；拜耳法赤泥粒径为 0.05～0.01mm占 5%，粒径为0.01～0.005mm占 62%，粒径<0.005mm占33%；渗透系数为 1.78×10-5～3.31×10-5。

由于拜耳法赤泥颗粒细，渗透性差，难于自然脱水沉积固结，脱水沉积与固结时间较长，经6个多月时间观察，试坑内自然堆存赤泥仅表面出现龟裂现象，其下仍呈软塑状态。

3.2 试验内容

本试验测试了拜尔法赤泥的工程力学性质，并利用拜尔法赤泥三维排渗堆筑法堆筑堆放拜尔法赤泥。同时选了一个试验坑，分别进行了相关的现场实验，并通过实验得出了在试验坑中随意堆放赤泥的状态，和利用该法堆放的赤泥的强度指标值。

实验库平地上，四面筑7m高防渗初期坝围成尾矿库，场地地势四周高中心低，中心处预埋垂直排渗井，排除渗滤水和雨水；初期坝内侧底部防渗层上先铺设一层碎石水平排渗层，再修筑纵横向的碎石滤水堤，将赤泥堆场分成若干个小格，其间预先布设塑料花管碎石井垂直排渗，并与中心排渗井连接，形成三维排渗。打开料管的出料口，赤泥交叉排放到各小格。

赤泥沉积在堆场区内时，分区填充，每填高到3.5m时，换区填充。分别自然晾晒10天后，再往上填充赤泥。至初期坝对应的库容用完，经过每一区都至少10天自然晾晒后，在一级子坝区和对应的堆场区上部铺设碎石排水层，纵横向修筑碎石虑水堤高3m。将一级子坝和堆场区分成若干格，在子坝区和堆场区内延长和加设垂直排渗井，形成三维排渗。用已胶结的赤泥修筑一级子坝高3m，往赤泥库中交叉排放赤泥，至库满，详见图1。

图1 试验库剖面示意

3.3 试验结果

3.3.1 试验坑

由于拜耳法赤泥颗粒细，渗透性差，难于自然脱水沉积固结，脱水沉积与固结时间较长。经8个多月时间观察，试坑内自然堆存赤泥仅表面呈出现龟裂现象，其下仍呈软塑状态。

3.3.2 试验库

本实验分别对至少都经过10d自然晾晒后的赤泥：初期坝对应库容赤泥①，一级子坝赤泥②，一级子坝对应库容内的赤泥③。进行了3～5组抽样，分别进行了相关的力学指标测试，并得出各区赤泥的各项力学指标的均值，结果如表1～3所示。

表1 抽样固结赤泥①强度指标取值

表2 抽样固结赤泥②强度指标取值

表3 抽样固结赤泥③强度指标取值

4 结语

通过对拜耳法赤泥进行三维排渗堆筑实验，并进行强度指标测试，表明了“三维排渗筑坝”法可以有效排出赤泥中分离水和雨水，加速赤泥的自然固结，其强度指标在短时间内得到大大提高，满足筑坝条件，加快了赤泥堆放的速度，能较好满足铝厂排放的需求。该法节省堆场空间，可以省去赤泥碾压或击实设备，可减少堆场筑坝成本。本研究为拜耳法赤泥快速堆放在实践中的运用提供了一定的借鉴。

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