坝体防排渗工艺在青山尾矿库的应用

王荣林　吴小刚

(1.马钢(集团)控股姑山矿业公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



坝体防排渗工艺在青山尾矿库的应用

王荣林1吴小刚2,3,4

(1.马钢(集团)控股姑山矿业公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

青山尾矿库2#副坝采用上游法筑坝，初期坝为透水堆石坝，坝基埋在强风化花岗闪长岩中，该岩石埋深大、遇水易软化，导致清基工程量大，制约坝体的安全堆筑。根据坝基工程地质情况，结合坝基防渗帷幕、坝基HDPE土工膜全防渗、尾矿堆积坝水平垂直联合排渗等施工工艺、优化了坝基基础开挖设计方案，实施了坝体防排渗系统，消除了坝体渗流的不利影响，极大地降低了筑坝清基工程量和工程建设费用，确保了坝体的安全堆筑。

上游法尾矿坝坝基处理防渗帷幕联合排渗

青山尾矿库2#副坝设计采用上游法筑坝，后期用尾矿堆筑子坝。我国冶金矿山约90%的尾矿坝采用上游式构筑[1]，该方法工艺简单，便于管理，运营费用低，经济合理。而上游法尾矿坝浸润线控制十分重要，青山尾矿库2#副坝初期坝采用透水堆石坝，有利于降低尾矿堆积坝体浸润线，但根据勘察情况，该初期坝坝基存在遇水强度降低的深厚强风化覆盖层，通过试验区钻孔揭露，该层厚度10.4～12.0m，如果不进行基础处理，尾矿水入渗将导致坝基土体强度降低，影响坝体稳定，如果将该层全部清除，工程量巨大，工期很难保证。因此，选择安全、经济合理的坝体设计方案和坝体防排渗工艺，对解决2#副坝的安全堆筑具有十分重要的意义。

1　坝区工程地质概况

2#副坝场地内地层由上而下主要分为6层：分别为第四系残坡积土，砂质黏土，全风化花岗闪长岩、强风化花岗闪长岩、中风化花岗闪长岩及微风化花岗闪长岩。第四系残坡积土层主要由块石土、黏土及砂质黏土组成，分布厚度0.75～3.75m；全风化花岗闪长岩主要矿物已完全风化成土，岩芯呈土状，遇水极易软化崩解，该层厚度0.6～2.4m；强风化花岗闪长岩原岩矿物强烈风化，组织结构大部分破坏，遇水易软化，强度降低，层厚10.4～12.0m；中风化花岗闪长岩块状构造，岩芯呈坚硬～半坚硬；微风化花岗闪长岩块状构造，坚硬岩类，岩体较完整，岩体质量等级为Ⅱ级。2#副坝剖面见图1。

图1　2#副坝坝体剖面概化

2　坝基优化处理工艺

青山尾矿库2#副坝初期坝为透水堆石坝，坝底标高55m，坝顶标高64m，坝高9m，坝顶宽4m，初期坝上游面总坡比为1∶2.0，下游总坡比1∶2.25，下游坝面在56m处设一条2m宽马道，后期堆筑7期尾矿子坝，每期子坝高2m，最终坝顶标高78m。设计初期坝基开挖至强风化花岗闪长岩层，从安全和经济角度考虑，初期坝堆筑之前对坝基进行全面防渗处理：自初期坝上游面布置防渗帷幕，灌浆深度自基面至中风化岩层以下2m，同时在初期坝坝底布置防渗层，隔离尾矿水通过初期坝进入坝基的渗流通道。为提高初期坝堆石层与坝基防渗层的摩擦力，设计将坝基开挖，形成众多齿槽型的基坑，齿槽基坑底部深入强风化花岗闪长岩1.5m，基坑开挖边坡坡度为1∶2.0，并沿齿槽型基坑之间交错分布连接排水沟，以便于初期坝内渗透水流通过齿槽和排水沟排出坝体，见图2所示。

3　防渗帷幕工艺

2#副坝坝基防渗帷幕灌浆采用高喷灌浆技术，该技术具有良好的可灌性与可控性,适用范围广[2]。设计沿初期坝上游坝脚呈环绕式布置防渗帷幕，端部超出左右坝肩中心线向下游延伸15m，帷幕灌浆孔穿过强风化花岗闪长岩，深入中风化花岗闪长岩层2m，平均孔深12m。防渗帷幕灌浆采用双排孔，排间距1.5m，孔间距2m，呈梅花形布置(见图3)。针对坝基岩石裂隙发育透水性较强而可灌性相对较差的特点，采用80μm细度筛余量1.2%的低细度P·O52.5R普通硅酸盐水泥作为灌浆材料，以提高可灌性。

图2　初期坝坝基齿槽型基坑处理优化及防渗帷幕布置平面

图3　灌浆孔及检查孔平面布置(单位：mm)

灌浆工艺采用“小口径钻进，自上而下分段钻灌，不待凝、不做裂隙专门冲洗，孔口封闭，孔内循环式”的高压灌浆工艺。灌浆压力第一段采用0.5MPa，以下各段增加0.2～0.5MPa，上述压力为初选压力，最终灌浆压力根据灌浆试验确定。

(1)水灰比。浆液浓度遵循由稀到浓的原则，使用水灰比(质量比)2∶1；1∶1；0.8∶1；0.5∶1 4个级别，开灌水灰比为2∶1。灌浆过程中，根据灌浆压力或吸浆率的变化，适时调整浆液稠度。在设计压力下，当注入率不大于0.4L/min时，继续灌注60min；不大于1.0L/min时，继续灌注90min即可结束。

(2)效果检查。防渗帷幕灌浆工程施工结束后，通过检查孔取芯样的完整性和压水试验评价灌浆效果。共获得了14个检查孔压水试验透水率，结果均符合q<1Lu的设计要求，防渗帷幕灌浆达到了预期要求。

4　坝基防渗及尾矿堆积坝排渗系统

4.1坝基防渗工艺

在完成坝基沟槽开挖后，在坝基范围内敷设拉伸性能好的HDPE复合土工膜，该土工膜是防渗、抗拉、抗裂、抗冲击性能优异的柔性防渗材料，适合作为整个坝体的防渗层。土工膜上部依次敷设200mm厚粗砂保护层、双向拉伸塑料土工格(TGSG30-30)、200mm厚碎石保护层(d=5～20mm)、双向拉伸塑料土工格(TGSG30-30)及筑坝块石。HDPE土工膜采用焊接，焊接长度不小于20cm，土工膜敷设在初期坝体下游方向延伸出坝基5m并嵌入路基及坝肩，土工膜敷设在初期坝上游方向上延伸至坝体上游防渗帷幕外侧，并嵌入防渗帷幕外侧(库内方向)1.5m深岩土层，用C25素混凝土压坡脚。

4.2尾矿堆积坝排渗工艺

尾矿堆积坝排渗系统采用排渗插板+水平排渗管联合排渗工艺。该工艺兼具水平排渗管自流排渗和垂直排渗插板有效击穿矿泥隔水层的优点，适用于具有尾矿颗粒细、尾矿放矿较紊乱、尾矿堆积体中矿泥夹层较多、相对隔水层明显等特征的青山尾矿库。

根据现场试验情况，青山尾矿库的尾矿堆积坝体垂直渗透系数远远小于水平渗透系数，在尾矿沉积滩面上布置垂直排渗插板，可有效提高尾矿坝体在垂直方向上的渗透性，结合沿坝体轴线方向布置的水平排渗管，促进坝体内部尾矿水快速排出坝外，降低坝体浸润线。

4.2.1排渗插板布置

垂直排渗插板材质为UPVC，规格为100mm×4.5mm，布置在后期堆积坝64m和70m标高的干滩面，在沉积滩上从距坝轴线位置10m处向库内布置，最远离坝轴线45m，排渗插板间距为2.0m×2.5m，插板插入沉积滩深度8m。

4.2.2水平排渗管布置

在堆积坝64，70m标高设置两层水平排水管，每根长度85m，管径80mm，采用玻璃纤维UPVC管。沿坝轴线方向布置，间距 20m；沿主坝布置，64m标高布置16根，70m标高布置18根，共34根。

垂直插板及水平排渗管布置见图4。

5　坝体防排渗效果及经济效益分析

(1)坝基防渗帷幕灌浆工程施工结束后，经专业检测机构检测，该坝坝基帷幕灌浆工程的防渗能力达到了预期效果。

(2)通过引入初期坝内坡反滤层及尾矿堆积坝排渗处理工艺，将坝体渗透水安全导出初期坝坝体，有效降低了坝体浸润线，根据现场勘查，堆石坝坝体渗透水清澈，渗流量正常。

(3)齿槽型基坑及连接的排水沟等基础处理工程措施的实施，提高了坝基与堆石坝坝体的抗滑稳定性，并有利于坝基渗透水流的疏导。

图4　尾矿堆积坝水平垂直联合排渗系统

(4)通过引入坝体防排渗工艺，大大减小了2#副坝坝基的开挖深度，减少土方开挖量约11万m3，减少堆石坝工程量15万m3，节省了工程投资约600万元。

6　结　语

根据对青山尾矿库2#副坝工程地质情况的分析，坝基下深厚的遇水易软化覆盖层是坝体安全堆筑的重要制约因素。通过引入坝体防排渗工艺，从坝体上游做防渗帷幕灌浆工艺，提高了坝体的安全稳定性，降低了筑坝成本，节约了施工工期，保障了青山尾矿库的正常运行，该技术可为同类地基筑尾矿坝提供经验借鉴。

[1]金松丽．尾矿坝排渗技术的研究现状[J]．现代矿业，2012(7)：35-38.

[2]戚振中，郭辉.高喷灌浆技术在尾矿库地下防渗工程中的应用——《构规》尾矿坝一维简化法的验证及改进探讨[J].山西建筑，2009，35(26)：112-113.

2016-03-18)

王荣林(1968—)，男，科长,高级工程师，243181 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。