尾矿库防渗技术及防渗土工材料应用现状分析

甘海阔，周汉民，崔 旋，李彦礼，郄永波

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

中国是一个矿业大国，矿业的发展导致尾矿的产出量一直保持在较高的水平。目前，我国对于尾矿的处理中除少部分用于膏体充填及综合利用以外，大部分仍需利用尾矿库堆存[1]，尾矿库一直是我国矿山企业生存发展中的重要组成部分。随着国家及地方各级主管部门对安全、环保不健全的矿山尾矿库的综合整治与闭销库工作，我国尾矿库数量呈逐年减少趋势。截至2017年底，全国有各类型尾矿库7 793座；其中，一等库8座，二等库182座，三等库799座，四等库和五等库6 804座。与此同时，依托环保法律法规以及《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)[2](以下简称“《规范》”)、《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB 18599—2001)[3]等规范的有效实施，我国尾矿库环保防渗的设计建设也逐渐形成以判别固废类别为前提，依据尾矿库渗漏条件确定具体防渗方案的形式。尾矿库渗漏条件涉及到库区库型条件、工程地质、水文地质、地质构造等多个方面，判定渗漏类型是确定下阶段防渗技术方案的前提。本文简要分析尾矿库常见几种渗漏类型的判别过程，提出依据渗漏类型确定尾矿库防渗技术方案的一般思路；阐述防渗土工材料在尾矿初期坝内坡防渗、柔性趾板连接、水平铺盖铺设以及不良地质局部防渗等多方面的应用，揭示提高土工材料防渗的适用性仍需解决的相关问题；本次研究工作可为我国相关尾矿库防渗工程的研究、设计等提供技术参考。

1 尾矿库渗漏类型

尾矿库渗漏类型一般为临谷渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏等几种类型。

1) 临谷渗漏。临谷渗漏为尾矿库的渗水由库区渗漏进入周边相邻沟谷中。尾矿库不发生临谷渗漏，需具备以下必要条件：①从地形地貌及工程岩性上讲，一般属于典型的“两山夹一谷”地形，库底和山脊相对高差较大，库区两岸山体厚大坚实，库区岩性质地较硬～坚硬；②两岸山体强风化带以下需具备厚大稳定的弱-微风化岩体；③库区典型水文地质及渗透性剖面图所揭示的渗透总体规律应满足透水性从浅部岩层至深部岩层透水性逐渐减弱的趋势或存在厚大的隔水地层，其地层渗透性分布规律如图1所示；④尾矿库库区范围内无断层及横向导水通道通过。具备上述条件以后，尾矿库库区的两岸山体及沟底形成的整体可以作为阻水通道能够有效防止尾矿水向临谷及深层地基入渗，从而判定该尾矿库库区无临谷渗漏风险。

尾矿库存在临谷渗漏的风险，则表现为往往不具备上述充分条件，突出体现：①库区山体较为薄弱，两岸透水性相对较好；②从地形地貌上判断为非典型性的“两山夹一谷”地形；③库区与临谷之间存在透水性较好的导水地层、断裂破碎带、贯穿性裂隙节理构造等渗漏通道；④库区存在导向临谷方向的大型集中渗漏带，例如溶洞、暗河、落水洞、中型溶蚀断裂等。

图1 非临谷渗漏工况库区地层渗透性分布规律Fig.1 Distribution law of permeability in reservoir areaunder un-valley-seepage condition

2) 坝基渗漏与绕坝渗漏。《规范》要求Ⅱ类固体废物尾矿库以及危废尾矿库要求整个尾矿库甚至包含初期坝在内的全库区实现防渗[2,4]。但大部分堆存Ⅰ类一般工业固体废物的尾矿库，为控制坝体浸润线，满足坝体稳定性的需要，初期坝往往采用透水坝修建。在保证场地稳定可靠、不发生不均匀沉降变形或渗透破坏时，尾矿坝的坝基及坝肩也要求透水性能尽可能良好。尾矿库安全设计的核心思想之一为允许坝体及坝基渗流的正常发生，以实现尾矿渗水顺利排出库区，降低坝体浸润线，保证尾矿坝边坡稳定性。

尾矿库防范坝基渗漏及绕坝渗漏的处理措施一般在尾矿库初期坝的下游设置，通过在尾矿坝坡脚下游设置截渗坝+坝下垂直防渗措施，最终实现坝体导渗后集中处理尾矿渗水。尾矿水沿坝体渗漏以及实现坝下垂直截渗的示意图如图2所示。

图2 尾矿水沿坝体渗流及坝下垂直截渗示意图Fig.2 Schematic diagram of seepage of tailings water along dam body and vertical seepage interception

2 尾矿库的防渗技术方案

依据库区渗漏方式的不同，尾矿库防渗技术方案常采取垂直防渗、水平防渗或垂直与水平防渗相结合的方式。

1) 垂直防渗。《规范》要求垂直防渗是垂直设置的，可以阻断水平流向的地下水流和污染物向四周扩散。在尾矿库工程地质和水文地质适宜时，即当尾矿库场地底部存在不透水层或厚实的弱透水层时，可通过将垂直防渗系统嵌入相对不透水地层不小于2.0 m，可满足环保防渗相关要求。因而，垂直防渗方案一般适用于尾矿库库区不存在临谷渗漏的风险，只存在坝基渗漏及绕坝渗漏的情况。

根据尾矿库场地地质条件的不同，垂直防渗方案常采用坝下帷幕灌浆防渗、坝下塑性混凝土防渗墙防渗或上墙下幕型式(截渗坝+上部混凝土防渗墙+下部帷幕灌浆进行垂直防渗)。为了保证坝肩部位的防渗效果，在对尾矿库进行坝基垂直防渗时往往配合在坝肩部位设置灌浆平硐进行坝肩帷幕灌浆；最终，坝肩帷幕与坝基帷幕(或混凝土防渗墙)能够连成一体，防范了尾矿坝绕坝渗漏的发生。例如：①三山岛金矿尾矿库[5]为严防库内含高浓度氯离子的尾矿水渗漏污染周边环境，在尾矿库库区周边设置地下塑性混凝土防渗连续墙，防渗连续墙厚度不小于0.3 m，嵌入粉质黏土层1 m；②内蒙古赤峰市克什克腾旗黄岗矿Ⅲ矿区尾矿库附近为黄岗梁国家森林公园。为保护周边生态环境，对尾矿库的防渗提出了严格的要求，尾矿库防渗方案采用“上墙下幕”综合防渗方案，即上部覆盖层和强风化基岩采用塑性混凝土防渗墙，墙下为帷幕灌浆；③云南铜业乌龙河尾矿库坝址处上部为深厚卵砾石覆盖层下部为透水性逐步减弱的玄武岩地基这一工程地质条件，尾矿库垂直防渗方案即采用“上墙下幕”联合防渗系统。即在尾矿库初期坝下游坡脚200 m处设置一座截渗坝，坝基则采用塑性混凝土防渗墙+帷幕灌浆防渗进行垂直防渗，帷幕灌浆深至基岩相对不透水层以下5 m，以达到截留尾矿水的目的。

2) 水平防渗。《规范》同时要求对于Ⅱ类一般工业固体废物的库区防渗，可采用全库水平防渗，满足在尾矿库的底部和周边应具有一层防渗系统，并具备相当于一层饱和渗透系数不大于1.0×10-7cm/s，厚度不小于1.5 m的黏土层的防渗性能，以实现全库区尾矿水不外渗。除去Ⅱ类一般工业固体废物或危险废物，尾矿库发生库区临谷渗漏时，也需根据尾矿库实际情况采用局部或全库的水平防渗措施。水平防渗形式依据所采取的防渗材料不同，可采用黏土等天然材料进行水平防渗，亦可采用土工膜、复合土工膜以及钠基膨润土毯等土工材料进行防渗。

近些年来，防渗土工材料因其价格经济、性能良好、施工简便等特点，在矿山尾矿库防渗工程中获得广泛应用。例如：①中国铝业公司中州分公司台马沟赤泥库赤泥浸出液的pH值为11.00～11.37，属于第Ⅱ类一般工业固体废物。该赤泥库采用高密度聚乙烯复合土工膜+膜下600 mm厚压实黏土层等构成防渗层[6]；②福建紫金山金铜矿大岽背尾矿库采用2.0 mm厚HDPE土工膜和膜300 mm厚压实黏土等组成单层土工膜复合防渗衬垫；③西藏玉龙铜矿一期工程尾矿库所堆存的尾矿为第Ⅱ类一般固体废物。其防渗衬垫结构自上而下为：场底部分为黑色长丝土工布+200 mm厚黏土层+1.5 mm厚HDPE膜+300 mm厚压实黏土层。

3 防渗土工材料在尾矿库中的应用

除了尾矿库整体防渗工程以外，防渗土工材料还在尾矿库内坡防渗、柔性趾板连接、水平铺盖铺设以及不良地质局部防渗等多方面进行诸多应用，主要起防范坝体尾砂“跑浑”、延长坝体渗径、保证坝基渗流安全、局部环保防渗等目的。

3.1 初期透水堆石坝的内坡防渗

尾矿初期坝运行初期，由于库内纵深及干滩长度较短，尾矿水澄清距离不足。该阶段若沿初期坝透水堆石坝内坝坡直接放矿，会引起库内细颗粒尾砂直接随渗水渗出，进而引发初期坝坡脚尾砂“跑浑”。因而，在尾矿库设计建设时，通常在初期坝下坝段内坡反滤层的基础上设置一层防渗层，使初期坝运行前期为不透水坝；到初期坝运行后期，库区具备足够的澄清距离后，初期坝设置为透水坝。例如：某尾矿库初期透水堆石坝总高度50 m，设计将初期坝上游坡面35 m高度以下设置为内坡防渗区，该防渗区域下对应尾矿库库区长度400～500 m，可基本满足库内尾矿水澄清要求。内坡反滤层及防渗层铺放顺序自下而上依次为：碾压后堆石坝体，300 mm碎石层，300 mm砾石层，300 mm粗砂，400 g/m2土工布，2 mm HDPE防渗膜，400 g/m2土工布(图3)。

图3 透水堆石坝内坝坡防渗示意图Fig.3 Schematic diagram of seepage prevention for inner dam slope of permeable rockfill dam

3.2 柔性趾板连接刚性防渗体

柔性趾板的概念源于水利工程混凝土面板堆石坝的刚性趾板；趾板为连接地基垂直防渗体与面板堆石坝防渗面板间的混凝土板(图4)。尾矿坝由初期堆石坝和尾砂堆积体构成，尾砂堆积体依靠自重及排水后自然沉积固结，其坝体及坝基变形沉降值相对于水利工程中土石坝更大。为适应地基及坝体大变形的条件，可采用防渗土工材料作为柔性趾板以取代混凝土面板的上述功能。

图4 混凝土面板堆石坝的混凝土趾板连接Fig.4 Toe slab connection of concrete face rockfill dam

例如某尾矿库选址建设于深厚卵砾石覆盖层地基上，地基覆盖层厚度约25 m，尾矿坝设计建设总高度为130 m。由于坝基发生渗透破坏的风险较大，为减小坝基渗流量并延长坝基渗径，在尾矿库初期坝内坡脚设置一道垂直塑性混凝土防渗墙深至玄武岩地层，以整体截断坝基透水性良好的卵砾石地层。由于混凝土防渗墙距离尾矿坝上游坝脚约30 m，为实现尾矿坝内坡防渗体与混凝土防渗墙之间的顺利连接，两者之间设置了柔性趾板构造。

柔性趾板采用复合土工膜+加筋土工格栅的形式。为适应坝基附近较大的沉降变形，柔性趾板间设置3个嵌固槽，复合土工膜和土工格栅均嵌入嵌固槽中；防渗土工材料均采用波浪松弛方式敷设，富余度保证在5%以上，具体如图5所示。

3.3 水平铺盖防范坝基渗透破坏

尾矿库工程设置水平铺盖与水利工程中防渗土工铺盖用途相似，其主要作用为：增加坝基渗流渗径长度、减小渗透坡降、防止地基渗透破坏。除此之外，在尾矿库库内铺设水平铺盖段亦可作为辅助水平防渗措施，通过水平防渗段深入库尾侧沉积较厚的细颗粒尾砂中，与库区细颗粒尾砂构成相对封闭的相对不透水体，减小尾矿水垂直下渗至库区下部地层。例如：某尾矿库项目入库尾矿粒度分布为-0.048 mm含量占比57%，-0.025 mm含量占比43.8%。分级尾矿中粒径在-0.048 mm以下将以尾粉质黏土和尾黏土为主，-0.025 mm以下基本由尾黏土组成。其中，尾黏土的渗透系数达到10-7cm/s量级，类似于天然黏土的防渗级别。入库全尾砂经放矿自然分级后形成尾粉砂、尾粉土、尾粉质黏土及尾黏土等多个地层，水平铺盖通过将膨润土毯+土工膜等防渗材料铺设进入库前600～800 m范围内的库底，即水平铺盖段能够完全进入库尾段沉积的尾黏土地层，并与库尾侧沉积的尾黏土构成相对阻水的整体，以减少尾矿水下渗至深层地基。具体应用布置如图6所示。

图5 尾矿坝垂直防渗体下柔性趾板连接Fig.5 Flexible toe plate connection under vertical seepagecontrol body of tailings dam

图6 尾矿库库区防渗膜水平铺盖布置图Fig.6 Layouts of impervious geomembrane in tailings reservoir area

3.4 断裂破碎带等不良地质的局部防渗

尾矿库若存在断裂破碎带等导水构造，将形成深层地下水渗漏或临谷渗漏的通道。针对库区存在小范围断裂破碎带的防渗工程，一般要求防渗土工材料宽度能够覆盖断裂破碎带宽度并可在周边预留一定的完整山体区域，防渗锚固区应坐落在完整可靠的库岸山体上。

例如某尾矿库断裂带横穿库区通过，断裂破碎带平均宽度约20 m，库区两岸山坡平均坡度在30°～45°之间，经帷幕灌浆注浆防渗、黏土防渗及土工材料防渗等多方案综合对比后认为：土工材料防渗方案相比其他方案更为安全可靠、经济合理，可作为该尾矿库断裂防渗的推荐布置方案。防渗土工材料铺设型式为：平整压实后库岸山坡+4 800 g/m2GCL+2.0 mmHDPE+400 g/m2土工布，防渗层分台阶锚固在库区山坡上，每层台阶高度20～25 m，防渗层平均铺设宽度为50 m。

4 土工材料防渗所存在的问题

近些年来，多座尾矿库工程的防渗实践案例表明：防渗土工材料在尾矿库内坡防渗、柔性趾板连接、水平铺盖铺设、局部断裂防渗等方面的技术应用较为成熟。在尾矿库地质环境条件适宜时，采用防渗土工材料进行尾矿库全库或部分水平防渗的安全可靠性也较高。尾矿库地质环境条件适宜，突出表现为：库区场地较为平整，无较大地基不均匀变形，库岸边坡相对较缓(坡度30°～45°以下)，两侧山体不存在大范围的冲沟及沟壑,亦不存在崩塌、滑坡及泥石流等显著的不良地质现象。然而，当尾矿库选址于复杂的地质环境条件时，采用土工材料进行全库防渗或部分防渗的可靠性将显著降低。复杂地质环境条件突出表现为：高陡边坡、不良地质现象集中、复杂库型条件三个方面。

1) 高陡边坡条件会造成防渗土工材料铺设时施工难度加大，现有施工机械及铺设技术难以保证土工材料的贴紧铺设及有效锚固，防渗土工材料下方易产生应力集中区，并由于材料强度及延展性不够而被撕裂。

2) 当尾矿库库区存在崩塌、滑坡及泥石流等较多不良地质现象时，防渗土工材料需承受库区差异性较大的不同界面岩土条件影响，易产生较大的不均匀变形而被撕裂。同时，不良地质现象所产生的滚石、块石、石子等尖锐棱角易刺穿防渗土工材料。

3) 针对库区狭长迂回，支沟或沟壑众多等复杂库型条件下尾矿库防渗工程，铺设防渗土工材料将在尾矿库库区形成较多的褶皱区及张拉区，防渗膜易产生过大的受力集中区或者由于焊接条件过于复杂形成局部漏焊区[7]等，并导致库区防渗工程失效。

现阶段防渗土工材料在应对尾矿库高陡边坡、不良地质现象及复杂库型条件等工况的适用性尚不够，应研发低成本、高韧及高延展性防渗土工合成材料以及更为安全可靠铺设技术，以提高防渗土工材料适应尾矿库复杂地质环境条件的能力。

5 结 语

本文系统总结尾矿库常见的几种渗漏类型的判别方式，提出依据渗漏类型确定防渗技术方案的一般思路。结合防渗土工材料在尾矿库水平防渗、内坡防渗、柔性趾板连接、水平铺盖铺设以及不良地质处理等方面的应用，分析其对满足环保防渗、防范尾矿坝渗水跑混、降低渗透破坏风险以及减小坝基渗流的作用效果。提出研发低成本、高韧、高延展性土工材料以及更为安全可靠的防渗铺设技术以适应于尾矿库复杂地质环境工况，应是防渗土工材料未来发展的一个重要方向。