“堵、截、疏”系统工程在尾矿库渗漏治理中的应用

袁胜超 ，高学通

(1.华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心， 河北 石家庄 050021)

0 前言

我国是一个矿业大国，矿产资源的开采与选冶在国民经济生产中占有重要地位，而尾矿库作为金属矿山选冶工程的重要辅助设施，其安全稳定运行关乎矿山正常运营和矿区生态环保。尾矿库是有色金属矿山重要的安全环保设施，也是矿山危险性较大的设施，国际灾害事故排名中将尾矿库危害列在第 18位，而在造成尾矿库灾害的众多原因当中，尾矿库渗漏是主要因素之一[1]。

我国尾矿库防渗技术经历了多个历史阶段[2]，防渗工程技术从开始只在少数特殊矿山中采用，到现在对于第Ⅱ类一般工业固体废物和危险废物尾矿库均要求采取可靠的水平防渗系统。因此，很多老旧尾矿库因未设置防渗系统或设计施工不规范而存在库底或坝基渗漏问题[3]，由此造成库内携带重金属离子等多种污染成分的废水向下游扩散，对库区周边生态环境造成严重损害。但目前国内相关规范仅对新建库的防渗系统设置有明确要求，对于已闭库和正在使用的尾矿库渗漏治理问题缺少相关要求和治理技术标准。因此，研究适用于不同类型尾矿库渗漏治理的技术方法，是建设绿色矿山、践行绿水青山发展理念必须要解决的问题。

1 库区条件

拟治理尾矿库是在一沟谷两侧分别修建主坝和副坝围挡而成，库内贮存铅锌矿选矿剩余的尾矿浆，澄清后的尾矿水供选矿重复利用。该尾矿库副坝为堆石坝，设计最大坝顶标高为813.5 m，最大坝高为21.5 m，初期坝一次性筑坝，各期子坝采用分期加高的方式筑坝。当前坝体为一期坝体，坝顶标高806.5 m，二期筑坝最终坝顶标高813.5 m，在一期坝外坡筑坝。

在二期筑坝清基过程中，发现副坝坝脚有库内渗液漏出，由于浅层第四系和强风化地层透水性较强，渗液未露出地表，而是通过地下含水层向下游场区径流，如果不采取治理措施，渗液中所含的重金属等污染物将对库区下游环境造成严重影响。

1.1 工程地质条件

为了提供有针对性的治理方案，设计对副坝沿线进行工程勘察。通过勘察资料可知，场区内由新到老主要分布素填土、腐殖土、含角砾黏性土、火山角砾岩和安山岩地层，各层岩土体强度和完整性见表1。

1.2 水文地质条件

根据注水试验、抽水试验和压水试验，获取各层的渗透性指标见表2。

表1 岩土层强度和完整性统计

表2 岩土层渗透性指标统计

1.3 场区条件分析

目前，对于已经发生渗漏的尾矿库而言，常规治理办法是通过在渗液向下游排泄的主要径流通道上设置地下垂直防渗体，切断地下水流动路径。对于地下防渗体的建造工艺，浅部松散层可选择地下防渗墙、咬合桩、高压旋喷或搅拌桩等多种形式[4-5]；而对于基岩地层因受到现有设备的性能限制，一般只能选择帷幕注浆技术[6]。

根据场区地层分布情况，上部松散层和接近全风化的火山角砾岩④和安山岩⑥强度较差，具备开挖成槽的条件，可以采用地下防渗墙；而④-1和⑥-1强风化及下部中风化岩层的单轴抗压强度已达数十兆帕，适宜采用钻孔注浆的方式形成防渗帷幕体，且幕体应进入⑤-1或⑦-1弱透水地层之中。

2 治理方案设计

2.1 设计思路

综合分析场区地层条件以及治理需求，单纯采用堵的方式无法解决渗漏问题，因为尾矿库内具有高于库区周边地表高程的水头，被地下防渗体堵住流通路径的渗液势必溢出地表或从防渗体顶部溢流至下游区域。为了解决上述问题，设计采用“截、堵、疏”系统工程作为治理方案。其中“堵”是在坝脚截渗沟下游一定距离施工地下防渗体，要求防渗体底界和两肩进入相对隔水层，以阻断渗液运移至下游区域；“截”是沿坝脚开挖一条截渗沟，开挖完毕后充填砾料，以起到截流尾矿库浅层渗液的目的；“疏”是在截渗沟的基础上，在沟内地势低洼及透水性较强地带布置集液井收集库内渗液，然后用水泵抽回到尾矿库中供选矿利用，避免产生渗液的地面溢流。

2.2 工程平面布置

根据设计思路，治理方案包括地下防渗体、截渗沟和集液井3个部分。其中地下防渗体布置在副坝坝脚外围10 m距离，两端延伸至坝肩位置，在地形上保证两端不存在渗液绕流；在地下防渗体与副坝之间设置截渗沟和多口集液井，井内安装抽水设备和液位自动控制装置，以维持稳定的地下水位。设计方案平面布置如图1所示。

图1 设计方案平面布置

2.3 工程关键部位设计

结合场地工况条件和治理需求，治理方案中关键部位设计概况如下。

2.3.1 堵——防渗体

（1）结构形式：根据场区岩土层分布特征，浅部松散层和全风化基岩注浆效果差，适宜开槽浇筑混凝土防渗墙，下部强度高的基岩可采用帷幕注浆，防渗墙及注浆孔布置形式如图2所示。

图2 防渗体平面布置及垂向对照

（2）防渗性能：混凝土防渗墙渗透系数不大于1×10-7cm/s，注浆帷幕单位透水率不大于2 Lu。为了保证防渗体防渗性能，设计防渗墙厚度 600 mm，经渗透稳定性校核满足耐久性要求，混凝土强度等级为C20，渗透性能不低于P6；帷幕注浆孔按两排进行布置，沿防渗墙体两侧分布，排距 600 mm，孔距1500 mm，两排孔交错布置。

（3）防渗顶界：以轴线场区实际地面高程进行控制，保证上游地下水不发生顶部溢流。

（4）防渗底界：帷幕注浆底界进入相对隔水层（单位透水率不大于 2 Lu的中风化安山岩⑦-1或火山角砾岩⑤-1）深度不小于5 m；设计防渗墙平均深度7 m，注浆帷幕平均深度50 m。

2.3.2 截——截渗沟

截渗沟用于截流浅部被地下防渗体阻挡的渗液，布置在坝体与防渗体之间，开挖成槽后充填滤料，以起到护壁和滤水的目的。设计截渗沟开挖宽度1 m，深度2 m，其中充填豆砾石作为滤水层。

2.3.3 疏——集液井

集液井布置在地势低洼和地层透水性较强的地段，一共设计集液井8口，要求成井直径不小于800 mm，内部下放直径426 mm过滤管，滤管与孔壁环状间隙内充填豆砾石作为滤水层。

3 工艺优化及关键部位质量控制措施

3.1 工艺优化

（1）混凝土防渗墙成槽工艺优化。根据场地地层条件，原计划采用冲击钻施工主孔，配合液压抓斗抓取副孔的施工方案，槽段划分如图3所示。

但实际通过补充勘察和施工验证发现，冲击钻在地层条件下存在成孔效率慢、护壁困难等问题。为了保证在原计划工期内完成防渗墙施工，通过研究改进，对于墙体深度大于5 m的区段，改为旋挖钻机施工主孔，大幅提高施工效率；将墙体深度小于5 m的局部区段改为挖掘机窄斗明挖法施工。通过上述两种工艺的结合，成墙效率显著提高。

图3 防渗墙槽段划分

（2）帷幕注浆工艺优化。通过现场注浆试验发现，常规的分段纯压式和孔口封闭孔内循环式注浆工艺针对薄覆盖层风化基岩注浆均存在明显缺陷。采用纯压式的注浆孔注浆量较少，注浆效果难以保证；采取循环式的注浆孔，由于场区覆盖层较薄，注浆顶板埋深浅，在灌注施工过程中，极易发生地面冒浆，造成施工效率大幅降低，严重影响工期进度。

针对上述两种注浆工艺在该场区注浆试验中表现出来的主要问题，明确了场区风化基岩微裂隙地层更适用于循环注浆方式，但孔口封闭是造成地面冒浆和射浆管增长的主要原因。为此，常规的孔口封闭循环注浆方式的主要改进措施是改孔口封闭为孔内封闭，形成局部循环的注浆方式，如图 4所示。

采取上述工艺避免了孔口封闭造成注浆段过长，孔内残留浆液多的问题，同时降低了因射浆管过长而造成孔内固管事故，减少了注浆后的扫孔工作量和地面冒浆情况，应用效果良好。

3.2 关键部位质量控制措施

根据场区地层垂向分布特征，采用了“上部混凝土防渗墙+下部注浆帷幕”的结构形式，其搭接部位的防渗质量是关乎整个防渗体防渗性能的关键之处。通过研究改进，关键部位质量控制措施如下。

图4 孔内封闭局部循环注浆工艺

（1）因防渗墙防渗性能优于注浆帷幕，在施工过程中，对于机械设备开槽能力范围内的地层，最大限度增加墙体深度，保证墙底基岩完整稳定，有利于后期注浆施工。

（2）加强成槽后的清孔换浆，最大限度降低混凝土浇筑时孔内泥浆中的岩粉杂质含量，减少墙底沉渣厚度，保证墙底防渗质量。

（3）加强接触带注浆质量控制，减少墙底首段注浆段长，使其最大不超过2 m，通过增加注浆压力，降低浆液浓度等综合措施，保证浆液在墙体周边的扩散搭接。

4 结论

（1）针对有色金属矿山尾矿库渗漏治理存在的普遍问题，结合场区工况及水文地质条件，提出“堵、截、疏”系统工程方法，阻断库内渗液扩散通道，同时截流回收利用，以多重手段保护库区周边生态环境，具有显著的经济和社会效益。

（2）为了保证防渗墙成墙效率和帷幕注浆质量，研究改进防渗墙成槽施工方法，创新孔内封闭局部循环注浆工艺和设备，保证防渗体施工质量。

（3）对于已闭库和正在使用的尾矿库的渗漏治理，在难以重新构建库内水平防渗系统的条件下，本文提出的“堵、截、疏”系统工程具有一定的适用性和推广价值。