某露天采坑酸性废水透水层封堵方案优化研究

周斌

(万宝矿产有限公司， 北京 100053)

1 矿山概述

缅甸蒙育瓦铜矿的萨比塘（Sabetaung）矿床（简称“S 矿”）隶属缅甸扬子铜业有限公司，位于曼德勒以西约150 km处。S坑开采的底标高为465 m，目前已闭坑，作为邻近 K 矿的酸性废石排土场，最终顶标高为+720 m。排放到S坑的废石含有金属硫化矿物，经氧化产生酸性水。坑内水取样化验，酸性废水的pH值低，硫酸根离子、铜离子和铅离子含量均高，对地下水具有较强的污染性。

S坑东部边坡分布有第四系洪冲积层（Qhapl）强含水层，走向长度为1500 m。钦敦江和雅玛河水通过该层向矿坑充水，涌水量约为600 m3/h。随着S坑内酸性废石回填标高的上升，坑内酸性水的水位标高抬升，当坑内水位升到 545 m 平台以上时，酸性废水会通过弥散和渗流等方式进入边坡强含水层，对地下水、河流和土体造成污染。为保护当地环境，实现矿山绿色无害开采，需对 S坑东部边坡渗漏进行治理，建造低渗透性防渗墙以阻隔S坑内酸性水与透水层及其他区域地下水系统的联系。

S矿坑在闭坑规划时，澳大利亚KP公司初步对S坑北面535至575的透水层进行了封堵方案设计，方案中提出在渗水的边坡铺设厚度为21 m的黏土墙作为防渗墙，本研究对该防渗墙的厚度进行了优化。

2 水文地质条件

2.1 含水层特征

根据现场踏勘和渗水点出露情况调查，含水层位于S坑边坡北侧至东南侧，长约1500 m，高从S535至S575出露，约40 m。

对S坑含水层上下地层展开了岩土工程勘察，结果表明，矿山表层物料主要由覆盖在残余土上的崩积层/冲积层组成，残余土覆盖于风化火成岩基岩之上，地层剖面见图 1，主要包括：矿山废石、黑棉土、黄灰色分散性黏土和黄灰色砂质黏土、台地冲积层、Kangon组（泛滥平原冲积层）、基岩-安山质斑岩，主要含水层及其上下岩层渗透系数见表1。

图1 含水层及上下地层剖面

表1 S坑含水层及其上下岩层的渗透系数

Kangon砂岩层为高渗透性岩层，位于地面以下约3～10 m相对较浅的位置，并与钦敦江和雅玛河相连。上部为级配良好的中细砂，下部为粗-砾质砂，渗透率为4×10-4～2×10-3m/s。

由于黄灰色分散性黏土与黑棉土具有相似的渗透性，为了简化分析，将其与黑棉土层合并，整个地层共为4层。S坑含水层上下地层的现场勘察结果表明，上下地层岩层一致，均可视为隔水层。

为确定防渗墙封堵的顶底标高，需查明含水层地层与上下地层之间的界限。对含水层开展了 15个点的坑探工作和渗水点观察，确定了含水层（松散砂砾石层）顶板标高为552.68～575.515 m，底板标高为545～573 m，由北向南逐渐变薄，并在东南部尖灭。

2.2 水文地质评估

根据SK监测钻孔地下水位数据和矿区周边村井监测数据、地下水等值线显示，区域地下水流方向为东南方向。在S矿开采及排水作业中形成了一个发育良好的地下水位降落漏斗，导致地下水从含水层和雅玛河向矿坑径流。

根据雅玛河水与含水层水质化验结果表明，雅玛河河水通过河床砂层、砂卵石层直接向S坑边坡含水层补水，最终在矿坑与雅玛河形成直接水力联系。S坑为保证坑内酸性水不迁移至含水层，应建造防渗墙进行水力隔离。

含水层与雅玛河及周边地下水相连，雅玛河水侧向补给是S矿坑地下水补给的主要来源，其次为大气降水及地表径流。根据SK监测钻孔地下水位数据和矿区周边村井监测数据、地下水等值线显示，区域地下水流方向为东南方向，在S矿开采中形成了一个发育良好的地下水位降落漏斗，导致地下水从含水层向矿坑径流，肉眼可见矿坑北侧和东侧边坡与含水层相交。因此，边坡渗漏水的主要水源及通道为雅玛河水通过砂层、砂卵石含水层直接向S矿坑的东北部边坡充水并流向矿坑，见图2。

图2 S坑东北侧边坡渗水地质模型

S坑内水质监测结果显示，S坑内水pH低，铅、铜和硫酸盐浓度较高，建议在S坑含水层露头上建造防渗墙进行封堵，每月和每季度对监测孔中地下水的深度和质量进行取样，并根据薄弱地点的参数进行测试。

3 防渗墙体材料试验及方量估算

根据现场试验，平均水平渗透率为1×10-9m/s作为压实黏土的渗透系数要求。

3.1 矿区黏土土工试验

对堆场区域进行黏土土壤取样和渗透变形测试，试验结果见表2。由表2可知，测试区域的黏土均满足压实黏土渗透率 1×10-9m/s和防渗墙黏土质量要求。

表2 土样渗透变形试验

3.2 矿区黏土分布及其方量估算

区域黏土方量估算为40万m3。前期KP公司对矿区西北部、东部区域黏土进行测试，合格黏土方量估算为177万m3。因此，矿区内满足封堵质量要求的黏土方量共计约为217万m3，见表3。

表3 满足封堵要求的黏土方量估算

4 黏土防渗墙厚度以及地下水数值模拟

4.1 黏土最小防渗墙厚度

根据达西通量、扩散通量公式计算，在满足世卫组织饮用水标准水质阈值和国际金融公司矿山污水标准水质要求的前提下，黏土墙能够满足防渗寿命至少为100 a的需求，可以取消复合衬垫隔障式防渗墙方案中的高密度聚乙烯土工膜（HDPE），并在此基础上优化黏土厚度，见表4。

表4 黏土墙最小厚度

根据表4计算的最小厚度，建议建造一个最小水平厚度为8 m和最小垂直厚度为6.5 m的黏土墙。

4.2 地下水数值模拟

4.2.1 渗流分析

采用有限元法的渗流分析程序“SEEP/W”进行地下水渗流评估。在防渗墙建造后，分析当坑内地下水水位分别为RL535 m、RL550.25 m、RL555.5 m和RL560 m时的间隔50 a、100 a和250 a的渗流瞬态条件，以观察通过衬垫的水流动方向，并估算流速和流量，其渗流分析结果见图3和图4。

图3 瞬态下地下水渗流量和流动方向

图4 不同地下水位时的渗透量变化曲线

由图3、图4可知，地下水流向和渗透时间随地下水位变化而变化，坑内水进入含水层是有可能的，但通过监测含水层和坑内水位，这种可能性很小，在黏土墙建造完成后100 a内，坑内水不太可能渗出黏土墙之外。

4.2.2 黏土墙稳定性分析

采用极限平衡法对低渗透土壤墙的稳定性进行分析。对于黏性材料，稳定性分析采用不排水抗剪强度参数。地下水位是采用地下水模拟数据结果。

如果在不排放坑内回填废石的情况下建造黏土墙，在这种情况下，短期安全系数约为1.39，如图5所示，这大于短期静载条件下要求的最小安全系数。因此，本设计的低渗透黏土墙的稳定性满足工程要求。

图5 黏土墙稳定性分析短期安全系数

5 研究成果及成效分析

5.1 主要研究成果

（1）降低了防渗墙黏土厚度。2015年《S矿闭坑详细设计》报告中防渗墙黏土平均最小厚度为21 m；经封堵方案优化后，防渗墙黏土最小水平厚度为8 m，最小垂直厚度为6.5 m。

（2）增加了S坑排土容量。开展S坑含水层封堵方案研究，使靠近含水层一侧的空间（535水平～625水平）增加排土容量约为2600万m3。

5.2 封堵优化方案初步效益评价

（1）S坑含水层封堵工程增加了废石排放量约2600万m3，最少需征地面积约为36.83万m2，按征地单价4942缅元/m2计算，所需的征地费用约为18.2亿缅元，约为135万美元。因此优化方案节省了征地费用约为135万美元。

（2）原设计的黏土墙封堵方案，其封堵工程费用约为500万美元；优化封堵方案中工程费用约为352万美元，优化后的封堵方案工程费用较原设计方案工程费用节约148万美元。

（3）原设计的黏土墙方案中黏土使用量约为135万m3，优化的封堵方案中黏土使用量约为79.8万m3；因此，较原设计节省了黏土用量约55.2万m3，按照当前黏土采购价格估算2.35美元/m3，节省了黏土采购费用约为130万美元。

综上分析，该封堵优化方案对比初步封堵设计方案可节约工程费用413万美元。

6 结论

（1）依据达西通量、扩散通量公式计算，在满足世卫组织饮用水标准水质阈值和国际金融公司矿山污水标准水质要求的前提下，确定了黏土墙最小厚度，提出了压实黏土最小水平厚度为8 m，最小垂直厚度为6.5 m的黏土墙方案。

（2）S坑含水层封堵工程的建造，使得靠近含水层一侧（S535-625水平）可以继续排放废石，增加了S坑今后排土容量，且节省了废石排放所需的征地，同时减少了黏土用量。