尾矿库防渗工艺优化及治理效果评价

杨宇鸿

（1.华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050000；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北石家庄 050000）

0.引言

随着矿山企业发展，选矿规模不断加大带来尾矿库扩容需求，以及国家对生态环境保护的重视，使尾矿库渗漏问题凸显出来。目前尾矿库防渗治理多采用“截、堵、疏”等基本手段控制坝基渗流携带污染物对地下水环境造成影响，地下连续墙截获库内渗流水在尾矿库防渗治理中也得到了广泛应用。

1.工程背景

某尾矿库选址于低山丘间谷地，三面环山，仅于南侧修筑土石坝形成库体。沟谷两侧山坡较缓，地形坡度为0°～6°。库区受地质构造作用影响，断裂构造极其发育。区内地下水主要受大气降水的垂直入渗及上游侧向渗入补给，其径流主要受地形条件及岩石节理裂隙控制；区内水系不发育，无河流分布。

场区地层结构由上到下分别为第四系残坡积层、强风化火山角砾岩及中风化安山岩。第四系残坡积层主要由黏性土组成，含大量角砾和少量碎石，中等透水，渗透系数K为3.11×10-4cm/s，层厚15m～20m；强风化火山角砾岩主要矿物成分为斜长石、角闪石和辉石等，斑状结构，块状构造，节理裂隙发育，岩体破碎，岩体基本质量等级Ⅳ～Ⅴ级，强透水性，渗透系数K为1.35×10-3cm/s，层厚15m～30m；中风化安山岩斑晶为斜长石、角闪石和辉石等，基质为隐晶质，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较完整，岩体基本质量等级Ⅱ～Ⅲ级，中等透水，渗透系数K为2.08×10-4cm/s，层厚约20m。

强风化火山角砾岩地层岩体破碎，节理裂隙极发育，为坝基的水平渗漏提供了主要通道，截获该地层渗漏水成为施工设计的重点和难点。同时尾矿库防渗治理工程中防渗墙及墙下帷幕注浆属于隐蔽工程，其质量控制和效果评价目前并无统一标准。

2.“截、堵、疏”系统工程及优化

2.1 “截、堵、疏”系统工程施工工艺

根据场地地层及水文地质条件研究成果，针对场地防渗，采用了“截、堵、疏”系统工程作为本次设计方案。“截、堵、疏”系统工程方案总体思路是：截第四系地下水及季节性降雨补给水，堵第四系及下部的基岩裂隙水，疏上述截堵所产生的地下水[1]。

“截”即沿坝脚施工一条截渗沟，截渗沟施工完毕后充填砾石以起到截渗水的作用。“堵”即以前期副坝工程勘察线为基础，在坡脚前沿施工一条防渗体，上部采用“墙”的方式进行防渗，下部采用帷幕注浆方式进行封堵。“疏”即在截渗沟的基础上，在沟内地势低洼及透水性较强地带设计集水井。通过集水井收集渗滤液，然后用水泵抽回到尾矿库中。“截、堵、疏”系统工程示意图如图1所示。

图1 “截、堵、疏”系统工程示意图

工程实践证明，“截、堵、疏”系统工程所形成截获坝基水平渗流的3道防线，有效的控制了库内污染水体的运移和扩散。原库区下游南侧草场枯萎，地表湿润，土地盐碱化，经过治理后地表土体逐渐变干，草场逐渐返青。治理前、后坝外草场情况如图2和图3所示。

图2 治理前坝外草场情况

图3 治理后坝外草场情况

2.2 “盖帽法”工艺优化

上部防渗墙为开挖治理工程工艺成熟，技术难度较低，能较为容易满足设计要求，而下部帷幕注浆为隐蔽工程，地层节理裂隙分布不均一，施工技术难度较大，同时上墙下帷幕组合的施工工艺在强风化火成岩地区施工具有极大难度。由于墙体与帷幕搭接位置处在强风化角砾岩地层，强风化火山角砾岩节理裂隙发育，岩体破碎，具有强透水性且不具备承压性。当注浆压力稍大时，就会出现浆液顺着防渗墙两侧向上冒浆的问题，当注浆压力过大时则会直接顶坏上部防渗墙体。当注浆压力较小，无法使浆液向远处运移而无法达到设计的浆液扩散半径[2]。

防渗墙开挖回填后，墙体与周围地层无法做到完全紧密贴合，当注浆压力增大时，墙底和墙体就会成为浆液运移的优势通道，解决冒浆的关键问题在于如何阻断墙底和墙体所形成的优势通道，同时又能够让地层承受较大注浆压力。经过工程实践，确立了“盖帽法”工艺优化。通过在墙体与帷幕搭接位置以下0.2m段内使用较小注浆压力进行间歇式注浆，让浆液在墙下形成一个“帽子”，该“帽子”能有效防止浆液顺墙底和墙壁运移，同时还能为上部地层和防渗墙提供一定的承压能力，使下部帷幕注浆可用压力增大。“盖帽法”示意图如图4所示。

图4 “盖帽法”示意图

“盖帽法”具体工艺流程为：（1）1序孔同时在墙下钻进0.2m作为盖帽段；（2）灌浆压力采用0.2MPa，水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1 6个比及由稀到浓进行灌注，变浆规则与正常帷幕灌浆规则相同；（3）当灌浆过程出现地表冒浆即停止注浆，间歇4h；（4）重复步骤（2）和（3）直至在0.2MPa压力下注入率小于0.4L/min时停止注浆。此时帽子盖好。

3.治理效果评价

利用群孔抽水试验来验证上墙下帷幕防渗体的防渗效果，计算防渗体渗透系数。沿防渗体外侧依次布置六口抽水孔并选取若干观测孔观测水位动态。群孔抽水试验水位观测图如图5所示。

图5 群孔抽水试验水位观测图

本次群孔抽水试验各抽水孔影响半径100m～220m。模拟范围按抽水影响范围适当外扩，取以抽水大井为中心，800m×570m的区域。抽水时，模拟区地下径流由四周向抽水井流动，假定在影响范围外，水位在空间上保持不变。本次数值模拟在平面上将第一层分为两个区，其中防渗墙单独作为一个分区，其他区域作为一个分区；将第二层分为两个区，其中帷幕体单独作为一个分区，其他区域作为一个分区。根据矿区地下水位观测孔当天的观测资料，选择群孔抽水试验前一天的水位作为本次模拟研究区的初始水位，选择群孔抽水试验的地下水位观测孔的实测水位动态曲线进行全过程拟合，经反复调整水文地质参数等不确定因素，直至观测孔观测水位与模拟水位历时曲线相对拟合，得出结束抽水时刻流场图如图6所示[3]。

图6 群孔抽水试验结束时刻地下水流场图（整体）

从拟合的群孔抽水试验结束时刻地下水流场图可以看出防渗体内侧全部为红色区域，表明该区域水位壅高，且无渗漏；防渗体外侧自西向东颜色逐渐由红、黄、绿、蓝渐变，地下水位逐渐降低，表明该区域地下水流场与原始流场相吻合，外侧流场未受防渗体影响；在紧邻防渗体区域出现串珠状低水位区域，此为抽水试验形成的降落漏斗，该现象表明模拟结果符合现场实际；防渗体内外两侧流场表现出巨大差异，表明防渗体处形成了良好的隔水边界。

4.结语

本文对尾矿库防渗优化工程进行了系统的设计，通过“截、堵、疏”系统工程的3道防线切断了尾矿库坝脚的水平渗流路径，针对墙体与帷幕搭接位置的强风化火山角砾岩采用“盖帽法”工艺优化解决了高注浆压力下地表起鼓冒浆问题，设计的工程措施均具有可操作性，针对该类矿山地质特点可有效防止尾矿库的渗漏问题。同时利用群孔抽水试验数据建立的水文地质模型，模型对防渗优化工程的效果评价具有较好的指导意义，同时治理效果评价方法适用性良好，可为类似防渗工程的评价提供技术参考。