某铀矿废石场地下水截渗墙设计

安 梅

(西安中核蓝天铀业有限公司，陕西 西安 710500)

某硬岩铀矿床的废石场，未修建截排洪沟等雨污分流设施，也未铺设土工膜等防渗设施。在雨水浸蚀下，废石渗出水浸入地下水中，并从地势较低的部位冒出，汇入2号水塘，造成地下水和2号水塘pH、铀、氟、锰等超标，影响生态环境。为防止污染地下水，提出了截渗墙与集水井的设计方案。

截渗墙是水利工程中普遍采用的防渗处理设施。截渗墙技术主要有2种：一种是水泥土截渗墙技术，造价较低；另一种是混凝土截渗墙技术，造价较高。水泥土截渗墙技术是利用多头、小直径深层搅拌机把水泥浆喷入土体并搅拌形成水泥土，以水泥为固化剂，固化剂与土体之间发生物理化学反应，使土体固结成具有良好整体性、稳定性、不透水性，并具有一定强度的水泥土截渗墙，以达到截渗目的。混凝土截渗墙技术是在地面开挖沟槽或以泥浆固壁连续造孔，浇筑混凝土，筑成具有防渗性能的地下连续墙。

根据该铀矿前期治理尾矿库底部渗水的工程经验[1]，本工程截渗墙及集水井采用钢筋混凝土结构,截渗墙及集水井位于废石场拦渣坝的上部。

1 工程地质状况

拟建工程场区地质构造属江南古陆南侧，华夏古陆北缘，即跨越2个一级构造单元，中部为钱塘江凹陷地带，总的地势特征为南、北高，中部低，西部高，东部低，自西向东逐渐展宽。境内平原占15%，丘陵占36%，山地占49%。北部为千里岗山脉，西部为怀玉山脉，南部为市内最大山脉仙霞岭山脉，全市最高点为江山市的大龙岗，海拔1 500 m[2]。

本次勘察沿拟建截渗墙中心线(截渗墙长度约60 m)布置了3个勘探钻孔，勘探孔布置平面位置如图1所示。

1.1 场地环境与工程地质条件

1.1.1 区域地质构造

该区域地层主要为侵蚀性丘陵堆积区地貌，地层发育不全，只揭露了侏罗纪地层(J)、全新统冲积层(Q4al)、人工填土层。侏罗纪地层(J)岩性为红褐、灰白、灰黑色火山岩；全新统冲积层(Q4al)岩性为碎石土层，分布于拟建场地山脚冲沟内；人工填土层由细砂及卵石等组成，分布于地表。

地质构造主要为侵蚀堆积丘陵区，区域构造发育，表层褶皱强烈。在其附近通过的区域断裂，南缘有常山—漓渚大断裂及江山—绍兴深断裂，北缘有开化—临安断裂。根据区域地质资料，在燕山期及以前的地质年代里，构造活动强烈；到喜山期逐渐趋于稳定。地壳运动主要表现为升降运动，从上更新世以来，地壳基本处于稳定状态。

对勘察区影响圈的构造主要为：1)常山—漓渚大断裂，位于江山—绍兴深断裂西北，南端延入闽东北，北经金衢盆地北缘、浦江，至绍兴附近，被第四系掩盖；2)衢州—天台大断裂，该断裂西起常山之北，通过金衢盆地中南部，至永康象珠转向NEE，然后再度沿东西向延伸至天台；3)江山—绍兴深断裂，大致沿浙赣铁路线呈北东向展布，向南延伸与西萍乡—广丰深断裂连接，北东经江山穿越金衢盆地，贴靠金华大山南缘直抵绍兴富盛，继续北上潜越杭州湾。

上述3条断裂与拟建场地距离较远，不会对拟建建筑物产生危害，拟建场地稳定性好。

1.1.2 水文与气象

该地区属亚热带湿润季风气候区，具有四季分明、冬夏长春秋短、光温充足、降水丰沛但季节分配不均的气候特征。常年平均气温17.3 ℃，1月平均气温4.5～5.4 ℃，7月平均气温27.6～29.2 ℃。无霜期251～261 d。每年3～6月为多雨期，多年平均年降水量为1 700 mm。夏季多暴雨、大暴雨、冰雹、雷雨大风等灾害天气。全年风向沿江平原地区为东北风和东北偏东风，山区地形复杂，风向较乱。

1.1.3 地形、地貌及环境条件

场地四面为丘陵，南高北低，东高西低，地形微起伏。拟建场地高程159.12～159.56 m。

1.1.4 场地岩土构成与特征

根据钻探揭露，结合室内土工试验成果综合分析，在本次勘察深度范围内的地层，按其成因类型、沉积年代可分为人工堆积层、第四系全新统冲积层及侏罗纪地层。地基土按成因和物理力学特征自上而下分为3个工程地质层，第3层又分为2个地质亚层，各地层的顶板埋深、厚度、空间分布、岩土特征、工程性质详见表1。

1.1.5 场区水文地质条件

经钻探揭露，场区内未发现上层滞水及地下水，不存在地下水补、迳、排条件及水位动态变化规律。

1.2 岩土参数统计

动探均采用自动落锤，异常值的剔除采用置信区间法即(μ+3σ)法则。各土层重型动力触探试验均按孔进行统计，各土层物理力学指标的变异等级一般属低至中等，数据离散性不大。承载力特征值及压缩模量依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)及《建筑地基基础设计规范》(DB 33/1001—2003)等进行计算[3-4]。地基承载力特征值、压缩模量见表2。

表2 地基承载力特征值、压缩模量Table 2 Characteristic values and compression modulus of foundation bearing capacity

2 岩土工程分析评价

2.1 场地稳定性及适宜性评价

拟建场地在控制深度范围内，无溶洞、土洞、滑坡、断层、冲沟等影响场地稳定性的不良地质作用，该场地岩土种类较多，分布较均匀，工程性质较稳定，根据《城乡规划工程地质勘察规范》(CJJ 57—2012)判定该场地稳定性为基本稳定，该工程建设适应性为较适宜[5]。

2.2 场地地震效应评价

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，拟建场地为Ⅱ类场地，地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期值0.35 s，场地地震烈度为Ⅵ度[6]。

经计算，GK-03孔在中风化斑岩层以上的等效剪切波速值为201 m/s，该场区属建筑抗震的一般地段[7]；该场地的覆盖层厚度为4.8 m，场地类别为Ⅱ类。根据《建筑抗震设防分类标准》，拟建物属丙类建筑物，拟建物抗震设防类别为丙类(标准设防)[8]。

2.3 场地土、地下水对工程影响评价

根据场地气候条件及岩土的透水特性等条件综合判定本场地环境类型为Ⅱ类。本次勘察未揭露上层滞水及地下水，区域水文地质资料结果表明，地表水以上土层对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。设计施工时，应考虑雨季对工程施工的影响，可采用排水沟、集水井汇集渗水进行抽排。

2.4 地基分析评价

2.4.1 地基稳定性及均匀性评价

拟建场地上部为杂填土层，堆填时间短，成分复杂，均匀性较差，力学性质变异性大；第②层碎石土，局部分布，均匀性较差，层位不稳定，厚度较小，工程地质条件较差；第③-1层强风化斑岩，全场分布，分布稳定，均匀性较好；第③-2层中风化斑岩，全场分布，分布稳定，均匀性好。该场地整平后，场地周边无边坡，基础持力层以下无暗井、土洞、防空洞等不利埋藏物，且分布稳定，综合判定该场地地基稳定。

2.4.2 地基土工程性能评价

第①层为杂填土，不宜作为基础持力层，应予以清除。第②层承载力特征值为160 kPa，均匀性差，层位不稳定，工程地质条件较差，不可作拟建建筑物基础持力层。第③-1层承载力特征值为300 kPa，层位稳定，薄层状，工程地质条件一般，可作拟建建筑物基础持力层。第③-2层地基承载力特征值为1 000 kPa，层位稳定，厚层状，工程地质条件好，适宜作拟建建筑物基础持力层。

2.4.3 地基基础方案

拟建截渗墙以第③-2层中风化斑岩层为持力层，进入中风化层1 m及以上，均匀性好，层位稳定，厚度大，力学性质较好，适宜采用筏板基础方案。

建筑物变形特征分析：根据同一基础型式采用同一持力层的原则，拟建截渗墙以第③-2层中风化斑岩层为持力层，采用筏板基础型式，预测拟建建筑物不会产生大的沉降及差异沉降，方案可行。

3 截渗墙设计

截渗墙的设计应考虑截渗墙的渗透性、稳定性和耐久性。截渗墙及集水井平面布置、截渗墙横断面、基槽回填要求，如图2～4所示。

图2 截渗墙及集水井平面布置图Fig. 2 Layout of seepage cut-off wall and collecting well

3.1 截渗墙渗透性设计

在渗透性方面，通过分析岩土工程报告，了解土层分层与特性、地表坡积层和风化壳厚度、基岩位置、风化及裂隙发育等，了解坡积层和风化裂隙的渗透性、富水性和浅层地下水情况。

本工程的第③-2层(中风化斑岩层)，分布稳定，渗透性差，截渗墙底部位于该土层，可满足低渗透性的要求。截渗墙迎水侧采用透水性好的材料回填，地表及底部采用黏性土回填，压实系数不小于0.94，阻断地表水下浸，地下水外渗。渗水层采用卵石+粗砂回填，先铺填卵石层，然后灌入粗砂灌实，让地下水快速渗流到集水井中。背水侧采用基槽开挖的强风化斑岩和中风化斑岩回填，压实系数不小于0.90。

图3 截渗墙横断面图Fig. 3 Cross section map of cut-off wall

图4 基槽回填示意图Fig. 4 Scheme of foundation bench backfill

3.2 截渗墙稳定性设计

截渗墙及集水井位于废石场拦渣坝的上部，截渗墙及集水井采用钢筋混凝土结构。

截渗墙强度和裂缝宽度参照悬臂式挡土墙进行计算，根据《边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)，取如下相关计算参数：填土内摩擦角为30°；填土黏聚力为0；填土容重为19 kN/m3；填土表面与水平面的夹角为0°；挡土墙墙背与水平面夹角为90°；墙背平滑，土对墙背的摩擦角为0°；地表均布荷载标准值为10 kN/m2[9]27；混凝土强度等级为C30；混凝土抗渗等级为P6；混凝土轴心抗压强度标准值为20.1 N/mm2，设计值为14.3 N/mm2；混凝土轴心抗拉强度标准值为2.01 N/mm2，设计值为1.43 N/mm2；混凝土弹性模量为3.0×l04N/mm2；混凝土泊松比为0.2；混凝土墙体容重为25 kN/m3；钢筋级别为HRB400，其屈服强度、极限强度标准值均为400 N/mm2；钢筋抗拉强度、抗压强度设计值均为360 N/mm2；钢筋弹性模量为2.0×105N/mm2；钢筋保护层厚度为50 mm[10]19。

采用理正挡土墙设计软件进行计算。

3.2.1 滑动/倾覆稳定性验算

因截渗墙基础嵌入第③-2层(中风化斑岩层)1.5 m，不存在基础滑动，滑动稳定性满足要求；不存在挡土墙倾覆，倾覆稳定性满足要求。

3.2.2 地基应力验算

墙趾处、墙踵处地基承载压应力分别为-93.584 kPa和0 kPa，地基平均承载压应力为134.624 kPa，均小于1 000 kPa，满足要求。

3.2.3 强度验算

墙趾板、墙踵板强度验算，结果见表3。选取距离墙顶1.35、2.70、4.05、5.40 m处立墙截面进行强度验算，结果见表4。

表3 墙趾板、墙踵板强度验算结果Table 3 Strength calculation results of toe plate and heel plate

表4 立墙截面强度验算结果Table 4 Checking results for cross section strength of vertical wall

截渗墙厚度为0.5 m，高度约6.0 m，长度约58.8 m，顶部位于地表以下0.5 m处。截渗墙基础嵌入第③-2层(中风化斑岩层)1.5 m。综合考虑截渗墙的强度和变形(裂缝)等因素，截渗墙稳定性设计满足要求。

3.3 截渗墙耐久性设计

由于渗水具有弱酸性，地表水以上土层对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。根据《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB/T 50046—2018)，对钢筋混凝土的腐蚀性等级为弱腐蚀[11]。截渗墙混凝土结构的环境类别为五类[10]13，施工时应严格控制水灰比、氯离子和碱含量。

截渗墙及集水井采用树脂防腐措施。具体做法：基层清理，聚合物水泥砂浆局部找平，2 mm厚环氧树脂隔离层，环氧封面料2遍。集料选用石英砂骨料和粉料，增强材料选用玻璃纤维布。树脂类材料配比及施工，严格按施工图设计及国家现行施工规程、规范和标准要求执行，确保树脂玻璃钢防腐层的质量。

4 结论

通过分析结构特点、荷载情况、场地工程地质特点及岩土工程勘察技术要求，确定了截渗墙合理的持力层，并选择筏板基础型式。设计的截渗墙工程于2019年5月建成，实践表明截渗墙发挥了很好的截渗作用，具有良好的稳定性、耐久性。