尾礦庫(kù)防滲技術(shù)及防滲土工材料應(yīng)用現(xiàn)狀分析

甘海闊，周漢民，崔 旋，李彥禮，郄永波

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

中國(guó)是一個(gè)礦業(yè)大國(guó)，礦業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致尾礦的產(chǎn)出量一直保持在較高的水平。目前，我國(guó)對(duì)于尾礦的處理中除少部分用于膏體充填及綜合利用以外，大部分仍需利用尾礦庫(kù)堆存[1]，尾礦庫(kù)一直是我國(guó)礦山企業(yè)生存發(fā)展中的重要組成部分。隨著國(guó)家及地方各級(jí)主管部門對(duì)安全、環(huán)保不健全的礦山尾礦庫(kù)的綜合整治與閉銷庫(kù)工作，我國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量呈逐年減少趨勢(shì)。截至2017年底，全國(guó)有各類型尾礦庫(kù)7 793座；其中，一等庫(kù)8座，二等庫(kù)182座，三等庫(kù)799座，四等庫(kù)和五等庫(kù)6 804座。與此同時(shí)，依托環(huán)保法律法規(guī)以及《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[2](以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)、《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599—2001)[3]等規(guī)范的有效實(shí)施，我國(guó)尾礦庫(kù)環(huán)保防滲的設(shè)計(jì)建設(shè)也逐漸形成以判別固廢類別為前提，依據(jù)尾礦庫(kù)滲漏條件確定具體防滲方案的形式。尾礦庫(kù)滲漏條件涉及到庫(kù)區(qū)庫(kù)型條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等多個(gè)方面，判定滲漏類型是確定下階段防滲技術(shù)方案的前提。本文簡(jiǎn)要分析尾礦庫(kù)常見幾種滲漏類型的判別過程，提出依據(jù)滲漏類型確定尾礦庫(kù)防滲技術(shù)方案的一般思路；闡述防滲土工材料在尾礦初期壩內(nèi)坡防滲、柔性趾板連接、水平鋪蓋鋪設(shè)以及不良地質(zhì)局部防滲等多方面的應(yīng)用，揭示提高土工材料防滲的適用性仍需解決的相關(guān)問題；本次研究工作可為我國(guó)相關(guān)尾礦庫(kù)防滲工程的研究、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

1 尾礦庫(kù)滲漏類型

尾礦庫(kù)滲漏類型一般為臨谷滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏等幾種類型。

1) 臨谷滲漏。臨谷滲漏為尾礦庫(kù)的滲水由庫(kù)區(qū)滲漏進(jìn)入周邊相鄰溝谷中。尾礦庫(kù)不發(fā)生臨谷滲漏，需具備以下必要條件：①?gòu)牡匦蔚孛布肮こ處r性上講，一般屬于典型的“兩山夾一谷”地形，庫(kù)底和山脊相對(duì)高差較大，庫(kù)區(qū)兩岸山體厚大堅(jiān)實(shí)，庫(kù)區(qū)巖性質(zhì)地較硬～堅(jiān)硬；②兩岸山體強(qiáng)風(fēng)化帶以下需具備厚大穩(wěn)定的弱-微風(fēng)化巖體；③庫(kù)區(qū)典型水文地質(zhì)及滲透性剖面圖所揭示的滲透總體規(guī)律應(yīng)滿足透水性從淺部巖層至深部巖層透水性逐漸減弱的趨勢(shì)或存在厚大的隔水地層，其地層滲透性分布規(guī)律如圖1所示；④尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)無(wú)斷層及橫向?qū)ǖ劳ㄟ^。具備上述條件以后，尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)的兩岸山體及溝底形成的整體可以作為阻水通道能夠有效防止尾礦水向臨谷及深層地基入滲，從而判定該尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)無(wú)臨谷滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

尾礦庫(kù)存在臨谷滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，則表現(xiàn)為往往不具備上述充分條件，突出體現(xiàn)：①庫(kù)區(qū)山體較為薄弱，兩岸透水性相對(duì)較好；②從地形地貌上判斷為非典型性的“兩山夾一谷”地形；③庫(kù)區(qū)與臨谷之間存在透水性較好的導(dǎo)水地層、斷裂破碎帶、貫穿性裂隙節(jié)理構(gòu)造等滲漏通道；④庫(kù)區(qū)存在導(dǎo)向臨谷方向的大型集中滲漏帶，例如溶洞、暗河、落水洞、中型溶蝕斷裂等。

圖1 非臨谷滲漏工況庫(kù)區(qū)地層滲透性分布規(guī)律Fig.1 Distribution law of permeability in reservoir areaunder un-valley-seepage condition

2) 壩基滲漏與繞壩滲漏?！兑?guī)范》要求Ⅱ類固體廢物尾礦庫(kù)以及危廢尾礦庫(kù)要求整個(gè)尾礦庫(kù)甚至包含初期壩在內(nèi)的全庫(kù)區(qū)實(shí)現(xiàn)防滲[2,4]。但大部分堆存Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物的尾礦庫(kù)，為控制壩體浸潤(rùn)線，滿足壩體穩(wěn)定性的需要，初期壩往往采用透水壩修建。在保證場(chǎng)地穩(wěn)定可靠、不發(fā)生不均勻沉降變形或滲透破壞時(shí)，尾礦壩的壩基及壩肩也要求透水性能盡可能良好。尾礦庫(kù)安全設(shè)計(jì)的核心思想之一為允許壩體及壩基滲流的正常發(fā)生，以實(shí)現(xiàn)尾礦滲水順利排出庫(kù)區(qū)，降低壩體浸潤(rùn)線，保證尾礦壩邊坡穩(wěn)定性。

尾礦庫(kù)防范壩基滲漏及繞壩滲漏的處理措施一般在尾礦庫(kù)初期壩的下游設(shè)置，通過在尾礦壩坡腳下游設(shè)置截滲壩+壩下垂直防滲措施，最終實(shí)現(xiàn)壩體導(dǎo)滲后集中處理尾礦滲水。尾礦水沿壩體滲漏以及實(shí)現(xiàn)壩下垂直截滲的示意圖如圖2所示。

圖2 尾礦水沿壩體滲流及壩下垂直截滲示意圖Fig.2 Schematic diagram of seepage of tailings water along dam body and vertical seepage interception

2 尾礦庫(kù)的防滲技術(shù)方案

依據(jù)庫(kù)區(qū)滲漏方式的不同，尾礦庫(kù)防滲技術(shù)方案常采取垂直防滲、水平防滲或垂直與水平防滲相結(jié)合的方式。

1) 垂直防滲。《規(guī)范》要求垂直防滲是垂直設(shè)置的，可以阻斷水平流向的地下水流和污染物向四周擴(kuò)散。在尾礦庫(kù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)適宜時(shí)，即當(dāng)尾礦庫(kù)場(chǎng)地底部存在不透水層或厚實(shí)的弱透水層時(shí)，可通過將垂直防滲系統(tǒng)嵌入相對(duì)不透水地層不小于2.0 m，可滿足環(huán)保防滲相關(guān)要求。因而，垂直防滲方案一般適用于尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)不存在臨谷滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，只存在壩基滲漏及繞壩滲漏的情況。

根據(jù)尾礦庫(kù)場(chǎng)地地質(zhì)條件的不同，垂直防滲方案常采用壩下帷幕灌漿防滲、壩下塑性混凝土防滲墻防滲或上墻下幕型式(截滲壩+上部混凝土防滲墻+下部帷幕灌漿進(jìn)行垂直防滲)。為了保證壩肩部位的防滲效果，在對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行壩基垂直防滲時(shí)往往配合在壩肩部位設(shè)置灌漿平硐進(jìn)行壩肩帷幕灌漿；最終，壩肩帷幕與壩基帷幕(或混凝土防滲墻)能夠連成一體，防范了尾礦壩繞壩滲漏的發(fā)生。例如：①三山島金礦尾礦庫(kù)[5]為嚴(yán)防庫(kù)內(nèi)含高濃度氯離子的尾礦水滲漏污染周邊環(huán)境，在尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊設(shè)置地下塑性混凝土防滲連續(xù)墻，防滲連續(xù)墻厚度不小于0.3 m，嵌入粉質(zhì)黏土層1 m；②內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗黃崗礦Ⅲ礦區(qū)尾礦庫(kù)附近為黃崗梁國(guó)家森林公園。為保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境，對(duì)尾礦庫(kù)的防滲提出了嚴(yán)格的要求，尾礦庫(kù)防滲方案采用“上墻下幕”綜合防滲方案，即上部覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化基巖采用塑性混凝土防滲墻，墻下為帷幕灌漿；③云南銅業(yè)烏龍河尾礦庫(kù)壩址處上部為深厚卵礫石覆蓋層下部為透水性逐步減弱的玄武巖地基這一工程地質(zhì)條件，尾礦庫(kù)垂直防滲方案即采用“上墻下幕”聯(lián)合防滲系統(tǒng)。即在尾礦庫(kù)初期壩下游坡腳200 m處設(shè)置一座截滲壩，壩基則采用塑性混凝土防滲墻+帷幕灌漿防滲進(jìn)行垂直防滲，帷幕灌漿深至基巖相對(duì)不透水層以下5 m，以達(dá)到截留尾礦水的目的。

2) 水平防滲。《規(guī)范》同時(shí)要求對(duì)于Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物的庫(kù)區(qū)防滲，可采用全庫(kù)水平防滲，滿足在尾礦庫(kù)的底部和周邊應(yīng)具有一層防滲系統(tǒng)，并具備相當(dāng)于一層飽和滲透系數(shù)不大于1.0×10-7cm/s，厚度不小于1.5 m的黏土層的防滲性能，以實(shí)現(xiàn)全庫(kù)區(qū)尾礦水不外滲。除去Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物或危險(xiǎn)廢物，尾礦庫(kù)發(fā)生庫(kù)區(qū)臨谷滲漏時(shí)，也需根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際情況采用局部或全庫(kù)的水平防滲措施。水平防滲形式依據(jù)所采取的防滲材料不同，可采用黏土等天然材料進(jìn)行水平防滲，亦可采用土工膜、復(fù)合土工膜以及鈉基膨潤(rùn)土毯等土工材料進(jìn)行防滲。

近些年來(lái)，防滲土工材料因其價(jià)格經(jīng)濟(jì)、性能良好、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在礦山尾礦庫(kù)防滲工程中獲得廣泛應(yīng)用。例如：①中國(guó)鋁業(yè)公司中州分公司臺(tái)馬溝赤泥庫(kù)赤泥浸出液的pH值為11.00～11.37，屬于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物。該赤泥庫(kù)采用高密度聚乙烯復(fù)合土工膜+膜下600 mm厚壓實(shí)黏土層等構(gòu)成防滲層[6]；②福建紫金山金銅礦大崠背尾礦庫(kù)采用2.0 mm厚HDPE土工膜和膜300 mm厚壓實(shí)黏土等組成單層土工膜復(fù)合防滲襯墊；③西藏玉龍銅礦一期工程尾礦庫(kù)所堆存的尾礦為第Ⅱ類一般固體廢物。其防滲襯墊結(jié)構(gòu)自上而下為：場(chǎng)底部分為黑色長(zhǎng)絲土工布+200 mm厚黏土層+1.5 mm厚HDPE膜+300 mm厚壓實(shí)黏土層。

3 防滲土工材料在尾礦庫(kù)中的應(yīng)用

除了尾礦庫(kù)整體防滲工程以外，防滲土工材料還在尾礦庫(kù)內(nèi)坡防滲、柔性趾板連接、水平鋪蓋鋪設(shè)以及不良地質(zhì)局部防滲等多方面進(jìn)行諸多應(yīng)用，主要起防范壩體尾砂“跑渾”、延長(zhǎng)壩體滲徑、保證壩基滲流安全、局部環(huán)保防滲等目的。

3.1 初期透水堆石壩的內(nèi)坡防滲

尾礦初期壩運(yùn)行初期，由于庫(kù)內(nèi)縱深及干灘長(zhǎng)度較短，尾礦水澄清距離不足。該階段若沿初期壩透水堆石壩內(nèi)壩坡直接放礦，會(huì)引起庫(kù)內(nèi)細(xì)顆粒尾砂直接隨滲水滲出，進(jìn)而引發(fā)初期壩坡腳尾砂“跑渾”。因而，在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，通常在初期壩下壩段內(nèi)坡反濾層的基礎(chǔ)上設(shè)置一層防滲層，使初期壩運(yùn)行前期為不透水壩；到初期壩運(yùn)行后期，庫(kù)區(qū)具備足夠的澄清距離后，初期壩設(shè)置為透水壩。例如：某尾礦庫(kù)初期透水堆石壩總高度50 m，設(shè)計(jì)將初期壩上游坡面35 m高度以下設(shè)置為內(nèi)坡防滲區(qū)，該防滲區(qū)域下對(duì)應(yīng)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度400～500 m，可基本滿足庫(kù)內(nèi)尾礦水澄清要求。內(nèi)坡反濾層及防滲層鋪放順序自下而上依次為：碾壓后堆石壩體，300 mm碎石層，300 mm礫石層，300 mm粗砂，400 g/m2土工布，2 mm HDPE防滲膜，400 g/m2土工布(圖3)。

圖3 透水堆石壩內(nèi)壩坡防滲示意圖Fig.3 Schematic diagram of seepage prevention for inner dam slope of permeable rockfill dam

3.2 柔性趾板連接剛性防滲體

柔性趾板的概念源于水利工程混凝土面板堆石壩的剛性趾板；趾板為連接地基垂直防滲體與面板堆石壩防滲面板間的混凝土板(圖4)。尾礦壩由初期堆石壩和尾砂堆積體構(gòu)成，尾砂堆積體依靠自重及排水后自然沉積固結(jié)，其壩體及壩基變形沉降值相對(duì)于水利工程中土石壩更大。為適應(yīng)地基及壩體大變形的條件，可采用防滲土工材料作為柔性趾板以取代混凝土面板的上述功能。

圖4 混凝土面板堆石壩的混凝土趾板連接Fig.4 Toe slab connection of concrete face rockfill dam

例如某尾礦庫(kù)選址建設(shè)于深厚卵礫石覆蓋層地基上，地基覆蓋層厚度約25 m，尾礦壩設(shè)計(jì)建設(shè)總高度為130 m。由于壩基發(fā)生滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大，為減小壩基滲流量并延長(zhǎng)壩基滲徑，在尾礦庫(kù)初期壩內(nèi)坡腳設(shè)置一道垂直塑性混凝土防滲墻深至玄武巖地層，以整體截?cái)鄩位杆粤己玫穆训[石地層。由于混凝土防滲墻距離尾礦壩上游壩腳約30 m，為實(shí)現(xiàn)尾礦壩內(nèi)坡防滲體與混凝土防滲墻之間的順利連接，兩者之間設(shè)置了柔性趾板構(gòu)造。

柔性趾板采用復(fù)合土工膜+加筋土工格柵的形式。為適應(yīng)壩基附近較大的沉降變形，柔性趾板間設(shè)置3個(gè)嵌固槽，復(fù)合土工膜和土工格柵均嵌入嵌固槽中；防滲土工材料均采用波浪松弛方式敷設(shè)，富余度保證在5%以上，具體如圖5所示。

3.3 水平鋪蓋防范壩基滲透破壞

尾礦庫(kù)工程設(shè)置水平鋪蓋與水利工程中防滲土工鋪蓋用途相似，其主要作用為：增加壩基滲流滲徑長(zhǎng)度、減小滲透坡降、防止地基滲透破壞。除此之外，在尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)鋪設(shè)水平鋪蓋段亦可作為輔助水平防滲措施，通過水平防滲段深入庫(kù)尾側(cè)沉積較厚的細(xì)顆粒尾砂中，與庫(kù)區(qū)細(xì)顆粒尾砂構(gòu)成相對(duì)封閉的相對(duì)不透水體，減小尾礦水垂直下滲至庫(kù)區(qū)下部地層。例如：某尾礦庫(kù)項(xiàng)目入庫(kù)尾礦粒度分布為-0.048 mm含量占比57%，-0.025 mm含量占比43.8%。分級(jí)尾礦中粒徑在-0.048 mm以下將以尾粉質(zhì)黏土和尾黏土為主，-0.025 mm以下基本由尾黏土組成。其中，尾黏土的滲透系數(shù)達(dá)到10-7cm/s量級(jí)，類似于天然黏土的防滲級(jí)別。入庫(kù)全尾砂經(jīng)放礦自然分級(jí)后形成尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土及尾黏土等多個(gè)地層，水平鋪蓋通過將膨潤(rùn)土毯+土工膜等防滲材料鋪設(shè)進(jìn)入庫(kù)前600～800 m范圍內(nèi)的庫(kù)底，即水平鋪蓋段能夠完全進(jìn)入庫(kù)尾段沉積的尾黏土地層，并與庫(kù)尾側(cè)沉積的尾黏土構(gòu)成相對(duì)阻水的整體，以減少尾礦水下滲至深層地基。具體應(yīng)用布置如圖6所示。

圖5 尾礦壩垂直防滲體下柔性趾板連接Fig.5 Flexible toe plate connection under vertical seepagecontrol body of tailings dam

圖6 尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)防滲膜水平鋪蓋布置圖Fig.6 Layouts of impervious geomembrane in tailings reservoir area

3.4 斷裂破碎帶等不良地質(zhì)的局部防滲

尾礦庫(kù)若存在斷裂破碎帶等導(dǎo)水構(gòu)造，將形成深層地下水滲漏或臨谷滲漏的通道。針對(duì)庫(kù)區(qū)存在小范圍斷裂破碎帶的防滲工程，一般要求防滲土工材料寬度能夠覆蓋斷裂破碎帶寬度并可在周邊預(yù)留一定的完整山體區(qū)域，防滲錨固區(qū)應(yīng)坐落在完整可靠的庫(kù)岸山體上。

例如某尾礦庫(kù)斷裂帶橫穿庫(kù)區(qū)通過，斷裂破碎帶平均寬度約20 m，庫(kù)區(qū)兩岸山坡平均坡度在30°～45°之間，經(jīng)帷幕灌漿注漿防滲、黏土防滲及土工材料防滲等多方案綜合對(duì)比后認(rèn)為：土工材料防滲方案相比其他方案更為安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，可作為該尾礦庫(kù)斷裂防滲的推薦布置方案。防滲土工材料鋪設(shè)型式為：平整壓實(shí)后庫(kù)岸山坡+4 800 g/m2GCL+2.0 mmHDPE+400 g/m2土工布，防滲層分臺(tái)階錨固在庫(kù)區(qū)山坡上，每層臺(tái)階高度20～25 m，防滲層平均鋪設(shè)寬度為50 m。

4 土工材料防滲所存在的問題

近些年來(lái)，多座尾礦庫(kù)工程的防滲實(shí)踐案例表明：防滲土工材料在尾礦庫(kù)內(nèi)坡防滲、柔性趾板連接、水平鋪蓋鋪設(shè)、局部斷裂防滲等方面的技術(shù)應(yīng)用較為成熟。在尾礦庫(kù)地質(zhì)環(huán)境條件適宜時(shí)，采用防滲土工材料進(jìn)行尾礦庫(kù)全庫(kù)或部分水平防滲的安全可靠性也較高。尾礦庫(kù)地質(zhì)環(huán)境條件適宜，突出表現(xiàn)為：庫(kù)區(qū)場(chǎng)地較為平整，無(wú)較大地基不均勻變形，庫(kù)岸邊坡相對(duì)較緩(坡度30°～45°以下)，兩側(cè)山體不存在大范圍的沖溝及溝壑,亦不存在崩塌、滑坡及泥石流等顯著的不良地質(zhì)現(xiàn)象。然而，當(dāng)尾礦庫(kù)選址于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件時(shí)，采用土工材料進(jìn)行全庫(kù)防滲或部分防滲的可靠性將顯著降低。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件突出表現(xiàn)為：高陡邊坡、不良地質(zhì)現(xiàn)象集中、復(fù)雜庫(kù)型條件三個(gè)方面。

1) 高陡邊坡條件會(huì)造成防滲土工材料鋪設(shè)時(shí)施工難度加大，現(xiàn)有施工機(jī)械及鋪設(shè)技術(shù)難以保證土工材料的貼緊鋪設(shè)及有效錨固，防滲土工材料下方易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，并由于材料強(qiáng)度及延展性不夠而被撕裂。

2) 當(dāng)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)存在崩塌、滑坡及泥石流等較多不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，防滲土工材料需承受庫(kù)區(qū)差異性較大的不同界面巖土條件影響，易產(chǎn)生較大的不均勻變形而被撕裂。同時(shí)，不良地質(zhì)現(xiàn)象所產(chǎn)生的滾石、塊石、石子等尖銳棱角易刺穿防滲土工材料。

3) 針對(duì)庫(kù)區(qū)狹長(zhǎng)迂回，支溝或溝壑眾多等復(fù)雜庫(kù)型條件下尾礦庫(kù)防滲工程，鋪設(shè)防滲土工材料將在尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)形成較多的褶皺區(qū)及張拉區(qū)，防滲膜易產(chǎn)生過大的受力集中區(qū)或者由于焊接條件過于復(fù)雜形成局部漏焊區(qū)[7]等，并導(dǎo)致庫(kù)區(qū)防滲工程失效。

現(xiàn)階段防滲土工材料在應(yīng)對(duì)尾礦庫(kù)高陡邊坡、不良地質(zhì)現(xiàn)象及復(fù)雜庫(kù)型條件等工況的適用性尚不夠，應(yīng)研發(fā)低成本、高韌及高延展性防滲土工合成材料以及更為安全可靠鋪設(shè)技術(shù)，以提高防滲土工材料適應(yīng)尾礦庫(kù)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件的能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)總結(jié)尾礦庫(kù)常見的幾種滲漏類型的判別方式，提出依據(jù)滲漏類型確定防滲技術(shù)方案的一般思路。結(jié)合防滲土工材料在尾礦庫(kù)水平防滲、內(nèi)坡防滲、柔性趾板連接、水平鋪蓋鋪設(shè)以及不良地質(zhì)處理等方面的應(yīng)用，分析其對(duì)滿足環(huán)保防滲、防范尾礦壩滲水跑混、降低滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)以及減小壩基滲流的作用效果。提出研發(fā)低成本、高韌、高延展性土工材料以及更為安全可靠的防滲鋪設(shè)技術(shù)以適應(yīng)于尾礦庫(kù)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境工況，應(yīng)是防滲土工材料未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。