巖溶地區(qū)尾礦庫防滲設(shè)施基礎(chǔ)處理方案

施燦海 樂云福 傅燦 楊松華

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司 昆明 650051； 2.云南建投第一水利水電建設(shè)有限公司 昆明 650217)

0 引言

在尾礦庫防滲設(shè)施設(shè)計(jì)過程中，基礎(chǔ)層的穩(wěn)定事關(guān)堆存后防滲襯層能否保持完整。為確保巖溶地區(qū)尾礦庫場(chǎng)地防滲基礎(chǔ)層的穩(wěn)定，選擇合適的基礎(chǔ)處理方案對(duì)防滲設(shè)施有著舉足輕重的作用。巖溶地區(qū)尾礦庫的防漏和落水洞處理，從上世紀(jì)七十年代初就被視為尾礦庫設(shè)計(jì)的特殊問題而引起重視。在巖溶區(qū)尾礦庫建設(shè)過程中，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也有尾礦泄露事故的慘痛教訓(xùn)。從工程勘察和設(shè)計(jì)方案方面，工程師們進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐并解決了實(shí)際工程中出現(xiàn)的諸多問題[1-4]。本文結(jié)合云南省羅平縣某尾礦庫工程的實(shí)際情況，充分利用前期開展的巖土工程詳細(xì)勘察和物探工作成果，介紹了碎石換填和防滲膜嵌固聯(lián)合處理方案的工程實(shí)踐。

1 工程概況

尾礦庫工程位于云南省羅平縣境內(nèi)，區(qū)域及所屬庫區(qū)分水嶺溝谷區(qū)域地貌類型屬中低山深切割溶蝕侵蝕峽谷地貌，庫區(qū)微地貌為溶蝕殘丘及溶蝕洼地地貌。為了在選廠附近找到合適的尾礦庫庫址，建設(shè)單位進(jìn)行了大量的選址工作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，周邊十公里范圍內(nèi)，僅在距選廠東南方向公路距離約6 km位置找到一天然洼塘作為堆存尾礦的場(chǎng)所。該尾礦庫利用天然洼塘形成庫容，無需修筑初期壩，也無堆積壩，洼塘內(nèi)尾礦堆存高度20 m。

尾礦庫周邊5 km范圍的地表水有1條河流、1座水庫及10個(gè)地下水出露的泉。主要地表水為河流和水庫，河流經(jīng)庫區(qū)東部和南部，匯集區(qū)內(nèi)地下水后注入南盤江；水庫位于尾礦庫東北約2.7 km，水面高程低于尾礦庫庫底高程約46 m。次要地表水體為地下水出露的10個(gè)泉點(diǎn)，出水點(diǎn)的巖性為粉砂巖或灰?guī)r，性質(zhì)均為下降泉。按項(xiàng)目環(huán)評(píng)報(bào)告，尾礦庫按照一般固廢II類要求進(jìn)行防滲處理。

2 巖溶勘察及物探成果

2.1 尾礦庫巖溶分布

經(jīng)鉆探及物探勘察表明，尾礦庫場(chǎng)地巖溶發(fā)育主要在3個(gè)巖溶洼塘，堆積尾礦區(qū)域巖溶發(fā)育相對(duì)較深，勘察地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 尾礦庫庫區(qū)地質(zhì)剖面

在巖土工程鉆探勘察的基礎(chǔ)上，為查明尾礦庫庫區(qū)范圍內(nèi)是否存在貫通性或廳堂式溶洞及綜合評(píng)價(jià)巖溶發(fā)育情況，進(jìn)一步開展了庫區(qū)物探工作。高密度電法勘探發(fā)現(xiàn)1個(gè)空洞(無充填溶洞)、6個(gè)充填溶洞、6處巖體破碎；EH4測(cè)試發(fā)現(xiàn)北部洼塘為巖溶發(fā)育帶，局部巖體破碎現(xiàn)象從地表延伸較深，4處巖體破碎。尾礦庫位置的物探電阻率色譜及地質(zhì)解釋推斷如圖2和圖3所示。

圖2 橫向電阻率色譜及地質(zhì)解釋推斷

圖3 縱向電阻率色譜及地質(zhì)解釋推斷

綜合巖溶勘察及物探資料分析，下伏基巖為中等風(fēng)化的灰?guī)r，部分巖體破碎。庫址為灰?guī)r巖溶溶蝕后形成的溶蝕漏斗，經(jīng)過長(zhǎng)期的充填堆積，漏斗內(nèi)為黏土堆積。尾礦庫庫區(qū)場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度等級(jí)劃分為巖溶強(qiáng)發(fā)育，為層間裂隙和陡傾角裂隙，其寬度一般不大，未形成大的溶洞。尾礦庫內(nèi)巖溶管道與下游小型水庫無直接聯(lián)系，庫區(qū)無天然防滲能力，經(jīng)全面防滲后能滿足環(huán)保要求，基本可作為尾礦庫堆存使用。

2.2 不良地質(zhì)

尾礦庫內(nèi)基巖(灰?guī)r)出露，巖石露頭上可見發(fā)育小型溶蝕洞穴，地表未發(fā)現(xiàn)有貫通性或廳堂式溶洞?；?guī)r的近地表部位其層面有風(fēng)化現(xiàn)象，雖然有黏性土充填，但充填的黏性土層結(jié)構(gòu)松散，易為水所軟化并形成較小規(guī)模的滲流通道，這種情況主要分布于庫區(qū)兩岸。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探揭露及高密度電法勘探、EH4測(cè)試，場(chǎng)地除存在巖溶外，現(xiàn)狀無滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區(qū)及地面沉降等不良地質(zhì)作用。

2.3 庫底穩(wěn)定性

庫底覆蓋層為黏土，其下為中等風(fēng)化的灰?guī)r，各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。根據(jù)鉆孔揭露情況、高密度電法勘探、EH4測(cè)試及巖土試驗(yàn)，庫底有黏土②2層軟弱地層分布，巖體中存在溶蝕裂隙、溶(洞)隙，局部巖體破碎。庫底為土巖組合地基，若不進(jìn)行地基處理直接堆存尾礦將會(huì)產(chǎn)生沉陷及較大差異沉降，影響庫底穩(wěn)定。

表1 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.4 庫區(qū)滲漏

根據(jù)場(chǎng)地的地形地貌及地質(zhì)條件，組成庫區(qū)及庫岸的巖土層主要為耕土①、黏土②1、②2、灰?guī)r③層，場(chǎng)地內(nèi)的地層經(jīng)水文地質(zhì)測(cè)試可知，黏土②1、②2層為微透水層；灰?guī)r③層為強(qiáng)透水層。

尾礦庫利用天然洼塘作為尾礦庫堆存，場(chǎng)地巖土層的滲透系數(shù)不能滿足天然防滲要求。故應(yīng)對(duì)庫區(qū)按現(xiàn)行規(guī)范[5]要求采取防滲措施，可采用天然或人工材料構(gòu)筑防滲層，防滲層的厚度應(yīng)相當(dāng)于滲透系數(shù)1.0×10-7cm/s和厚度1.5 m的黏土層的防滲性能。

3 設(shè)計(jì)方案

巖溶區(qū)建尾礦庫主要地質(zhì)問題為不均勻沉降，地面塌陷、庫區(qū)及周邊涌水、巖溶滲漏、地表土潛移等。尾礦庫場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度等級(jí)劃分為巖溶強(qiáng)發(fā)育。庫區(qū)巖溶為巖石露頭上發(fā)育有小型溶蝕洞穴，均被黏土充填，無空洞、落水洞等現(xiàn)象，地表未發(fā)現(xiàn)有貫通性或廳堂式溶洞，庫區(qū)出現(xiàn)塌陷可能性小。

設(shè)計(jì)方案需解決尾礦庫溶蝕漏斗內(nèi)長(zhǎng)期充填堆積黏土層的不均勻沉降和巖溶滲漏問題，確保庫區(qū)防滲設(shè)施有效防滲，防止尾礦水的滲漏。

3.1 地基處理方案的選擇

地基處理的類別主要有置換、排水固結(jié)、灌入固化物、振(擠)密4種，每種處理類別對(duì)應(yīng)不同的處理方法[6]。

地基處理應(yīng)做到“安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境”。針對(duì)尾礦庫巖土工程詳細(xì)勘察和物探成果資料，庫區(qū)地基為土巖組合地基，擬采用砂石墊層法，換掉一定深度的軟弱黏性土，提高地基強(qiáng)度，減少地基變形。

3.2 防滲層結(jié)構(gòu)

為滿足項(xiàng)目環(huán)保防滲要求，設(shè)計(jì)對(duì)尾礦庫全庫區(qū)進(jìn)行防滲處理設(shè)計(jì)，本工程庫底位置防滲處理結(jié)構(gòu)由下至上各層構(gòu)成為：①地基處理層，碎石：500 mm厚+土工格柵：TGSG 25 kN×35 kN；②支持層，夯實(shí)黏土：500 mm厚；③防滲層，土工布(PET25-6.0-400)+防滲膜(GH-2T1 7000/1.5)1.5 mm+土工布(PET 25-6.0-400)。庫底施工開挖情況和防滲結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖5 底部防滲結(jié)構(gòu) (單位：mm)

圖4 庫區(qū)基礎(chǔ)開挖情況

3.3 碎石換填和防滲膜嵌固的聯(lián)合處理方案

根據(jù)勘察報(bào)告尾礦庫選用兩個(gè)天然洼塘進(jìn)行尾礦堆存。洼塘原為溶蝕漏斗，經(jīng)過長(zhǎng)期的充填堆積，黏土堆積最大厚度達(dá)18.40 m。其中黏土②1層呈可塑狀態(tài)；黏土②2層呈軟塑～流塑狀態(tài)。黏土②2層為場(chǎng)地內(nèi)的軟弱下臥層，土巖組合地基，尾礦堆存后將產(chǎn)生較大的沉降及不均勻沉降，會(huì)導(dǎo)致防滲膜拉裂，防滲失效。故需對(duì)2個(gè)洼塘進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗幚怼?/p>

在設(shè)計(jì)階段，主要提出兩種方案。一為“剛性”方案，即采用澆筑鋼筋混凝土底板對(duì)洼塘進(jìn)行全覆蓋，其上設(shè)置防滲層。鋼筋網(wǎng)C20@150 mm×150 mm，澆筑0.4 m厚C30混凝土，范圍超過洼塘邊界外圍1～2 m，并將鋼筋網(wǎng)與周邊巖石錨固。該方案利用設(shè)置的鋼筋混凝土承受堆積尾礦渣荷載，一旦岸坡灰?guī)r因破碎或溶蝕導(dǎo)致底板開裂則防滲層破壞的風(fēng)險(xiǎn)大，適應(yīng)地基變形能力差。二為“柔性”方案，即采用碎石換填和防滲膜嵌固聯(lián)合的處理方案。和方案一相比，方案二能夠在節(jié)省部分工程投資的同時(shí)，換掉一定深度的軟弱黏性土，提高地基強(qiáng)度，減少地基變形。結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)比分析后，設(shè)計(jì)采用方案二。

尾礦庫防滲系統(tǒng)以黏土②1作為基礎(chǔ)持力層。根據(jù)勘察提供剖面黏土②1厚度為3.0～7.0 m，設(shè)施考慮將黏土②1上地表覆土清除后進(jìn)入黏土②1層0.5 m后鋪設(shè)防滲設(shè)施。由于庫底黏土②2層為場(chǎng)地內(nèi)的軟弱下臥層但厚度在12.5～18.4 m，不宜全部清除。設(shè)計(jì)在底部與岸坡結(jié)合處采用防滲膜嵌固以防止拉裂。防滲膜嵌固為在庫底與岸坡結(jié)合處開挖1 m×1 m的嵌固溝，防滲膜嵌固在嵌固溝內(nèi)，內(nèi)部用黏土壓實(shí)回填，如圖6所示。換填質(zhì)量要求為碎石回填控制相對(duì)密度為0.8，黏土回填控制壓實(shí)度大于等于0.9。

圖6 底部嵌固溝結(jié)構(gòu) (單位：mm)

尾礦庫施工過程中，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工圖紙要求進(jìn)行施工。尾礦庫運(yùn)行經(jīng)歷了數(shù)個(gè)汛期，未發(fā)生尾礦泄露、洼塘邊坡變形、堆積尾礦邊坡滑移等事故，尾礦庫試運(yùn)行條件和現(xiàn)狀運(yùn)行如圖7和圖8所示。

圖7 尾礦庫試運(yùn)行

圖8 尾礦庫現(xiàn)狀運(yùn)行

4 結(jié)語

利用尾礦庫開展的巖土工程詳細(xì)勘察和物探成果資料，查明了庫區(qū)巖溶發(fā)育程度。在此基礎(chǔ)上，選擇了一種碎石換填和防滲膜嵌固聯(lián)合的“柔性”處理方案對(duì)巖溶洼塘底部進(jìn)行地基處理。設(shè)計(jì)選用的處理方案適用于該尾礦庫地基處理，處理效果經(jīng)濟(jì)有效，可為今后在該地區(qū)尾礦庫選址和建設(shè)提供借鑒和參考。巖溶地區(qū)的工程選址和建設(shè)，對(duì)尾礦庫設(shè)計(jì)人員是一個(gè)常學(xué)常新的課題。本文所選擇的巖溶區(qū)尾礦庫防滲設(shè)施地基處理方案雖簡(jiǎn)單可行、經(jīng)濟(jì)有效，但相對(duì)于復(fù)雜的巖溶區(qū)防滲漏這一研究問題而言，又有一定的局限性。在開展充分的巖土工程詳細(xì)勘察、物探工作及其他巖溶勘察手段的基礎(chǔ)上，需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)求證后大膽采用新技術(shù)、新工藝，將巖溶區(qū)尾礦庫防滲設(shè)施設(shè)計(jì)更為安全地運(yùn)用到綠色礦山建設(shè)當(dāng)中。