巖溶區(qū)某鋁土礦排泥庫(kù)防滲漏綜合治理概述

陳哲，駱巍，何同慶

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

排泥庫(kù)作為尾礦庫(kù)的一個(gè)分支，是桂西堆積型鋁土礦所配套的濕排尾礦設(shè)施，多利用天然洼地并在四周埡口一次性筑壩形成庫(kù)容。與傳統(tǒng)尾礦庫(kù)相比，排泥庫(kù)所儲(chǔ)存泥漿呈流體狀態(tài)，濃度僅30%左右，礦泥粒度-0.074 mm占90%以上，極難排水固結(jié)，盡管利用地形一次性筑壩堆存，但庫(kù)址多位于巖溶發(fā)育區(qū)，極易發(fā)生泥漿泄漏事故。

近年，相關(guān)專家、學(xué)者對(duì)巖溶區(qū)尾礦庫(kù)、排泥庫(kù)的滲漏防治做了大量的研究分析。宋志[1]分別給出了尾礦庫(kù)基建期、運(yùn)行期的巖溶裂隙、落水洞、水平溶洞、巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)及尾礦巖溶塌陷等具體處理措施和方法。程峰、劉婷等[2-3]通過(guò)具體的工程案例，提出了滲漏點(diǎn)治理、導(dǎo)水通道治理以及庫(kù)區(qū)防排滲的巖溶區(qū)尾礦庫(kù)綜合治理技術(shù)。施燦海等[4]提出選擇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。歐孝奪、全守岳等[5-6]對(duì)巖溶區(qū)排泥庫(kù)泥漿深層泄漏機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為在進(jìn)行排泥庫(kù)選址時(shí)應(yīng)充分探測(cè)該地區(qū)的地址構(gòu)造情況，對(duì)危害排泥庫(kù)安全的溶洞進(jìn)行施工處理，在源頭上進(jìn)行防控和治理。何同慶[7]總結(jié)了近30 a的巖溶地區(qū)排泥庫(kù)設(shè)計(jì)與建設(shè)的實(shí)踐，對(duì)巖溶區(qū)排泥庫(kù)選址原則給出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。

此外，水利行業(yè)對(duì)巖溶區(qū)水庫(kù)的防滲漏治理相關(guān)研究同樣值得借鑒。符鋒、黃國(guó)芳等[8-9]提出采用帷幕灌漿的方法可以有效減少庫(kù)區(qū)滲漏，并詳述了巖溶區(qū)帷幕灌漿設(shè)計(jì)和施工重點(diǎn)。王暢、陳才明等[10-11]針對(duì)大型溶洞提出了自密實(shí)混凝土回填+高壓噴射灌漿+鋼管樁+周邊引排的永久綜合處理措施。

綜合以上研究成果，本文依托巖溶區(qū)某新建鋁土礦排泥庫(kù)，根據(jù)其庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及巖溶發(fā)育特點(diǎn)，制定了一套完善的防滲漏治理方案，可為后續(xù)巖溶區(qū)排泥庫(kù)建設(shè)提供參考。

1 工程概況

新建排泥庫(kù)位于廣西百色市一處天然洼地，四周高、中間低，終期標(biāo)高930 m，庫(kù)內(nèi)設(shè)1座內(nèi)壩（碾壓堆石壩），庫(kù)周6座外壩（2座埋石混凝土重力壩，4座碾壓堆石壩），最大壩高30 m，總庫(kù)容4036×104m3，有效庫(kù)容 3914×104m3，屬于三等庫(kù)。庫(kù)內(nèi)排洪系統(tǒng)采用排水井-隧洞型式，設(shè)有 3座46 m高窗口式排水井；隧洞長(zhǎng)約2600 m，圓拱直墻型，凈斷面1.5 m×1.8 m，平均坡降為1.5%。隧洞出口接明渠，最終接入下游應(yīng)急池。

2 特殊地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育

2.1 庫(kù)區(qū)斷層

庫(kù)區(qū)斷層如圖1所示。庫(kù)區(qū)有2條斷裂構(gòu)造穿過(guò)，吉烈斷裂F4和坡周斷裂F9。其中吉烈斷裂F4由于受北東—南西向的坡周斷裂在庫(kù)區(qū)內(nèi)錯(cuò)斷，分成2段。

圖1 庫(kù)區(qū)斷層示意

更粘-隴峒斷裂（F4-1）總體走向北西，傾向南西，長(zhǎng)約3.5 km，斷裂帶發(fā)育寬約3～10 m不等。斷裂通過(guò)處負(fù)地形地貌發(fā)育，主要沿灰?guī)r山體間線狀谷地發(fā)育。庫(kù)址內(nèi)斷裂沿谷地長(zhǎng)軸方向發(fā)育，水系多沿?cái)嗔炎呦虬l(fā)育，沿?cái)嗔炎呦蛏峡梢?jiàn)溶洞呈串珠狀分布。該斷裂在庫(kù)區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為走滑特征，裂隙多以垂直發(fā)育，具有導(dǎo)水性。

隴峒-敏明斷裂（F4-2），斷層總體走向北西，傾向北東，長(zhǎng)約4 km，破碎帶寬約9～18 m不等。斷裂通過(guò)處負(fù)地形地貌發(fā)育，沿途可見(jiàn)斷層陡坎發(fā)育，局部見(jiàn)擦痕。該斷裂在庫(kù)區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為走滑特征，裂隙多以垂直發(fā)育，具有導(dǎo)水性。

內(nèi)屯—坡周斷裂（F9）該斷裂總體走向北東，傾向以南東為主，個(gè)別北西，長(zhǎng)約9 km，影響寬度為20～35 m。該斷裂在庫(kù)區(qū)內(nèi)派生次一級(jí)斷裂F9-1，F(xiàn)9-1位于F9斷裂南東側(cè)150 m處，與F9斷裂基本平行，影響寬度約30 m。鉆探揭露主要表現(xiàn)為庫(kù)內(nèi)內(nèi)壩一側(cè)鉆孔多見(jiàn)角礫巖，角粒粒徑0.5～3 cm不等，多倍方解石充填膠結(jié)。該斷裂在庫(kù)區(qū)表現(xiàn)為沿線裂隙劈里較為發(fā)育，巖心局部較為破碎，具有相對(duì)阻水性質(zhì)。

上述斷裂均為不活動(dòng)性斷裂，斷裂在庫(kù)區(qū)內(nèi)穿過(guò)處主要表現(xiàn)為沿?cái)嗔褞Ъ爸苓厧r體破碎、裂隙理發(fā)育和巖溶發(fā)育。

2.2 庫(kù)內(nèi)積水

庫(kù)區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，但雨季或暴雨季節(jié)，在雨水及大量地下水的補(bǔ)給下，由于 F4斷裂具有導(dǎo)水性，而 F9斷裂具有阻水性，導(dǎo)致地下水在庫(kù)區(qū)兩個(gè)洼地內(nèi)積聚成兩個(gè)水塘（以下稱北水塘、南水塘）。北水塘水源主要是庫(kù)區(qū)外圍西北側(cè)一帶的地下水及周邊雨水，暴雨季節(jié)地下水通過(guò)北西向的導(dǎo)水?dāng)嗔袴4-1形成徑流帶徑流，在庫(kù)區(qū)中部受相對(duì)隔水的北東向斷裂 F9的阻攔，徑流不暢，在北段庫(kù)區(qū)內(nèi)沿巖溶構(gòu)造發(fā)育的軟弱地帶以落水洞及季節(jié)性泉的方式涌出，并在庫(kù)區(qū)北側(cè)洼地積聚。北水塘的積水大部分從庫(kù)底、山體裂隙及落水洞向東北流出庫(kù)區(qū)，最終出露于現(xiàn)有應(yīng)急池。因水塘南側(cè)地勢(shì)較低，部分積水通過(guò)地表往庫(kù)區(qū)南側(cè)洼地匯流。南水塘水源主要是降雨后庫(kù)內(nèi)積聚的雨水、庫(kù)區(qū)外西側(cè)一帶的地下水以及北水塘通過(guò)地表漫流補(bǔ)給的地表水。庫(kù)區(qū)西側(cè)的地下水通過(guò)巖 溶裂隙往南側(cè)洼地徑流，以季節(jié)泉或落水洞的形式涌出。

2.3 巖溶發(fā)育概述

庫(kù)區(qū)屬峰叢-洼地地貌單元，分布的巖層主要為可溶性碳酸鹽巖；構(gòu)造發(fā)育，有2條斷裂及其派生的次一級(jí)斷裂在庫(kù)區(qū)相交，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，為巖溶的發(fā)育提供了有利條件。巖溶作用沿層理以及各種構(gòu)造帶、節(jié)理裂隙面發(fā)育，是泥漿滲漏的主要通道。

2.3.1 巖溶形態(tài)特征

庫(kù)區(qū)岸坡以裸露型巖溶為主，底部裸露型巖溶與覆蓋型巖溶均有分布，以覆蓋型巖溶為主。庫(kù)區(qū)為一大型的峰叢-洼地組合巖溶形態(tài)，地表巖溶形態(tài)有石牙、溶蝕裂隙、沖溝、落水洞、溶洞(穴)、土洞、溶蝕塌陷等，規(guī)模不一；地下巖溶形態(tài)有溶蝕裂隙、溶洞及隱伏的溶溝（槽）。

2.3.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

平面上，庫(kù)區(qū)的巖溶主要發(fā)育方向與谷地的走向及 F4斷裂的走向一致，為場(chǎng)地溶蝕裂隙的主要走向。空間上，受區(qū)域剝蝕和溶蝕旋回控制，巖溶發(fā)育呈“階梯”式坎狀。在標(biāo)高890～910 m以上峰叢區(qū)，以垂直型發(fā)育的巖溶為主，表現(xiàn)為落水洞、垂直向溶蝕裂隙集中發(fā)育；在標(biāo)高830～860 m山腰地段，以順層理或水平面發(fā)育的巖溶為主，表現(xiàn)為溶蝕洼地、溶洞及落水洞等集中發(fā)育；在庫(kù)區(qū)洼地地平面以下以垂直型溶蝕裂隙、落水洞、漏斗、溶蝕塌陷等巖溶發(fā)育為主。庫(kù)區(qū)的巖溶亦受區(qū)域地下水徑流-排泄基準(zhǔn)面變化影響，表現(xiàn)為以垂直向發(fā)育巖溶形態(tài)與水平向發(fā)育巖溶形態(tài)隨地勢(shì)呈交替集中發(fā)育的特點(diǎn)。

3 治理方案

3.1 溶洞處理

根據(jù)巖溶區(qū)建庫(kù)經(jīng)驗(yàn)，盡管勘查采用了多種方法查找?guī)r溶，但絕大部分溶洞均是施工過(guò)程中大開(kāi)挖找到的，尤其是庫(kù)底周邊有較薄土層覆蓋的區(qū)域。施工過(guò)程進(jìn)行勘查有利于指導(dǎo)實(shí)施正確的施工方案，并填補(bǔ)詳勘的不足。同時(shí)根據(jù)不同類型巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，對(duì)不同類型的巖溶分別采取不同的措施進(jìn)行處理，主要處理措施包括：裂隙塊石卡堵、預(yù)埋通氣管、洞內(nèi)塊石回填、素混凝土封堵、鋼筋混凝土封堵、注漿封堵裂隙及雙向反濾層等。本文選取以下兩種典型的巖溶處理方案進(jìn)行介紹，其他巖溶可參照處理。

（1）邊坡大型溶洞。此類溶洞高程較高，一般不會(huì)出現(xiàn)溢水現(xiàn)象，容易形成泥漿滲漏通道和存在地下氣壓頂托、吸附鋪蓋的不利作用。該類型溶洞應(yīng)深入內(nèi)部進(jìn)行封堵，防止塌陷；同時(shí)預(yù)埋通氣管以平衡洞內(nèi)外氣壓；洞內(nèi)采用塊石或毛石砼回填，設(shè)置雙向反濾層防止泥漿滲漏，洞口再根據(jù)地形條件設(shè)置不同類型的地表鋪蓋，如圖2所示。

圖2 邊坡大型溶洞處理方案示意

（2）與地下河連通的落水洞。此類溶洞在庫(kù)底較為多見(jiàn)，由于庫(kù)區(qū)地下水位較高，溶洞均與地下河直接連通，洞內(nèi)均設(shè)置通氣管和排水管。通氣管伸出地表后與邊溝內(nèi)主排水管相通，以保持洞內(nèi)外壓力均衡，防止產(chǎn)生負(fù)壓，破壞防滲層；排水管伸出地表后連通邊溝內(nèi)主排水管，將雨季地下河上涌的水引至隧洞排往庫(kù)外，防止地下水對(duì)庫(kù)底防滲層產(chǎn)生頂托作用，造成防滲層破壞，如圖3所示。

圖3 與地下河連通的落水洞處理方案示意

3.2 斷層處理

雖然庫(kù)區(qū)的斷裂構(gòu)造均為不活動(dòng)，但是各斷層及其附近巖溶均十分發(fā)育，滲流通道呈現(xiàn)集中分布現(xiàn)象；導(dǎo)水、阻水?dāng)嗔言趲?kù)內(nèi)相交，地下水排泄通道錯(cuò)綜復(fù)雜，雨季庫(kù)底大量積水，對(duì)庫(kù)底安全帶來(lái)十分不利的影響。為消除斷層對(duì)排泥庫(kù)建設(shè)的不利影響，宜將庫(kù)底斷層范圍的土層盡可能開(kāi)挖，找出地下水排泄通道，尤其是集中滲流通道，將地下水直接自流排往隧洞，一方面確保庫(kù)底具有足夠的強(qiáng)度不發(fā)生塌陷；另一方面及時(shí)將地下水進(jìn)行疏導(dǎo)和外排，消除地下水水位反復(fù)漲落對(duì)庫(kù)底產(chǎn)生頂托、吸附、沖刷等不利作用。對(duì)于邊坡斷層，則主要是巖溶的治理和斷層防滲，防止大量水從集中通道滲流進(jìn)入斷層，從而誘發(fā)地震。

F4-2斷層庫(kù)底區(qū)域?yàn)閹?kù)底土層較厚區(qū)域，平均土層厚度超過(guò)10 m，其中西側(cè)區(qū)域勘察期間有一鉆孔深80 m未見(jiàn)基巖，且其中有約5 m厚為黑色膠泥土。為防止該區(qū)域后期承受礦漿荷載發(fā)生沉降，導(dǎo)致庫(kù)底防滲層發(fā)生破壞，在F4-2斷層庫(kù)底區(qū)域上部設(shè)置4～8 m沉降堤，以適應(yīng)斷層下部土層沉降變形，確保該區(qū)域庫(kù)底防滲層安全穩(wěn)定。

3.3 邊坡處理

庫(kù)區(qū)邊坡面積較大，邊坡型式及處理側(cè)重點(diǎn)不同，應(yīng)劃片區(qū)針對(duì)性處理。F9斷裂以南區(qū)域巖溶非常發(fā)育，應(yīng)適當(dāng)提高處理標(biāo)準(zhǔn)，以提高邊坡的防滲漏安全性。根據(jù)各區(qū)域的標(biāo)高、巖溶發(fā)育情況、地層情況以及岸坡坡度，采用不同形式邊坡處理方案。

碎石反濾鋪蓋：石芽出露或覆蓋土層較薄的區(qū)域，清除裂隙土至基巖、爆破+人工找平、鋪設(shè)20 cm厚碎石、土工布。陡坡噴漿鋪蓋：陡坡、陡崖區(qū)域，爆破粗平、石縫土工布賽條/塊石卡堵、5 cm或10 cm厚噴射混凝土、土工布。內(nèi)凹邊坡鋪蓋：邊坡局部凹陷的區(qū)域，爆破粗平、凹陷區(qū)域干砌、漿砌或澆筑混凝土找平、5 cm或10 cm厚噴射混凝土、土工布。黏土加強(qiáng)鋪蓋：南庫(kù)段石芽出露或覆蓋土層較薄的區(qū)域，在碎石反濾鋪蓋的基礎(chǔ)上，表層設(shè)兩層土工布，并在土工布之間設(shè)置一層50 cm厚的黏土幫助防滲。土坡防滲鋪蓋：南庫(kù)段土層較厚難以開(kāi)挖至基巖的區(qū)域，土層翻填2 m厚，依次設(shè)置5000 g/m2膨潤(rùn)土毯、1300 g/m2復(fù)合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排滲層（內(nèi)設(shè)排滲管網(wǎng)接入隧洞）、1300 g/m2復(fù)合土工膜（兩布一膜），確保水不下滲侵蝕邊坡土，保障土坡穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 邊坡大型溶洞處理方案示意

多種鋪蓋型式更符合施工實(shí)際，使邊坡處理更容易操作，并節(jié)省投資。另外，應(yīng)將邊坡由930環(huán)庫(kù)路至庫(kù)底一次性爆破粗平，避免分期爆破落石砸破土工布導(dǎo)致滲漏。

3.4 庫(kù)底處理

根據(jù)庫(kù)底復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，庫(kù)底處理的重點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：一是設(shè)置可靠的地下水排泄系統(tǒng)，將庫(kù)底集中上涌的地下水以及通過(guò)裂隙滲出的地下滲水及時(shí)進(jìn)行疏導(dǎo)，排出庫(kù)外，消除地下水對(duì)庫(kù)底的淘刷作用和對(duì)防滲系統(tǒng)的頂托作用；二是為了防止大量水和泥漿從地下巖溶管道集中滲流，在全庫(kù)底設(shè)置多種形式的復(fù)合防滲層，從“面”上防止泥漿泄漏。庫(kù)底綜合防滲排水系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 庫(kù)底綜合防滲排水系統(tǒng)示意

3.5 地下水導(dǎo)排

與以往排泥庫(kù)不同，該排泥庫(kù)雨季地下水位較高，庫(kù)底積水達(dá)15 m，如何有效安全地疏導(dǎo)地下水是該庫(kù)建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究提出在庫(kù)底防滲層之下設(shè)置地下水導(dǎo)排系統(tǒng)，即地下水直排系統(tǒng)和地下水排滲系統(tǒng)相結(jié)合方式，有效排泄地下水，消除庫(kù)底安全隱患。

（1）地下水直排系統(tǒng)。庫(kù)底完成斷層及隱伏巖溶處理之后，在與地下水有水力聯(lián)系的泉眼均預(yù)埋直排管（DN108鋼管），出地表后就近組合接入一根直排主管（DN325鋼管），對(duì)于涌水集中的大型泉眼，單獨(dú)設(shè)直排管（DN711、DN325鋼管）。直排管尺寸及數(shù)量根據(jù)3年內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的泉眼涌水量確定，采用溝埋式鋪設(shè)，除 DN108管外全部包鋼筋混凝土受力。庫(kù)底共設(shè)置4個(gè)地下水導(dǎo)排片區(qū)，各片區(qū)均設(shè)置有支隧洞，直排主管分片區(qū)各自獨(dú)立順地形自流接入支隧洞中，最后經(jīng)主隧洞及明渠排出庫(kù)外。

（2）地下水排滲系統(tǒng)?？紤]到巖溶地區(qū)巖層千瘡百孔，肉眼能夠觀察到的地下水出露點(diǎn)有限，盡管地下水直排系統(tǒng)可有效地排泄部分地下水，但是仍有大量地下水可從巖溶裂隙中涌出并在庫(kù)底積聚。因此可另設(shè)置地下水排滲系統(tǒng)，即在直排系統(tǒng)上部布置一層或多層集水管網(wǎng)（DN108鋼管開(kāi)花孔并包裹土工布），分片區(qū)接入主管（DN325鋼管），支管及主管數(shù)量由各片區(qū)涌水量確定，并最終引入隧洞排泄出庫(kù)外。

往年雨季地下水位最高為808 m，試運(yùn)行期間（正值雨季）庫(kù)底最低處795 m，庫(kù)底防滲層安全穩(wěn)定運(yùn)行；隧洞內(nèi)排水管出水量穩(wěn)定，地下水導(dǎo)排系統(tǒng)排水效果顯著，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為庫(kù)底滲透安全提供了強(qiáng)有力的保障。

3.6 膜間排滲、環(huán)庫(kù)集滲

遵循“面”上防滲的原則，本研究在庫(kù)底設(shè)置膜間排滲系統(tǒng)，以及在庫(kù)底、邊坡交界處設(shè)置環(huán)庫(kù)集滲系統(tǒng)，防止庫(kù)內(nèi)水垂直下滲以及邊坡水下滲，影響庫(kù)底穩(wěn)定。

（1）膜間排滲系統(tǒng)。為防止庫(kù)內(nèi)泥漿及泥漿水下滲，在庫(kù)底設(shè)置復(fù)合防滲鋪蓋，工藝由下至上依次為覆土翻填碾壓2.0 m（邊溝為4 m）、5000 g/m2膨潤(rùn)土毯、1300 g/m2復(fù)合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排滲層、1300 g/m2復(fù)合土工膜（兩布一膜）。0.5 m厚碎石層內(nèi)鋪設(shè)排水管網(wǎng)，遍布整個(gè)庫(kù)底，將庫(kù)底下滲水收集至主管，自流進(jìn)入隧洞排往庫(kù)外。

（2）環(huán)庫(kù)集滲系統(tǒng)。庫(kù)底與邊坡交界處設(shè)環(huán)庫(kù)集水溝，尺寸為1.0 m×1.0 m。集水溝內(nèi)土工布包碎石回填，碎石層底部預(yù)埋土工布包裹的開(kāi)孔DN219鋼管，順地形自流進(jìn)入隧洞，用于收集和排泄邊坡下滲水，確保庫(kù)底防滲系統(tǒng)不受邊坡下滲水影響。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)多年排泥庫(kù)設(shè)計(jì)及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并參考類似工程中防滲漏治理的經(jīng)驗(yàn)，本研究總結(jié)排泥庫(kù)防滲漏治理宜遵循以下幾點(diǎn)原則。

（1）由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，很難一概而論地確定某類型巖溶的具體處理措施。提高巖溶處理的成功率，首先必須十分重視施工勘查，盡量找全巖溶；其次應(yīng)根據(jù)各個(gè)巖溶的特征以及所處位置，分別確定處理技術(shù)方案。

（2）“水”是防滲漏治理的關(guān)鍵，對(duì)于不同類型的水應(yīng)采取不同的處理方式，如庫(kù)內(nèi)垂直下滲水應(yīng)采取防滲措施，阻止其下滲；地下水應(yīng)設(shè)置導(dǎo)排系統(tǒng)實(shí)施排泄，應(yīng)盡可能減少水對(duì)庫(kù)底安全穩(wěn)定的影響。

（3）邊坡、庫(kù)底處理原則宜區(qū)別對(duì)待，邊坡面積大、土層薄，滲漏多為小型滲漏；庫(kù)底面積小、土層厚，滲漏多為大型滲漏。因此邊坡宜以排滲為主，庫(kù)底宜為防滲為主。

（4）斷層處理宜根據(jù)其特點(diǎn)采用防滲或壓覆的措施，確保其滲透穩(wěn)定和整體穩(wěn)定。