尾矿库排渗系统反滤设计研究进展

阎志坤 钟启明,2 卞士海 梅世昂

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏 南京 210029)

尾矿库作为矿山的三大基础工程之一，也是金属非金属矿山的重大危险源，在世界93种事故、公害的隐患中，尾矿库事故名列第18位[1]。我国每年排放尾矿量超过10亿t，有尾矿库1.2万余座，绝大部分为上游式筑坝法形成的尾矿库，由于上游式筑坝法形成的尾矿库存在子坝地基不均匀、排渗系统易淤堵、坝内浸润线高和坝坡地震动力稳定性差等特点，加之于经济技术与管理原因，尾矿库安全形势严峻[2]。统计表明排水不良、浸润面高是尾矿坝事故主要原因之一[3]，因此渗流浸润面的控制对尾矿库安全至关重要。目前主要通过设置排渗系统降低尾矿库渗流浸润面，设置排渗系统可以减轻尾矿料的有效应力下降引起抗剪强度降低和水力坡降增大导致渗透破坏的风险。

经过长期的探索，水平排渗管、空间联合排渗、辐射井等复杂结构成为当前典型的排渗系统结构[4-7]。这类结构主要采用水平辐射滤管深入尾矿库中集取渗透水，并汇集到竖向积水井中，然后通过导水管自流排出。新筑尾矿坝可采用早期预埋排渗管，但这大部分都不能达到预期的效果[8]；对于已排放至一定高度的尾矿库，利用钻孔安装排渗系统，施工较快，影响范围广，既经济也不易对堆积坝造成破坏。

排渗系统中水平滤管多采用开孔管，并在外部设置一层反滤层。开孔管可采用具有一定开孔率的UPVC花管、钢管等[9]，也可以是一种PE材质，槽孔结合的特制异性管(槽孔管)结构[10-11]。反滤层材料主要有散粒体材料和土工织物，土工布反滤作用已得到广泛验证，在很多应用中代替了传统的散粒体反滤材料[12]。目前尾矿库排渗系统中多采用土工织物作为反滤层，也有部分排渗系统采用钢丝网结合散粒料构成反滤层[11]。考虑到施工工艺、土工布经济性、合适的散粒体材料难以获取等多方面因素，土工织物仍然是尾矿库排渗系统中最常用的反滤材料。采用土工织物反滤是有条件的，但是目前土工布选型尚不够重视，国内外使用不当而造成的失效甚至失败的事故时有出现[13]。同时尾矿库中渗滤液特殊性、渗流条件、高应力水平以及尾矿料特殊物理力学特性等因素也使得排渗系统反滤层工况极其复杂[14]。

土工布反滤层机理、试验方法和设计准则依然是一个难题，至今没有成熟的设计方法[15]。笔者拟在查找和阅读土工布反滤设计相关文献基础上，综述尾矿库排渗系统反滤设计研究进展，包括尾矿料对反滤层的影响，土工布特征指标与测量方法，土工布支撑结构对反滤层的影响，现有的反滤准则研究和试验技术，以及当前最关注的反滤层耐久性问题研究，为尾矿库排渗系统反滤设计提供参考。

1 反滤层结构

土工布反滤层区域包括被保护土、土工布、排水结构。如图1所示，排水结构不同，其水流特性也不同。影响土工布反滤层性能的因素[16-17]分类为：几何因素(土粒粒径分布和形状，土工布厚度和孔隙分布等)，物理因素(土内摩擦角、比重、黏性、有效应力、土工布密度和压缩性等)，外部因素(液体黏度、水力梯度、流量、生物化学作用等)。按反滤层结构组成可分类[13]：①被保护土的性质和状态；②土工织物的种类和特性；③水流特性；④下游排水结构；⑤土工织物铺设的施工质量与土层的接触面状况。

图1 反滤层结构Fig.1 Filter structure

1.1 尾矿料对反滤性能的影响

1.1.1 被保护土特性对反滤性能影响

土工布在反滤层中主要起催化剂作用[18-19]，促使土工布上游被保护土体形成架空层和天然滤层，天然滤层起到反滤作用。因此，被保护土的属性对反滤层特性有着重要影响。当土颗粒粒径与土工布孔径相当时最容易在土工布内部堵塞。土的不均匀系数表征粒径不均匀性，土工布特征孔径OF与土特征粒径DX之比应随不均匀系数Cμ增大而减小，且粒径小于0.228OF的土颗粒不能形成架空层[20]。土颗粒形状会影响土工布保土特性，电子显微镜扫描发现尾矿砂具有明显的长短轴特征[21]，该特征造成尾矿砂总体上各向异性，但颗粒形状的影响至今没有明确定量结论[22]。

容易引起反滤层失效的被保护土具有一些总体特征。德国土力学及基础工程学会将被保护土分为问题土和稳定土[15]。问题土主要为粉粒含量多、颗粒细、黏聚力小的土，具备下列特征之一：①塑性指数小于15，或黏粒/粉粒含量比小于0.5；②粒径介于0.02～0.1 m之间的土含量大于50%；③不均匀系数Cμ小于15并含有黏粒和粉粒。大量土工布反滤失效案例统计发现土工布反滤层尽可能避免以下土类[23]：①粒径单一的非黏性细粒土；②断级配无黏性土；③分散性黏土会随时间分散成单独的细颗粒；④富含铁离子的土。

Bhatia[24]研究认为土的内部不稳定性造成土工布反滤层失效。土的内部稳定性[25]是指粗粒阻止细粒被水流挟带流失的能力。对土的内部稳定性研究形成了很多判别准则，Zhang[26]通过对131个土属性数据集合典型判别准则的分析验证，提出了更适用的判别准则，如图2所示。

1.1.2 尾矿料统计属性研究

尾矿料统计特征研究较少，但随着选矿工艺的提升，尾矿料总体特征为粒径较细、级配较差。青山林场尾矿库不同位置、不同深度随机采集的尾矿样颗粒分级试验发现，其界限粒径D60变化范围0.017～0.410 mm,中值为0.18 mm，不均匀系数Cμ变化范围2.6～58.7，曲率系数Cc变化范围0.82～7.94，以级配不良的尾细砂和尾粉砂为主。羊拉铜尾矿库尾矿试样颗粒分级试验发现其中值D50变化范围0.1～0.113 mm，粒径大于0.074 mm的颗粒含量大于62%，不均匀系数Cμ变化范围3.691～20.96，曲率系数Cc变化范围1.794～7.478，为级配不良的尾细砂和尾粉砂[27]。王崇淦等[28]对某尾矿库90个土样分析表明存在类似结果。

图2 土内部稳定性判别准则Fig.2 Internal stability criteria for soils under seepageF—粒径小于d的颗粒质量百分数；H—粒径在d与4d之间的颗粒质量百分数；Gr—颗粒分级曲线段级配部分最大粒径与最小粒径之比

几种不同尾矿料物理力学特性对比发现[29]：①三轴试验下不同尾矿料内摩擦角31°～38°差异不大，但黏聚力值离散性较大；②尾矿砂主要为欠固结土，表现出中等或高压缩性。尾矿砂沉积历史较短，但区别于一般沉积砂土，尾矿库存在自重固结、化学固结、淋滤固结等综合作用。化学固结是指尾矿库独特的化学环境和水化学场使得矿液中析出的金属氢氧化物或络合物在颗粒间沉积固化[30]，并非所有的尾矿库都存在化学固结，其与尾矿类型及其工艺存在密切的联系。尾矿库存在多种固结作用，但不同固结作用的权重随深度发生变化[31]，马家田尾矿库尾矿砂的沉积规律和物理力学性质研究发现，化学固结主要作用在浸润线上下一定范围内。

尾矿料物理力学特性也随时间变化。栗西高堆尾矿库的研究发现[32]，堆积坝体同一空间位置、同样埋深下干容重指标16 a增长约10%，且深部干容重指标显著高于浅部。浅层的渗透系数降低约6倍,深层的渗透系数降低约12倍。

总的来说，反滤层特性受被保护土多种物理力学特性影响，而尾矿料总体具有粒径细、级配不良、化学固结形成特殊络合物、欠固结、低强度等特点，属于易造成土工布反滤层失效的一类土。尾矿料种类较多，尾矿料在库区内分布具有不均匀性，进一步研究确定尾矿料统计特征对反滤层设计具有较大参考价值。

1.2 土工布特性对反滤性能影响

土工布孔隙结构对反滤性能有着显著的影响，评价土工布反滤层性能必须有精确的孔隙分布[33]信息。无纺土工布各向异性孔隙结构与级配良好的散粒体反滤层相似，较其他类型土工布具有更好的保土性能和广泛的应用[34]，因此，本研究提到的土工布主要指无纺土工布。

1.2.1 孔隙结构定义

土工布孔隙结构的描述存在多种定义，包括限制孔径、开径、反滤孔径(FOS)等[35]。需要说明的是，笔者发现不同研究人员对同一孔隙结构的命名可能不一致，本研究采用Giroud[35]对土工布孔隙结构的定义。

3根及以上的土工布纤维可构成1个收缩域，如图3(a)所示，限制孔径定义为能够通过该收缩域的最大球形直径。编织土工布具有规则的二维结构，通常只有1个限制孔径；无纺土工布因制造过程中的随机性，限制孔径存在1条分布曲线。

多个不同形状、不同限制孔径Ci的收缩域可构成一条反滤通道，如图3(b)所示，其中限制孔径最小值min(Ci)定义为该反滤通道开径，最小限制孔径对应的收缩域可能在反滤通道中的任意位置。单个土颗粒在水力作用下是否能够穿过该反滤通道，取决于土颗粒粒径d是否小于该反滤通道开径。土工布有大量反滤通道，组成每个反滤通道的收缩域具有随机性，因此反滤通道开径是一条分布曲线。反滤通道开径的最大值定义为反滤孔径，作为该土工布1个特征参数。

如图3(c)所示，反滤通道开径最小值与限制孔径最小值Cmin一致，但反滤通道开径最大值(即FOS)与限制孔径最大值Cmax并不一致，每个反滤通道的开径介于Cmin和FOS之间。

图3 土工布反滤通道与孔径分布Fig.3 Filtration paths and pore distribution of geotextile

1.2.2 孔隙结构测量与计算

土工布反滤通道开径对反滤层控制土颗粒的管涌有着重要的作用[33-34]，若能精确测量反滤通道开径分布，将有助于统一反滤设计准则，并有助于土工布反滤特性研究。相关研究提出了多种孔径分布测量方法：干筛法[36]、湿筛法、水动力法[37]、泡点法[38]、水银压入法、成像分析法[39]等。但不同测量方法的准确性不同，测试结果往往具有较大的离散性，采用不同测试方法测量同一无纺土工布获得的孔径分布如图4所示[40]。

图4 不同测试方法测得针刺无纺土工布孔径分布Fig.4 Pore-size distribution results of nonwovengeotextiles obtained from various methods ◆—干筛法；○—水动力法M；□—湿筛法M；△—泡点法；▲—水银压入法；◇—成像分析法；●—水动力法F；■—湿筛法F

干筛法存在多种问题[41-43]：①反滤排水过程包括流体，而测试在干燥的环境下进行；②标准砂嵌在土工布孔隙中；③较细的标准砂在静电作用下嵌在筛网中，未参与测试；④织物结构微小变化无法体现于测量结果O95等。通过干筛法测量的孔径称为表观孔径(AOS)，由于干筛法测量过程易于操作，至今AOS仍是土工布最广泛使用的特征参数[43]。

由于干筛法存在一定问题，相关研究关注采用其他测量方法替代干筛法，泡点法逐渐被认为是最佳的测量方法[42]。水银压入法和成像分析法[33-34]耗时较长且需要较复杂、昂贵的设备，不适合普遍应用。但编织土工布开径相对较大，成像分析法比泡点法测量结果更准确；而无纺土工布孔径较小，泡点法比成像分析法测量结果更准确。水动力法操作相对简单，但测量结果可靠性和重复性缺乏验证[44]，而泡点法对比于其他测量方法，具有操作耗时短，测量结果准确、可重复的优势。

除了用试验方法测量土工布孔径，相关研究提出孔径计算公式[35]：

(1)

式中，OF为土工布反滤开孔径；df为纤维厚度；tGT为土工布厚度；ξ为1个无量纲参数；n为土工布孔隙度，n=1-uGT/(ρftGT)，其中uGT为单位面积土工布质量，ρf为土工布纤维密度。研究发现该公式计算结果与泡点法测量结果具有高度一致性，验证了该公式计算无纺土工布FOS的可行性[31-34]。

1.2.3 土工布特征参数变化

上述土工布特征参数测量或计算时均未考虑其应用环境，结合具体工况，土工布特征参数将发生一定变化，主要体现在以下两方面：

(1)压缩应力改变土工布特征参数。土工布孔径及孔隙度与土工布厚度都存在关联性，而土工布厚度对压缩应力较为敏感。根据排渗系统设计高度以及尾矿料密度，一个中等高度的尾矿库中，排渗系统所受应力水平通常在1 MPa以上[14]，尾矿库高应力对土工布厚度的影响不容忽视。试验测试发现0～2 MPa正压缩应力下，土工布厚度、孔隙度、渗透系数、导水率、孔径等特征参数会发生显著变化，保土能力随应力增大而增强[45]。

(2)土颗粒浸入土工布影响其特征参数。颗粒浸入水平λ定义为土工布孔隙内土颗粒质量与土工布纤维质量之比[46-47]，土工布的颗粒浸入水平一般在0.2～15之间。试验测试不同颗粒浸入水平下无纺土工布的孔径变化发现，颗粒浸入水平对土工布特征孔径影响显著，应用中宜采用折减系数修正孔径大小[48]。

综上，当前反滤设计需要明确土工布孔径分布，孔径测量方法主要为间接法，测量方法众多，但没有结合具体工况，多种测量方法准确性差异较大，不能完全表征土工布特征。限制孔径概念、泡点法测量方法论证以及相关理论的研究，将有助于土工布特征参数的研究，进行更科学的反滤设计。

1.3 排水结构对反滤性能影响

土工布下游垫层结构对排渗系统反滤性能体现在以下两方面：

(1)土工布与下游垫层结构直接接触降低了透水面积。相关研究发现不考虑下游垫层结构影响将会低估土工布淤堵性能，下游垫层结构开孔率越小，综合渗透系数越低，淤堵潜能越大[49]。但综合渗透系数与开孔率不成线性正比关系，当UPVC排渗管开孔率增加到7%～15%时，综合渗透系数几乎不变[50]。

(2)负载应力作用下，土工布在下游垫层材料孔隙间存在松弛和蠕变现象。针刺无纺土工布的刺孔孔径控制着最大管涌颗粒直径，研究发现复杂应力将增大无纺土工布松弛位置的刺孔孔径，甚至造成土工布撕裂[51-52]。

下游垫层影响研究相对较少，假定的垫层形式主要为散粒体材料或预制开孔板。槽孔管作为新型垫层结构，其优势是显著增加了透水面积，但其对反滤层特性影响缺少研究。

2 反滤准则与试验研究

反滤设计主要解决土工布选型问题。部分研究通过反滤试验或理论预测提出了反滤准则，主张通过被保护土与土工布的反滤试验验证土工布选型的合理性[15]。

2.1 反滤准则

参考太沙基散粒体反滤层反滤准则，相关研究为土工布选型提出了很多反滤准则。反滤准则主要包括渗透性准则和保土准则，表1为反滤准则统计汇总[15,42]。

使用上述反滤准则存在两个问题[40]：①部分反滤准则使用非典型的土工布特征孔径值(如O50、O15)，而这些特征孔径缺少合适的测量方法；②反滤准则通常为经验性的，且基于某种具体的特征孔径测量方法，若反滤设计中采用其他的测量方法，因不同测量方法得到的特征孔径不一致，可能会导致反滤设计失效。

表1 现有反滤准则Table 1 Current filtration criteria

注：kg为土工布渗透系数，ks为土的渗透系数，Oe为土工布等效孔径，Dw为湿筛法测定的土工布有效孔径，N/A表示没有合适公式。

图5 土工布反滤设计指南Fig.5 Geotextile filter design guidelines

散粒体反滤层仅需建立保土准则和渗透性准则，但新的研究表明土工布反滤层还必须建立孔隙度准则和厚度准则[35]。建立孔隙度准则，保证单位面积土工布反滤层有足量的开孔。编织布开孔面积需大于10%，无纺土工布孔隙度应大于55%；建立厚度准则，保证反滤性能受土工布厚度影响较小。新定义的特征参数收缩域数目m可以反映相同FOS的土工布之间孔径分布差异，厚度准则要求土工布收缩域数目m大于25。该厚度准则已被美国材料与试验协会(ASTM)采纳，并提出了收缩域数目m的测量方法[54]。

2.2 试验技术研究

基于渗流、固结和三轴试验，研究产生了多种典型反滤试验方法：梯度比试验[55]、渗透系数比试验[56]、长期渗流试验，生物淤堵试验[57]等，不同反滤试验装置中反滤层具有不同的渗流和边界条件。大量土工布反滤层失效案例统计表明，极端应用条件下，反滤设计应采用上述反滤试验验证[23]。

梯度比试验是判别土工布反滤层淤堵问题最常用的试验，典型装置如图6所示。梯度比值GR定义为土工布及相邻部分土整体的水力梯度isoil-GT与土中水力梯度isoil之比。GR值随着土工布类型和土级配变化：若GR>1.0，即表明土与土工布系统存在淤堵；若GR>3.0，则滤层渗透性下降将超过一个数量级，难以满足透水要求。

图6 梯度比试验装置Fig.6 Gradient ratio test apparatus

改变装置中测压管与土工布之间土厚度L，可获得不同梯度比值，典型厚度有[14,58]：GRL=3 mm、 GRL=8 mm和 GRL=25 mm(即GRASTM)。若淤堵对反滤层透水性的影响平摊到较厚的土层会使得梯度比值对淤堵不敏感[58]，尾矿料与土工布的梯度比试验证实[14]，在复杂条件下用GRASTM不能充分评估土工布反滤特性，需要GRL=3 mm、GRL=8 mm或更精确的试验结果辅助评估。

梯度比试验也并非适用所有土，ASTM[55-56]推荐塑性指数PI<5的土使用梯度比试验，塑性指数PI≥5的土用渗透系数比试验。梯度比试验装置存在以下缺点[59]：①刚性侧壁容易存在优势渗流通道；②不容易饱和；③无法控制应力状态；④渗流达到稳定所需时间较长等。因此提出了柔性壁梯度比试验装置，多种其他改进型梯度比试验也被用于淤堵研究。

3 反滤层耐久性研究

土工布反滤层耐久性指反滤层区域特性随时间演变。土工布纤维易受尾矿库内特殊的物理化学反应作用，即使土工布纤维特性未发生变化，土工布反滤和透水性能依然会随时间改变[60]，使用数年的土工布反滤层几乎都存在力学和水力性能的衰退[61]。部分学者将耐久性问题作为反滤准则研究一部分，并提出建立淤堵准则。但土工布用作其他功能时同样存在耐久性需求，所以严格来说，耐久性不属于反滤准则研究范围，但在反滤设计中应充分考虑其影响[35]。影响土工布反滤层耐久性的主要机理为淤堵，诱因可能是物理、生物或者化学过程。

3.1 生物淤堵

生物淤堵需要特定的温度、碱性、矿物、有机物浓度等条件，在渗滤液收集系统中研究较多。反滤排水系统中有机质含量较低，生物淤堵主要形式为赭石。赭石是一种黄色胶状物质，富含有机物和铁氧化物，常粘在排水系统表层，减小孔隙空间，降低透水能力。赭石形成过程及对土工布反滤层特性影响的研究较少[62]，相关试验发现赭石膜易生成在土工布反滤层与空气接触面上，短时内反滤层整体渗透性变化不大，但土工布渗透性将快速显著降低，电镜扫描结果表明渗透性降低主要来自赭石膜对土工布孔隙的淤堵。部分工程实践中采用水封排渗管出口，减少土工布反滤层与空气接触，降低生物淤堵。

3.2 化学淤堵

传统排水系统中很少发生化学淤堵，而在尾矿库中较为常见，比如南非某尾矿库排渗系统反滤层中沉积了大量铁氧化物[14]、栗西尾矿坝排水体中化学淤堵现象[32]等。尾矿库特殊的化学环境是造成土工布反滤层化学淤堵的根本原因，渗水中的金属离子通过化学反应析出，形成金属氧化物累积在多孔介质中，因此，使用散粒体反滤层同样存在化学淤堵。

3.3 物理淤堵

物理淤堵的机制主要是细颗粒在土工布内部、土工布上游表面累积。内部淤堵主要是细粒材料在土工布纤维间孔隙的累积。有效孔隙度以及内部孔隙网络的连通性持续降低，导致土工布渗透系数降低；外部物理淤堵主要是在土工布上游面形成低渗透性的细颗粒滤饼[60]。物理淤堵相关研究最多，形成了保土准则和渗透性准则。保土模式有3种[35]：①完全保土模式，阻止粘土流失，这种模式下反滤层会淤堵，但这种淤堵是有益的；②最佳保土模式，反滤层允许流失少许颗粒，达到保土性能与渗透性性能平衡；③部分保土模式，反滤层常受到间歇性，多方向性湍流，主要起放缓土颗粒流失的作用。尾矿库排渗系统反滤层主要为最佳保土模式，通过合理的反滤设计，即使物理淤堵造成水力特性衰减，反滤系统的排水反滤性能依然保持在可接受的范围内。

影响反滤耐久性的多种淤堵机制可能同时存在，但某一种机制起主要作用。某排水渠系统中服役18年的土工布挖掘研究[60]发现，土工布上游面形成颗粒滤饼，内部存在淤堵，下游面因化学反应形成沉积的钙化物，渗透试验多种淤堵现象同时存在，而化学淤堵是该土工布反滤层渗透性能降低的主要因素。

耐久性问题时间跨度较大，影响因素较多，试验研究较困难。除试验手段外，数值方法也用于模拟反滤层反滤过程。目前散粒体反滤层反滤过程的数值方法研究较多[63]，而针对土工布反滤层的数值研究较少。

4 结 论

使用排渗系统控制尾矿库浸润面是尾矿库安全控制中重要的一环。尾矿库典型排渗系统以无纺土工布作反滤层，但缺乏严格的反滤设计，反滤性能差异较大，排渗系统生命周期差别较大。本文从排渗系统结构出发，综述各部分对反滤性能的影响，反滤准则研究进展，反滤系统耐久性研究进展。笔者认为以下研究方向值得进一步关注和加强：

(1)被保护土的特性对反滤性能有着重要影响，尾矿料大多以尾细砂、尾粉砂为主并含有大量粘粒、特殊矿物，且级配较差；自重固结和化学固结等多种固结方式同时存在，易形成特殊络合物。尾矿料特性明显区别于一般被保护土，反滤设计中应多关注尾矿料物理力学特性研究(如内部稳定性、级配、密实度等)。

(2)土工布特征参数主要为孔径分布、密度、渗透系数等，但这些参数不能充分反映土工布特性差异，土工布孔径分布测量方法也存在明显的不足。尾矿料/土工布反滤层设计研究中可引入其他参数(比如收缩域数目m)来更全面地刻画土工布特性，并采用更精确的测量方法(比如泡点法)来测量孔径分布。

(4)过去的反滤设计研究提出了一些反滤准则和反滤试验。但反滤准则较多，且多为经验性，其对尾矿料—土工布反滤层的适用性需进一步研究验证。可用的反滤试验也相对较少，应进一步加强反滤试验，尤其是长期反滤试验的研究。

(5)土工布反滤层耐久性不是反滤准则，但应纳入反滤设计中。因尾矿库特殊的环境，影响排渗系统反滤层耐久性因素更为复杂。目前耐久性研究主要依赖试验研究，后续研究中可借鉴散粒体反滤层数值研究成果，加强土工布反滤层反滤过程数值研究。

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