岩溶区某铝土矿排泥库防渗漏综合治理概述

2022-09-29陈哲骆巍何同庆

采矿技术 2022年5期

陈哲，骆巍，何同庆

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410019)

0 引言

排泥库作为尾矿库的一个分支，是桂西堆积型铝土矿所配套的湿排尾矿设施，多利用天然洼地并在四周垭口一次性筑坝形成库容。与传统尾矿库相比，排泥库所储存泥浆呈流体状态，浓度仅30%左右，矿泥粒度-0.074 mm占90%以上，极难排水固结，尽管利用地形一次性筑坝堆存，但库址多位于岩溶发育区，极易发生泥浆泄漏事故。

近年，相关专家、学者对岩溶区尾矿库、排泥库的渗漏防治做了大量的研究分析。宋志[1]分别给出了尾矿库基建期、运行期的岩溶裂隙、落水洞、水平溶洞、岩溶强发育区及尾矿岩溶塌陷等具体处理措施和方法。程峰、刘婷等[2-3]通过具体的工程案例，提出了渗漏点治理、导水通道治理以及库区防排渗的岩溶区尾矿库综合治理技术。施灿海等[4]提出选择碎石换填和防渗膜嵌固联合的“柔性”处理方案，对岩溶洼塘底部进行地基处理。欧孝夺、全守岳等[5-6]对岩溶区排泥库泥浆深层泄漏机理进行了相关研究，认为在进行排泥库选址时应充分探测该地区的地址构造情况，对危害排泥库安全的溶洞进行施工处理，在源头上进行防控和治理。何同庆[7]总结了近30 a的岩溶地区排泥库设计与建设的实践，对岩溶区排泥库选址原则给出了指导性意见。

此外，水利行业对岩溶区水库的防渗漏治理相关研究同样值得借鉴。符锋、黄国芳等[8-9]提出采用帷幕灌浆的方法可以有效减少库区渗漏，并详述了岩溶区帷幕灌浆设计和施工重点。王畅、陈才明等[10-11]针对大型溶洞提出了自密实混凝土回填+高压喷射灌浆+钢管桩+周边引排的永久综合处理措施。

综合以上研究成果，本文依托岩溶区某新建铝土矿排泥库，根据其库区工程地质条件、水文地质条件及岩溶发育特点，制定了一套完善的防渗漏治理方案，可为后续岩溶区排泥库建设提供参考。

1 工程概况

新建排泥库位于广西百色市一处天然洼地，四周高、中间低，终期标高930 m，库内设1座内坝（碾压堆石坝），库周6座外坝（2座埋石混凝土重力坝，4座碾压堆石坝），最大坝高30 m，总库容4036×104m3，有效库容 3914×104m3，属于三等库。库内排洪系统采用排水井-隧洞型式，设有 3座46 m高窗口式排水井；隧洞长约2600 m，圆拱直墙型，净断面1.5 m×1.8 m，平均坡降为1.5%。隧洞出口接明渠，最终接入下游应急池。

2 特殊地质条件和岩溶发育

2.1 库区断层

库区断层如图1所示。库区有2条断裂构造穿过，吉烈断裂F4和坡周断裂F9。其中吉烈断裂F4由于受北东—南西向的坡周断裂在库区内错断，分成2段。

图1 库区断层示意

更粘-陇峒断裂（F4-1）总体走向北西，倾向南西，长约3.5 km，断裂带发育宽约3～10 m不等。断裂通过处负地形地貌发育，主要沿灰岩山体间线状谷地发育。库址内断裂沿谷地长轴方向发育，水系多沿断裂走向发育，沿断裂走向上可见溶洞呈串珠状分布。该断裂在库区内表现为走滑特征，裂隙多以垂直发育，具有导水性。

陇峒-敏明断裂（F4-2），断层总体走向北西，倾向北东，长约4 km，破碎带宽约9～18 m不等。断裂通过处负地形地貌发育，沿途可见断层陡坎发育，局部见擦痕。该断裂在库区内表现为走滑特征，裂隙多以垂直发育，具有导水性。

内屯—坡周断裂（F9）该断裂总体走向北东，倾向以南东为主，个别北西，长约9 km，影响宽度为20～35 m。该断裂在库区内派生次一级断裂F9-1，F9-1位于F9断裂南东侧150 m处，与F9断裂基本平行，影响宽度约30 m。钻探揭露主要表现为库内内坝一侧钻孔多见角砾岩，角粒粒径0.5～3 cm不等，多倍方解石充填胶结。该断裂在库区表现为沿线裂隙劈里较为发育，岩心局部较为破碎，具有相对阻水性质。

上述断裂均为不活动性断裂，断裂在库区内穿过处主要表现为沿断裂带及周边岩体破碎、裂隙理发育和岩溶发育。

2.2 库内积水

库区内地表水系不发育，但雨季或暴雨季节，在雨水及大量地下水的补给下，由于 F4断裂具有导水性，而 F9断裂具有阻水性，导致地下水在库区两个洼地内积聚成两个水塘（以下称北水塘、南水塘）。北水塘水源主要是库区外围西北侧一带的地下水及周边雨水，暴雨季节地下水通过北西向的导水断裂F4-1形成径流带径流，在库区中部受相对隔水的北东向断裂 F9的阻拦，径流不畅，在北段库区内沿岩溶构造发育的软弱地带以落水洞及季节性泉的方式涌出，并在库区北侧洼地积聚。北水塘的积水大部分从库底、山体裂隙及落水洞向东北流出库区，最终出露于现有应急池。因水塘南侧地势较低，部分积水通过地表往库区南侧洼地汇流。南水塘水源主要是降雨后库内积聚的雨水、库区外西侧一带的地下水以及北水塘通过地表漫流补给的地表水。库区西侧的地下水通过岩溶裂隙往南侧洼地径流，以季节泉或落水洞的形式涌出。

2.3 岩溶发育概述

库区属峰丛-洼地地貌单元，分布的岩层主要为可溶性碳酸盐岩；构造发育，有2条断裂及其派生的次一级断裂在库区相交，地质构造及水文地质条件错综复杂，为岩溶的发育提供了有利条件。岩溶作用沿层理以及各种构造带、节理裂隙面发育，是泥浆渗漏的主要通道。

2.3.1 岩溶形态特征

库区岸坡以裸露型岩溶为主，底部裸露型岩溶与覆盖型岩溶均有分布，以覆盖型岩溶为主。库区为一大型的峰丛-洼地组合岩溶形态，地表岩溶形态有石牙、溶蚀裂隙、冲沟、落水洞、溶洞(穴)、土洞、溶蚀塌陷等，规模不一；地下岩溶形态有溶蚀裂隙、溶洞及隐伏的溶沟（槽）。

2.3.2 岩溶发育规律

平面上，库区的岩溶主要发育方向与谷地的走向及 F4断裂的走向一致，为场地溶蚀裂隙的主要走向。空间上，受区域剥蚀和溶蚀旋回控制，岩溶发育呈“阶梯”式坎状。在标高890～910 m以上峰丛区，以垂直型发育的岩溶为主，表现为落水洞、垂直向溶蚀裂隙集中发育；在标高830～860 m山腰地段，以顺层理或水平面发育的岩溶为主，表现为溶蚀洼地、溶洞及落水洞等集中发育；在库区洼地地平面以下以垂直型溶蚀裂隙、落水洞、漏斗、溶蚀塌陷等岩溶发育为主。库区的岩溶亦受区域地下水径流-排泄基准面变化影响，表现为以垂直向发育岩溶形态与水平向发育岩溶形态随地势呈交替集中发育的特点。

3 治理方案

3.1 溶洞处理

根据岩溶区建库经验，尽管勘查采用了多种方法查找岩溶，但绝大部分溶洞均是施工过程中大开挖找到的，尤其是库底周边有较薄土层覆盖的区域。施工过程进行勘查有利于指导实施正确的施工方案，并填补详勘的不足。同时根据不同类型岩溶发育的特点，对不同类型的岩溶分别采取不同的措施进行处理，主要处理措施包括：裂隙块石卡堵、预埋通气管、洞内块石回填、素混凝土封堵、钢筋混凝土封堵、注浆封堵裂隙及双向反滤层等。本文选取以下两种典型的岩溶处理方案进行介绍，其他岩溶可参照处理。

（1）边坡大型溶洞。此类溶洞高程较高，一般不会出现溢水现象，容易形成泥浆渗漏通道和存在地下气压顶托、吸附铺盖的不利作用。该类型溶洞应深入内部进行封堵，防止塌陷；同时预埋通气管以平衡洞内外气压；洞内采用块石或毛石砼回填，设置双向反滤层防止泥浆渗漏，洞口再根据地形条件设置不同类型的地表铺盖，如图2所示。

图2 边坡大型溶洞处理方案示意

（2）与地下河连通的落水洞。此类溶洞在库底较为多见，由于库区地下水位较高，溶洞均与地下河直接连通，洞内均设置通气管和排水管。通气管伸出地表后与边沟内主排水管相通，以保持洞内外压力均衡，防止产生负压，破坏防渗层；排水管伸出地表后连通边沟内主排水管，将雨季地下河上涌的水引至隧洞排往库外，防止地下水对库底防渗层产生顶托作用，造成防渗层破坏，如图3所示。

图3 与地下河连通的落水洞处理方案示意

3.2 断层处理

虽然库区的断裂构造均为不活动，但是各断层及其附近岩溶均十分发育，渗流通道呈现集中分布现象；导水、阻水断裂在库内相交，地下水排泄通道错综复杂，雨季库底大量积水，对库底安全带来十分不利的影响。为消除断层对排泥库建设的不利影响，宜将库底断层范围的土层尽可能开挖，找出地下水排泄通道，尤其是集中渗流通道，将地下水直接自流排往隧洞，一方面确保库底具有足够的强度不发生塌陷；另一方面及时将地下水进行疏导和外排，消除地下水水位反复涨落对库底产生顶托、吸附、冲刷等不利作用。对于边坡断层，则主要是岩溶的治理和断层防渗，防止大量水从集中通道渗流进入断层，从而诱发地震。

F4-2断层库底区域为库底土层较厚区域，平均土层厚度超过10 m，其中西侧区域勘察期间有一钻孔深80 m未见基岩，且其中有约5 m厚为黑色胶泥土。为防止该区域后期承受矿浆荷载发生沉降，导致库底防渗层发生破坏，在F4-2断层库底区域上部设置4～8 m沉降堤，以适应断层下部土层沉降变形，确保该区域库底防渗层安全稳定。

3.3 边坡处理

库区边坡面积较大，边坡型式及处理侧重点不同，应划片区针对性处理。F9断裂以南区域岩溶非常发育，应适当提高处理标准，以提高边坡的防渗漏安全性。根据各区域的标高、岩溶发育情况、地层情况以及岸坡坡度，采用不同形式边坡处理方案。

碎石反滤铺盖：石芽出露或覆盖土层较薄的区域，清除裂隙土至基岩、爆破+人工找平、铺设20 cm厚碎石、土工布。陡坡喷浆铺盖：陡坡、陡崖区域，爆破粗平、石缝土工布赛条/块石卡堵、5 cm或10 cm厚喷射混凝土、土工布。内凹边坡铺盖：边坡局部凹陷的区域，爆破粗平、凹陷区域干砌、浆砌或浇筑混凝土找平、5 cm或10 cm厚喷射混凝土、土工布。黏土加强铺盖：南库段石芽出露或覆盖土层较薄的区域，在碎石反滤铺盖的基础上，表层设两层土工布，并在土工布之间设置一层50 cm厚的黏土帮助防渗。土坡防渗铺盖：南库段土层较厚难以开挖至基岩的区域，土层翻填2 m厚，依次设置5000 g/m2膨润土毯、1300 g/m2复合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排渗层（内设排渗管网接入隧洞）、1300 g/m2复合土工膜（两布一膜），确保水不下渗侵蚀边坡土，保障土坡稳定，如图4所示。

图4 边坡大型溶洞处理方案示意

多种铺盖型式更符合施工实际，使边坡处理更容易操作，并节省投资。另外，应将边坡由930环库路至库底一次性爆破粗平，避免分期爆破落石砸破土工布导致渗漏。

3.4 库底处理

根据库底复杂的工程地质和水文地质条件，库底处理的重点有以下两个方面：一是设置可靠的地下水排泄系统，将库底集中上涌的地下水以及通过裂隙渗出的地下渗水及时进行疏导，排出库外，消除地下水对库底的淘刷作用和对防渗系统的顶托作用；二是为了防止大量水和泥浆从地下岩溶管道集中渗流，在全库底设置多种形式的复合防渗层，从“面”上防止泥浆泄漏。库底综合防渗排水系统如图5所示。

图5 库底综合防渗排水系统示意

3.5 地下水导排

与以往排泥库不同，该排泥库雨季地下水位较高，库底积水达15 m，如何有效安全地疏导地下水是该库建设的重点和难点。本研究提出在库底防渗层之下设置地下水导排系统，即地下水直排系统和地下水排渗系统相结合方式，有效排泄地下水，消除库底安全隐患。

（1）地下水直排系统。库底完成断层及隐伏岩溶处理之后，在与地下水有水力联系的泉眼均预埋直排管（DN108钢管），出地表后就近组合接入一根直排主管（DN325钢管），对于涌水集中的大型泉眼，单独设直排管（DN711、DN325钢管）。直排管尺寸及数量根据3年内现场踏勘的泉眼涌水量确定，采用沟埋式铺设，除 DN108管外全部包钢筋混凝土受力。库底共设置4个地下水导排片区，各片区均设置有支隧洞，直排主管分片区各自独立顺地形自流接入支隧洞中，最后经主隧洞及明渠排出库外。

（2）地下水排渗系统。考虑到岩溶地区岩层千疮百孔，肉眼能够观察到的地下水出露点有限，尽管地下水直排系统可有效地排泄部分地下水，但是仍有大量地下水可从岩溶裂隙中涌出并在库底积聚。因此可另设置地下水排渗系统，即在直排系统上部布置一层或多层集水管网（DN108钢管开花孔并包裹土工布），分片区接入主管（DN325钢管），支管及主管数量由各片区涌水量确定，并最终引入隧洞排泄出库外。

往年雨季地下水位最高为808 m，试运行期间（正值雨季）库底最低处795 m，库底防渗层安全稳定运行；隧洞内排水管出水量稳定，地下水导排系统排水效果显著，达到预期目标，为库底渗透安全提供了强有力的保障。

3.6 膜间排渗、环库集渗

遵循“面”上防渗的原则，本研究在库底设置膜间排渗系统，以及在库底、边坡交界处设置环库集渗系统，防止库内水垂直下渗以及边坡水下渗，影响库底稳定。

（1）膜间排渗系统。为防止库内泥浆及泥浆水下渗，在库底设置复合防渗铺盖，工艺由下至上依次为覆土翻填碾压2.0 m（边沟为4 m）、5000 g/m2膨润土毯、1300 g/m2复合土工膜（一布一膜）、0.5 m厚碎石排渗层、1300 g/m2复合土工膜（两布一膜）。0.5 m厚碎石层内铺设排水管网，遍布整个库底，将库底下渗水收集至主管，自流进入隧洞排往库外。

（2）环库集渗系统。库底与边坡交界处设环库集水沟，尺寸为1.0 m×1.0 m。集水沟内土工布包碎石回填，碎石层底部预埋土工布包裹的开孔DN219钢管，顺地形自流进入隧洞，用于收集和排泄边坡下渗水，确保库底防渗系统不受边坡下渗水影响。