矿区酸性水库防渗治理工程方案比选研究

2022-11-28龚雪刚吴亮亮

有色金属（矿山部分） 2022年6期

孟磊，龚雪刚，吴亮亮，李昊，王琼

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

我国是一个矿业大国，矿山开采过程中会产生大量废石、尾矿等工业固体废弃物[1]，露天采矿场剥离的矿石露头和废石场堆存的废石含有黄铁矿，经氧化及雨水淋洗溶解，会产生含重金属离子的酸性水，酸性废水汇流进入酸性水库存贮，水库渗漏存在潜在环保风险，科学合理地确定酸性水库的渗漏条件及其采用的防渗形式是矿产企业及工程设计人员一致关注的问题[2]。

根据现行的《铜矿山铜矿酸性废水综合处理规范》(GB/T 29999-2013)及《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》(GB 18599-2020)对新建酸性水库环保防渗的要求，常采用土工膜水平防渗措施，对地质条件较好的水库也采用垂直防渗措施。但对于已运行的酸性水库，目前尚未有明确的标准规范。

本文以典型铜矿区在运行的酸性水库防渗治理工程为例，针对酸性水库坝体渗漏问题，将通过研究水平防渗和垂直防渗的可行性，对防渗方案进行初步选择，确定可行的防渗治理方式，加强坝体防渗，防止酸性水局部渗漏，阻断酸性水污染物通过地下水向坝下迁移的途径，为解决在运行的酸性水库的防渗工程实施提供思路，并为类似工程的研究设计提供参考。

1 酸性水库概况

1.1 酸性水库概况

废石场贮存的废石属于第II类一般工业固体废物，废石场的酸性废水汇流进入酸性水库存贮。酸性水库收集露天采场和废石场产生的酸性水每年约421.10万m3，其中露天采场矿坑水产生量共为224.4万m3/a，废石场进入库内的酸性水196.7万m3/a，统一收集到废石场下游的酸性水库中，再通过专用管道送至硫化铜厂提铜处理。酸性水库最低水位104 m，最高水位117 m，最高洪水位120 m，总库容约350万m3，有效库容约200万m3。区域建有酸性水库、集水池(截渗池)、清污分流系统和地下水监测井等环保设施。

酸性水库主要建筑物包括大坝、排水洞等，水库为碾压式斜墙堆石坝，坝顶设计高程120.5 m(黄海高程)，死水位103 m，最高蓄水位标高117 m，最高洪水位120 m，设计最大坝高22.0 m，坝宽约6.0 m、坝长100.0 m，上下游坝坡坡比为1∶2.2及1∶1.8，上下游坝坡设0.4 m厚的砌石保护，上下均在高程110 m处设置2.0 m宽马道。酸性水库区域位置见图1。

图1 酸性水库区域及采样点位置

1.2 存在的问题

研究区酸性水库是矿区的重要环保设施，建成运行已久，目前，酸性水库渗漏水由渗水收集池进行收集，通过渗水回收泵站返回库内，以避免酸性水外排，由于受地质和环境因素的影响，在坝脚处已出现局部渗漏点，下游土质疏松，易形成渗流通道，水库渗漏存在潜在环保风险，需进行防渗处理。

2 库区地质条件分析

2.1 地形地貌

酸性水库区域最高峰海拔约588 m，次有黄牛前538.5 m，西源岭528.4 m。最低海拔位于南部的村庄为77 m。自然地形比高一般为150～250 m。区内地形切割强烈，山势陡峻，山顶多呈尖顶状，次为园顶形，山脊连绵起伏，冲沟发育，多呈“V”字形，自然斜坡较陡，坡角在30～50°，多为岩质边坡，局部为碎石土质边坡。

2.2 地下水类型

库区所在水文单位内地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、红层孔隙裂隙水及基岩裂隙水。区内地下水主要受大气降水补给，季节变化明显，受地形和风化带薄厚度影响，径流途径短，地下水流场总体上呈由北向南的径流趋势。区内各类地下水含水层分布位置高，地表水起到排泄地下水的作用。

2.3 地层岩性

场地内岩土层主要由本区出露地层从新到老为：人工填土(Q4ml)、晚白垩系茅店组(K1m)、前震旦系登山群(Pt3b)组成。按岩土层的地层时代、成因类型、岩性结构及工程地质特征等，自上而下可依次划分为①素填土、②1强风化砾岩、②2中风化砾岩、②3微风化砾岩、③1强风化凝灰质砂岩、③2中风化凝灰质砂岩、③3微风化凝灰质砂岩。

3 库区环境风险分析

3.1 底泥沉积环境

根据水系沉积物采样、监测规范标准采集库区底泥样品。调查结果表明库区底泥沉积厚度1.2～3.0 m，平均厚度2.28 m，样品含水量56.2%～181.7%；塑性指数为13.4%～31.0%，液性指数1.24%～6.37%，判定库区内底泥为流塑状淤泥质土；渗透系数1.76×10-6～8.68×10-5cm/s，渗透系数均值为6.07×10-5cm/s，底泥渗透性表现为弱透水-微透水特征。渗透性测试结果初步判定库区的底泥防渗性能较好。

3.2 地表水环境

酸性水库坝前、水库库尾和下游渗滤液池布置了3个酸性水监测点，监测结果如图2所示，水质均呈强酸性，pH 值位于2.74～3.29之间。各监测点铜、锰、锌和铁赋存浓度较高，最高检出浓度达122、202、9.77和1 870 mg/L，铜、锰和锌的最大超标倍数分别为243倍、100倍和3.9倍。此外，镉、铅、钼、钴等重金属元素在各点位也均有检出。

图2 酸性水库水质监测结果

3.3 地下水环境

沿废石场和酸性水库地下水流向布设3个地下水采样点，各监测点铜、锌、铬、镍、砷、铁均有检出，但各水质指标含量均满足《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)III类标准要求，结果如图3所示。下游周边村庄地下水被用作农作物的灌溉，饮用水来自于集中供水，居民不饮用地下水，无暴露途径，地下水对人体的健康风险较小。

图3 地下水水质监测结果

4 防渗方案比选

环境风险调查表明，酸性水库库区封闭性较好，库区周边地下水监测井及下游民井水质未受酸性水质明显影响，但坝址区存在坝体、坝基、绕坝渗漏以及排水洞渗漏，为巩固水库防渗能力，提升渗漏风险控制水平，需加强大坝的防渗能力。防渗措施需满足环保防渗透水率不大于1×10-7cm/s。

4.1 方案布置

针对酸性水库防渗通常采用垂直防渗和水平防渗两种方案。

水平防渗工程施工前抽干库水，在库尾设置导流围堰，围堰上游新建一座泵站，改造原输水管道，用于施工期导流。水库抽干后对基础淤泥进行清理，回填黏土料进行压实整平，铺设2 mm厚HPDE防渗土工膜，土工膜上部设置黏土保护层。拆除原大坝上游侧干砌块石护坡及HDPE防渗土工膜，铺设2 mm厚HDPE防渗土工膜。

垂直防渗大坝垂直防渗轴线沿上游高程110 m马道布置，在马道与两岸相交处沿山体折向坝顶，然后沿坝轴线向两岸山体延伸至最高洪水位与相对不透水层相交处。坝体及坝基防渗采用灌浆处理，上游排灌浆采用水泥黏土灌浆，下游采用化学灌浆。

4.2 方案比选

根据工程特点，防渗处理选择水平防渗和垂直防渗两种方式进行比选，详见表1。

表1 防渗方案比选

表1分析结果表明，酸性水库抽干的难度较大，水平防渗施工难度大，工期不能满足要求，且基坑被淹的风险大，施工质量难以保证，因此不具备水平防渗的条件；水库库区封闭性较好，垂直防渗施工难度较小，防渗线路短，防渗效果好，具备实施垂直防渗的条件。

4.3 “垂直防渗”方案

在上述两种方案综合技术经济比选的基础上确定采用“垂直防渗”方案，垂直防渗布置如图4所示，方案布置具体如图5所示。

图4 垂直防渗布置示意图

图5 坝体防渗布置

常见的垂直防渗包括防渗墙、化学灌浆、水泥化学复合灌浆等，混凝土防渗墙的防渗性能可达1×10-8cm/s，适用于坝体、覆盖层及强风化基岩防渗。化学灌浆或水泥化学复合灌浆，其防渗性能可满足不大于1×10-7cm/s，可适用于坝体、覆盖层及基岩灌浆[3-4]。防渗墙和水泥灌浆采用高抗硫酸盐硅酸盐水泥，以解决酸性环境下的腐蚀问题，化学灌浆胶凝或固化后形成有机材料，具有良好的抗酸性。

大坝防渗轴线沿上游高程110 m马道布置，在马道与两岸相交处沿山体折向坝顶，然后沿坝轴线向两岸山体延伸至最高洪水位与相对不透水层相交处。高程110 m马道、马道至坝顶段设置混凝土压浆板；坝顶两岸山体设置灌浆平洞(3 m×3.5 m城门洞型)。坝体及坝基防渗采用灌浆处理，灌浆共布置3排，排距0.8 m，孔间距为1.2 m。上游1排采用水泥黏土灌浆，下游2排采用化学灌浆。灌浆底线按深入岩体渗透系数1×10-7cm/s线以下2 m控制。马道至坝顶间上游坝面铺设2 mm HDPE土工膜防渗，渗透系数K≤10-12cm/s。

防渗轴线与排水洞相交处，布设5排坝体灌浆，灌浆伸至涵管结构顶部1.0 m，以确保防渗帷幕与涵管管身衔接的可靠性；涵管底部布置基岩帷幕灌浆孔，孔深与其他部位相同。对排水洞(排水竖井、排水管)局部裂缝化学灌浆封堵，底部混凝土清理凿毛后用环氧砂浆修补，洞身内壁1.5 m高度以下涂刷氟碳防腐处理[5-8]。