孟 磊，龔雪剛，吳亮亮，李 昊，王 瓊

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

我國是一個礦業(yè)大國，礦山開采過程中會產(chǎn)生大量廢石、尾礦等工業(yè)固體廢棄物[1]，露天采礦場剝離的礦石露頭和廢石場堆存的廢石含有黃鐵礦，經(jīng)氧化及雨水淋洗溶解，會產(chǎn)生含重金屬離子的酸性水，酸性廢水匯流進(jìn)入酸性水庫存貯，水庫滲漏存在潛在環(huán)保風(fēng)險，科學(xué)合理地確定酸性水庫的滲漏條件及其采用的防滲形式是礦產(chǎn)企業(yè)及工程設(shè)計(jì)人員一致關(guān)注的問題[2]。

根據(jù)現(xiàn)行的《銅礦山銅礦酸性廢水綜合處理規(guī)范》(GB/T 29999-2013)及《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599-2020)對新建酸性水庫環(huán)保防滲的要求，常采用土工膜水平防滲措施，對地質(zhì)條件較好的水庫也采用垂直防滲措施。但對于已運(yùn)行的酸性水庫，目前尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

本文以典型銅礦區(qū)在運(yùn)行的酸性水庫防滲治理工程為例，針對酸性水庫壩體滲漏問題，將通過研究水平防滲和垂直防滲的可行性，對防滲方案進(jìn)行初步選擇，確定可行的防滲治理方式，加強(qiáng)壩體防滲，防止酸性水局部滲漏，阻斷酸性水污染物通過地下水向壩下遷移的途徑，為解決在運(yùn)行的酸性水庫的防滲工程實(shí)施提供思路，并為類似工程的研究設(shè)計(jì)提供參考。

1 酸性水庫概況

1.1 酸性水庫概況

廢石場貯存的廢石屬于第II類一般工業(yè)固體廢物，廢石場的酸性廢水匯流進(jìn)入酸性水庫存貯。酸性水庫收集露天采場和廢石場產(chǎn)生的酸性水每年約421.10萬m3，其中露天采場礦坑水產(chǎn)生量共為224.4萬m3/a，廢石場進(jìn)入庫內(nèi)的酸性水196.7萬m3/a，統(tǒng)一收集到廢石場下游的酸性水庫中，再通過專用管道送至硫化銅廠提銅處理。酸性水庫最低水位104 m，最高水位117 m，最高洪水位120 m，總庫容約350萬m3，有效庫容約200萬m3。區(qū)域建有酸性水庫、集水池(截滲池)、清污分流系統(tǒng)和地下水監(jiān)測井等環(huán)保設(shè)施。

酸性水庫主要建筑物包括大壩、排水洞等，水庫為碾壓式斜墻堆石壩，壩頂設(shè)計(jì)高程120.5 m(黃海高程)，死水位103 m，最高蓄水位標(biāo)高117 m，最高洪水位120 m，設(shè)計(jì)最大壩高22.0 m，壩寬約6.0 m、壩長100.0 m，上下游壩坡坡比為1∶2.2及1∶1.8，上下游壩坡設(shè)0.4 m厚的砌石保護(hù)，上下均在高程110 m處設(shè)置2.0 m寬馬道。酸性水庫區(qū)域位置見圖1。

圖1 酸性水庫區(qū)域及采樣點(diǎn)位置

1.2 存在的問題

研究區(qū)酸性水庫是礦區(qū)的重要環(huán)保設(shè)施，建成運(yùn)行已久，目前，酸性水庫滲漏水由滲水收集池進(jìn)行收集，通過滲水回收泵站返回庫內(nèi)，以避免酸性水外排，由于受地質(zhì)和環(huán)境因素的影響，在壩腳處已出現(xiàn)局部滲漏點(diǎn)，下游土質(zhì)疏松，易形成滲流通道，水庫滲漏存在潛在環(huán)保風(fēng)險，需進(jìn)行防滲處理。

2 庫區(qū)地質(zhì)條件分析

2.1 地形地貌

酸性水庫區(qū)域最高峰海拔約588 m，次有黃牛前538.5 m，西源嶺528.4 m。最低海拔位于南部的村莊為77 m。自然地形比高一般為150～250 m。區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，山勢陡峻，山頂多呈尖頂狀，次為園頂形，山脊連綿起伏，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，自然斜坡較陡，坡角在30～50°，多為巖質(zhì)邊坡，局部為碎石土質(zhì)邊坡。

2.2 地下水類型

庫區(qū)所在水文單位內(nèi)地下水類型為第四系松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水及基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)變化明顯，受地形和風(fēng)化帶薄厚度影響，徑流途徑短，地下水流場總體上呈由北向南的徑流趨勢。區(qū)內(nèi)各類地下水含水層分布位置高，地表水起到排泄地下水的作用。

2.3 地層巖性

場地內(nèi)巖土層主要由本區(qū)出露地層從新到老為：人工填土(Q4ml)、晚白堊系茅店組(K1m)、前震旦系登山群(Pt3b)組成。按巖土層的地層時代、成因類型、巖性結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征等，自上而下可依次劃分為①素填土、②1強(qiáng)風(fēng)化礫巖、②2中風(fēng)化礫巖、②3微風(fēng)化礫巖、③1強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、③2中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、③3微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖。

3 庫區(qū)環(huán)境風(fēng)險分析

3.1 底泥沉積環(huán)境

根據(jù)水系沉積物采樣、監(jiān)測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)采集庫區(qū)底泥樣品。調(diào)查結(jié)果表明庫區(qū)底泥沉積厚度1.2～3.0 m，平均厚度2.28 m，樣品含水量56.2%～181.7%；塑性指數(shù)為13.4%～31.0%，液性指數(shù)1.24%～6.37%，判定庫區(qū)內(nèi)底泥為流塑狀淤泥質(zhì)土；滲透系數(shù)1.76×10-6～8.68×10-5cm/s，滲透系數(shù)均值為6.07×10-5cm/s，底泥滲透性表現(xiàn)為弱透水-微透水特征。滲透性測試結(jié)果初步判定庫區(qū)的底泥防滲性能較好。

3.2 地表水環(huán)境

酸性水庫壩前、水庫庫尾和下游滲濾液池布置了3個酸性水監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，水質(zhì)均呈強(qiáng)酸性，pH 值位于2.74～3.29之間。各監(jiān)測點(diǎn)銅、錳、鋅和鐵賦存濃度較高，最高檢出濃度達(dá)122、202、9.77和1 870 mg/L，銅、錳和鋅的最大超標(biāo)倍數(shù)分別為243倍、100倍和3.9倍。此外，鎘、鉛、鉬、鈷等重金屬元素在各點(diǎn)位也均有檢出。

圖2 酸性水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

3.3 地下水環(huán)境

沿廢石場和酸性水庫地下水流向布設(shè)3個地下水采樣點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)銅、鋅、鉻、鎳、砷、鐵均有檢出，但各水質(zhì)指標(biāo)含量均滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)III類標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如圖3所示。下游周邊村莊地下水被用作農(nóng)作物的灌溉，飲用水來自于集中供水，居民不飲用地下水，無暴露途徑，地下水對人體的健康風(fēng)險較小。

圖3 地下水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

4 防滲方案比選

環(huán)境風(fēng)險調(diào)查表明，酸性水庫庫區(qū)封閉性較好，庫區(qū)周邊地下水監(jiān)測井及下游民井水質(zhì)未受酸性水質(zhì)明顯影響，但壩址區(qū)存在壩體、壩基、繞壩滲漏以及排水洞滲漏，為鞏固水庫防滲能力，提升滲漏風(fēng)險控制水平，需加強(qiáng)大壩的防滲能力。防滲措施需滿足環(huán)保防滲透水率不大于1×10-7cm/s。

4.1 方案布置

針對酸性水庫防滲通常采用垂直防滲和水平防滲兩種方案。

水平防滲工程施工前抽干庫水，在庫尾設(shè)置導(dǎo)流圍堰，圍堰上游新建一座泵站，改造原輸水管道，用于施工期導(dǎo)流。水庫抽干后對基礎(chǔ)淤泥進(jìn)行清理，回填黏土料進(jìn)行壓實(shí)整平，鋪設(shè)2 mm厚HPDE防滲土工膜，土工膜上部設(shè)置黏土保護(hù)層。拆除原大壩上游側(cè)干砌塊石護(hù)坡及HDPE防滲土工膜，鋪設(shè)2 mm厚HDPE防滲土工膜。

垂直防滲大壩垂直防滲軸線沿上游高程110 m馬道布置，在馬道與兩岸相交處沿山體折向壩頂，然后沿壩軸線向兩岸山體延伸至最高洪水位與相對不透水層相交處。壩體及壩基防滲采用灌漿處理，上游排灌漿采用水泥黏土灌漿，下游采用化學(xué)灌漿。

4.2 方案比選

根據(jù)工程特點(diǎn)，防滲處理選擇水平防滲和垂直防滲兩種方式進(jìn)行比選，詳見表1。

表1 防滲方案比選

表1分析結(jié)果表明，酸性水庫抽干的難度較大，水平防滲施工難度大，工期不能滿足要求，且基坑被淹的風(fēng)險大，施工質(zhì)量難以保證，因此不具備水平防滲的條件；水庫庫區(qū)封閉性較好，垂直防滲施工難度較小，防滲線路短，防滲效果好，具備實(shí)施垂直防滲的條件。

4.3 “垂直防滲”方案

在上述兩種方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選的基礎(chǔ)上確定采用“垂直防滲”方案，垂直防滲布置如圖4所示，方案布置具體如圖5所示。

圖4 垂直防滲布置示意圖

圖5 壩體防滲布置

常見的垂直防滲包括防滲墻、化學(xué)灌漿、水泥化學(xué)復(fù)合灌漿等，混凝土防滲墻的防滲性能可達(dá)1×10-8cm/s，適用于壩體、覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖防滲?；瘜W(xué)灌漿或水泥化學(xué)復(fù)合灌漿，其防滲性能可滿足不大于1×10-7cm/s，可適用于壩體、覆蓋層及基巖灌漿[3-4]。防滲墻和水泥灌漿采用高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，以解決酸性環(huán)境下的腐蝕問題，化學(xué)灌漿膠凝或固化后形成有機(jī)材料，具有良好的抗酸性。

大壩防滲軸線沿上游高程110 m馬道布置，在馬道與兩岸相交處沿山體折向壩頂，然后沿壩軸線向兩岸山體延伸至最高洪水位與相對不透水層相交處。高程110 m馬道、馬道至壩頂段設(shè)置混凝土壓漿板；壩頂兩岸山體設(shè)置灌漿平洞(3 m×3.5 m城門洞型)。壩體及壩基防滲采用灌漿處理，灌漿共布置3排，排距0.8 m，孔間距為1.2 m。上游1排采用水泥黏土灌漿，下游2排采用化學(xué)灌漿。灌漿底線按深入巖體滲透系數(shù)1×10-7cm/s線以下2 m控制。馬道至壩頂間上游壩面鋪設(shè)2 mm HDPE土工膜防滲，滲透系數(shù)K≤10-12cm/s。

防滲軸線與排水洞相交處，布設(shè)5排壩體灌漿，灌漿伸至涵管結(jié)構(gòu)頂部1.0 m，以確保防滲帷幕與涵管管身銜接的可靠性；涵管底部布置基巖帷幕灌漿孔，孔深與其他部位相同。對排水洞(排水豎井、排水管)局部裂縫化學(xué)灌漿封堵，底部混凝土清理鑿毛后用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，洞身內(nèi)壁1.5 m高度以下涂刷氟碳防腐處理[5-8]。

5 結(jié)論與建議

1)對庫區(qū)底泥和周邊地下水開展環(huán)境風(fēng)險調(diào)查，表明酸性水庫庫區(qū)底泥防滲性能較好，地下水監(jiān)測井水質(zhì)未受酸性水質(zhì)明顯影響，但壩址區(qū)存在壩體、壩基、繞壩滲漏以及排水洞滲漏，為鞏固水庫防滲能力，提升滲漏風(fēng)險控制水平，需加強(qiáng)大壩的防滲能力。

2)通過方案比選，對在運(yùn)行的酸性水庫防滲治理采用水平防滲存在施工難度大、施工質(zhì)量難以保證等問題，而采用垂直帷幕灌漿可達(dá)到1×10-7cm/s的防滲要求，且注漿材料滿足相關(guān)環(huán)保的要求，充分滿足降低壩區(qū)滲流量及其中污染物質(zhì)對地下水環(huán)境影響的要求。

3)建議開展庫區(qū)地下水持續(xù)跟蹤監(jiān)測預(yù)警工作，跟蹤地下水環(huán)境的監(jiān)測評估。