某露天采坑酸性廢水透水層封堵方案優(yōu)化研究

周斌

(萬(wàn)寶礦產(chǎn)有限公司， 北京 100053)

1 礦山概述

緬甸蒙育瓦銅礦的薩比塘（Sabetaung）礦床（簡(jiǎn)稱“S 礦”）隸屬緬甸揚(yáng)子銅業(yè)有限公司，位于曼德勒以西約150 km處。S坑開采的底標(biāo)高為465 m，目前已閉坑，作為鄰近 K 礦的酸性廢石排土場(chǎng)，最終頂標(biāo)高為+720 m。排放到S坑的廢石含有金屬硫化礦物，經(jīng)氧化產(chǎn)生酸性水。坑內(nèi)水取樣化驗(yàn)，酸性廢水的pH值低，硫酸根離子、銅離子和鉛離子含量均高，對(duì)地下水具有較強(qiáng)的污染性。

S坑?xùn)|部邊坡分布有第四系洪沖積層（Qhapl）強(qiáng)含水層，走向長(zhǎng)度為1500 m。欽敦江和雅瑪河水通過該層向礦坑充水，涌水量約為600 m3/h。隨著S坑內(nèi)酸性廢石回填標(biāo)高的上升，坑內(nèi)酸性水的水位標(biāo)高抬升，當(dāng)坑內(nèi)水位升到 545 m 平臺(tái)以上時(shí)，酸性廢水會(huì)通過彌散和滲流等方式進(jìn)入邊坡強(qiáng)含水層，對(duì)地下水、河流和土體造成污染。為保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，實(shí)現(xiàn)礦山綠色無(wú)害開采，需對(duì) S坑?xùn)|部邊坡滲漏進(jìn)行治理，建造低滲透性防滲墻以阻隔S坑內(nèi)酸性水與透水層及其他區(qū)域地下水系統(tǒng)的聯(lián)系。

S礦坑在閉坑規(guī)劃時(shí)，澳大利亞KP公司初步對(duì)S坑北面535至575的透水層進(jìn)行了封堵方案設(shè)計(jì)，方案中提出在滲水的邊坡鋪設(shè)厚度為21 m的黏土墻作為防滲墻，本研究對(duì)該防滲墻的厚度進(jìn)行了優(yōu)化。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水層特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和滲水點(diǎn)出露情況調(diào)查，含水層位于S坑邊坡北側(cè)至東南側(cè)，長(zhǎng)約1500 m，高從S535至S575出露，約40 m。

對(duì)S坑含水層上下地層展開了巖土工程勘察，結(jié)果表明，礦山表層物料主要由覆蓋在殘余土上的崩積層/沖積層組成，殘余土覆蓋于風(fēng)化火成巖基巖之上，地層剖面見圖 1，主要包括：礦山廢石、黑棉土、黃灰色分散性黏土和黃灰色砂質(zhì)黏土、臺(tái)地沖積層、Kangon組（泛濫平原沖積層）、基巖-安山質(zhì)斑巖，主要含水層及其上下巖層滲透系數(shù)見表1。

圖1 含水層及上下地層剖面

表1 S坑含水層及其上下巖層的滲透系數(shù)

Kangon砂巖層為高滲透性巖層，位于地面以下約3～10 m相對(duì)較淺的位置，并與欽敦江和雅瑪河相連。上部為級(jí)配良好的中細(xì)砂，下部為粗-礫質(zhì)砂，滲透率為4×10-4～2×10-3m/s。

由于黃灰色分散性黏土與黑棉土具有相似的滲透性，為了簡(jiǎn)化分析，將其與黑棉土層合并，整個(gè)地層共為4層。S坑含水層上下地層的現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果表明，上下地層巖層一致，均可視為隔水層。

為確定防滲墻封堵的頂?shù)讟?biāo)高，需查明含水層地層與上下地層之間的界限。對(duì)含水層開展了 15個(gè)點(diǎn)的坑探工作和滲水點(diǎn)觀察，確定了含水層（松散砂礫石層）頂板標(biāo)高為552.68～575.515 m，底板標(biāo)高為545～573 m，由北向南逐漸變薄，并在東南部尖滅。

2.2 水文地質(zhì)評(píng)估

根據(jù)SK監(jiān)測(cè)鉆孔地下水位數(shù)據(jù)和礦區(qū)周邊村井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地下水等值線顯示，區(qū)域地下水流方向?yàn)闁|南方向。在S礦開采及排水作業(yè)中形成了一個(gè)發(fā)育良好的地下水位降落漏斗，導(dǎo)致地下水從含水層和雅瑪河向礦坑徑流。

根據(jù)雅瑪河水與含水層水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果表明，雅瑪河河水通過河床砂層、砂卵石層直接向S坑邊坡含水層補(bǔ)水，最終在礦坑與雅瑪河形成直接水力聯(lián)系。S坑為保證坑內(nèi)酸性水不遷移至含水層，應(yīng)建造防滲墻進(jìn)行水力隔離。

含水層與雅瑪河及周邊地下水相連，雅瑪河水側(cè)向補(bǔ)給是S礦坑地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源，其次為大氣降水及地表徑流。根據(jù)SK監(jiān)測(cè)鉆孔地下水位數(shù)據(jù)和礦區(qū)周邊村井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地下水等值線顯示，區(qū)域地下水流方向?yàn)闁|南方向，在S礦開采中形成了一個(gè)發(fā)育良好的地下水位降落漏斗，導(dǎo)致地下水從含水層向礦坑徑流，肉眼可見礦坑北側(cè)和東側(cè)邊坡與含水層相交。因此，邊坡滲漏水的主要水源及通道為雅瑪河水通過砂層、砂卵石含水層直接向S礦坑的東北部邊坡充水并流向礦坑，見圖2。

圖2 S坑?xùn)|北側(cè)邊坡滲水地質(zhì)模型

S坑內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，S坑內(nèi)水pH低，鉛、銅和硫酸鹽濃度較高，建議在S坑含水層露頭上建造防滲墻進(jìn)行封堵，每月和每季度對(duì)監(jiān)測(cè)孔中地下水的深度和質(zhì)量進(jìn)行取樣，并根據(jù)薄弱地點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

3 防滲墻體材料試驗(yàn)及方量估算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均水平滲透率為1×10-9m/s作為壓實(shí)黏土的滲透系數(shù)要求。

3.1 礦區(qū)黏土土工試驗(yàn)

對(duì)堆場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行黏土土壤取樣和滲透變形測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，測(cè)試區(qū)域的黏土均滿足壓實(shí)黏土滲透率 1×10-9m/s和防滲墻黏土質(zhì)量要求。

表2 土樣滲透變形試驗(yàn)

3.2 礦區(qū)黏土分布及其方量估算

區(qū)域黏土方量估算為40萬(wàn)m3。前期KP公司對(duì)礦區(qū)西北部、東部區(qū)域黏土進(jìn)行測(cè)試，合格黏土方量估算為177萬(wàn)m3。因此，礦區(qū)內(nèi)滿足封堵質(zhì)量要求的黏土方量共計(jì)約為217萬(wàn)m3，見表3。

表3 滿足封堵要求的黏土方量估算

4 黏土防滲墻厚度以及地下水?dāng)?shù)值模擬

4.1 黏土最小防滲墻厚度

根據(jù)達(dá)西通量、擴(kuò)散通量公式計(jì)算，在滿足世衛(wèi)組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)閾值和國(guó)際金融公司礦山污水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)要求的前提下，黏土墻能夠滿足防滲壽命至少為100 a的需求，可以取消復(fù)合襯墊隔障式防滲墻方案中的高密度聚乙烯土工膜（HDPE），并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化黏土厚度，見表4。

表4 黏土墻最小厚度

根據(jù)表4計(jì)算的最小厚度，建議建造一個(gè)最小水平厚度為8 m和最小垂直厚度為6.5 m的黏土墻。

4.2 地下水?dāng)?shù)值模擬

4.2.1 滲流分析

采用有限元法的滲流分析程序“SEEP/W”進(jìn)行地下水滲流評(píng)估。在防滲墻建造后，分析當(dāng)坑內(nèi)地下水水位分別為RL535 m、RL550.25 m、RL555.5 m和RL560 m時(shí)的間隔50 a、100 a和250 a的滲流瞬態(tài)條件，以觀察通過襯墊的水流動(dòng)方向，并估算流速和流量，其滲流分析結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 瞬態(tài)下地下水滲流量和流動(dòng)方向

圖4 不同地下水位時(shí)的滲透量變化曲線

由圖3、圖4可知，地下水流向和滲透時(shí)間隨地下水位變化而變化，坑內(nèi)水進(jìn)入含水層是有可能的，但通過監(jiān)測(cè)含水層和坑內(nèi)水位，這種可能性很小，在黏土墻建造完成后100 a內(nèi)，坑內(nèi)水不太可能滲出黏土墻之外。

4.2.2 黏土墻穩(wěn)定性分析

采用極限平衡法對(duì)低滲透土壤墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。對(duì)于黏性材料，穩(wěn)定性分析采用不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)。地下水位是采用地下水模擬數(shù)據(jù)結(jié)果。

如果在不排放坑內(nèi)回填廢石的情況下建造黏土墻，在這種情況下，短期安全系數(shù)約為1.39，如圖5所示，這大于短期靜載條件下要求的最小安全系數(shù)。因此，本設(shè)計(jì)的低滲透黏土墻的穩(wěn)定性滿足工程要求。

圖5 黏土墻穩(wěn)定性分析短期安全系數(shù)

5 研究成果及成效分析

5.1 主要研究成果

（1）降低了防滲墻黏土厚度。2015年《S礦閉坑詳細(xì)設(shè)計(jì)》報(bào)告中防滲墻黏土平均最小厚度為21 m；經(jīng)封堵方案優(yōu)化后，防滲墻黏土最小水平厚度為8 m，最小垂直厚度為6.5 m。

（2）增加了S坑排土容量。開展S坑含水層封堵方案研究，使靠近含水層一側(cè)的空間（535水平～625水平）增加排土容量約為2600萬(wàn)m3。

5.2 封堵優(yōu)化方案初步效益評(píng)價(jià)

（1）S坑含水層封堵工程增加了廢石排放量約2600萬(wàn)m3，最少需征地面積約為36.83萬(wàn)m2，按征地單價(jià)4942緬元/m2計(jì)算，所需的征地費(fèi)用約為18.2億緬元，約為135萬(wàn)美元。因此優(yōu)化方案節(jié)省了征地費(fèi)用約為135萬(wàn)美元。

（2）原設(shè)計(jì)的黏土墻封堵方案，其封堵工程費(fèi)用約為500萬(wàn)美元；優(yōu)化封堵方案中工程費(fèi)用約為352萬(wàn)美元，優(yōu)化后的封堵方案工程費(fèi)用較原設(shè)計(jì)方案工程費(fèi)用節(jié)約148萬(wàn)美元。

（3）原設(shè)計(jì)的黏土墻方案中黏土使用量約為135萬(wàn)m3，優(yōu)化的封堵方案中黏土使用量約為79.8萬(wàn)m3；因此，較原設(shè)計(jì)節(jié)省了黏土用量約55.2萬(wàn)m3，按照當(dāng)前黏土采購(gòu)價(jià)格估算2.35美元/m3，節(jié)省了黏土采購(gòu)費(fèi)用約為130萬(wàn)美元。

綜上分析，該封堵優(yōu)化方案對(duì)比初步封堵設(shè)計(jì)方案可節(jié)約工程費(fèi)用413萬(wàn)美元。

6 結(jié)論

（1）依據(jù)達(dá)西通量、擴(kuò)散通量公式計(jì)算，在滿足世衛(wèi)組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)閾值和國(guó)際金融公司礦山污水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)要求的前提下，確定了黏土墻最小厚度，提出了壓實(shí)黏土最小水平厚度為8 m，最小垂直厚度為6.5 m的黏土墻方案。

（2）S坑含水層封堵工程的建造，使得靠近含水層一側(cè)（S535-625水平）可以繼續(xù)排放廢石，增加了S坑今后排土容量，且節(jié)省了廢石排放所需的征地，同時(shí)減少了黏土用量。