拜耳法赤泥“三維排滲筑壩”方法的研究

羅冬蘭，胡 虎

(1.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031)

1 概述

隨著全國各大鋁廠拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的產(chǎn)量不斷提高，對應(yīng)的拜耳法赤泥劇增。由于目前技術(shù)條件下，大量的赤泥得不到充分利用，如處理不妥，就會大面積地覆沒農(nóng)田和污染水系，嚴重的污染環(huán)境，同時，赤泥中往往還含有目前尚不能回收的金屬物質(zhì)，國內(nèi)各大鋁廠只能選定一個場所將赤泥露天堆存。傳統(tǒng)的拜爾法赤泥堆放是一次筑壩，形成赤泥庫后，往庫內(nèi)排放赤泥。該筑壩方式壩體工程量大或需要較大場地。

由于拜耳法赤泥天然含水量較高，天然重度較小，孔隙比較大，有很大的塑性，在外力作用下容易發(fā)生變形甚至出現(xiàn)液化，物理力學(xué)性能差，膠結(jié)性差，難以直接利用。

平果鋁廠通過實驗證明，自然干燥的原狀赤泥，及含水量在某一合適范圍內(nèi)的碾壓或擊實赤泥，遇水不松軟崩解。利用拜耳法赤泥的這一特性，平果鋁廠首次采用碾壓拜耳法赤泥堆筑子壩；貴州某鋁廠利用已建庫區(qū)內(nèi)干拜爾法赤泥堆筑擬建赤泥庫子壩；這些為拜爾法赤泥的堆放方式打開了新的方向。

拜爾法赤泥作為筑壩建筑材料使用，既可以廢物利用，又可減少赤泥堆場的筑壩成本。但是，目前國內(nèi)運行赤泥堆場的赤泥壩裂縫和下部干赤泥吸水重新飽和等問題，危及了壩的安全。而赤泥壩的安全穩(wěn)定性，不僅涉及了企業(yè)自身的生產(chǎn)安全，同時關(guān)系到周邊及其下游居民的生命財產(chǎn)的安危。因此，尋找有效的赤泥筑壩方法意義重大，可有效的將拜爾法赤泥變廢為寶。

本文提出了利用三維排滲、土工格柵加筋和輪流晾曬相結(jié)合的工藝，實現(xiàn)拜耳法赤泥安全快速筑壩，本文稱之為“三維排滲堆筑”法，并進行了相關(guān)實驗，為拜耳法赤泥筑壩在實踐中的運用提供了一定的參考依據(jù)。

2 “三維排滲堆筑”方法

“三維排滲堆筑”的思路是：在平地上四面筑初期壩圍成尾礦庫，初期壩內(nèi)側(cè)分區(qū)筑赤泥壩。初期壩對應(yīng)的庫容(本文稱之為初期庫容)使用完畢后，用初期庫容中自然晾干的赤泥往上四周做子壩，同時填補初期庫容，接著再四周內(nèi)側(cè)分區(qū)筑赤泥壩，如此循環(huán)。根據(jù)壩體的穩(wěn)定性和所需堆積的赤泥量，來決定堆積壩壩高和庫容大小。赤泥筑壩期間，利用了三維排滲和相鄰兩層赤泥堆體間鋪設(shè)的土工格柵加筋，加快了赤泥固結(jié)和增加了壩體穩(wěn)定，避免下部干赤泥吸水重新飽和。

2.1 赤泥排放

在赤泥壩區(qū)底部先鋪設(shè)一層碎石水平排滲層，再修筑縱橫向的碎石濾水堤，將壩面分成若干個小格，預(yù)埋垂直排滲井；將料管的出料口打開，赤泥交叉排放到各小格中。赤泥沉積在子壩區(qū)內(nèi)，子壩填充到3～5m，經(jīng)過10天晾曬后，再建新一級子壩。重復(fù)上述工作，直至堆積到設(shè)計高程。堆積壩的高度和壩面寬，主要取決于壩體穩(wěn)定和工程的經(jīng)濟性。

筑壩過程中，保持從壩址處到堆場中央形成一定的坡度，促使赤泥分離水和降雨時的雨水匯集到堆場中央，并在中心位置設(shè)置排水井。

2.2 三維排滲

在堆壩過程中，赤泥壩體內(nèi)，需分階段設(shè)置“垂直-水平三維排滲體”。水平排滲體和垂直排滲體(包括堆場中心處的排水井)是相通的，成為了一個排滲整體。 從一次堆筑赤泥壩的高度、穩(wěn)定和經(jīng)濟的角度，在赤泥堆體間，水平布置碎石排滲層。垂直排滲，主要是利用滲井，滲井的井管可用帶花孔的高分子聚合材料管(高密度聚乙烯管和聚丙烯管等)，管井外填以粗砂或碎石等濾料，或外包土工合成材料作反濾層。三維排滲體沿壩軸線方向、水平和垂直方向的間距，一般主要取決于赤泥堆積壩的外坡、堆積物料的物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)、赤泥壩的高度等。

三維排滲共同承擔(dān)加速排出赤泥分離水和雨水的任務(wù)，可避免因上部的赤泥分離水或雨水，通過赤泥干燥過程中產(chǎn)生的裂縫及裂隙下滲，導(dǎo)致下部已自然干燥的赤泥。因為重新吸水飽和，下部的一些赤泥層含水量高于上部赤泥；此外，赤泥的滲透性較差，可能會出現(xiàn)由于排水緩慢，致使堆場內(nèi)部赤泥長期被水浸泡，降低堆場內(nèi)赤泥的強度，破壞赤泥壩的穩(wěn)定性。

2.3 赤泥壩加固

由于排放的赤泥泥漿隨時間的增長，赤泥內(nèi)部水下滲、蒸發(fā)，含水量逐漸減小，赤泥本身壓縮固結(jié)，及堆場內(nèi)赤泥各方向的排放順序、時間不同，不均勻沉降等導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，影響著赤泥壩的穩(wěn)定。

在固結(jié)的赤泥子壩上，預(yù)先鋪設(shè)土工格柵加筋，再建新一級子壩，形成了赤泥纖維復(fù)合材料。一方面可以將分散性較高的粒狀赤泥組合為結(jié)構(gòu)體，達到提高赤泥整體性的作用；另一方面可以減小裂縫的發(fā)育和赤泥壩體垮塌的下滑力，增加了筑壩的安全度。另外，在赤泥發(fā)生膠凝時，形成了一定等級的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為壩體的永久穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。土工格柵加筋垂直方向的間距，可根據(jù)一次筑壩高度和壩體穩(wěn)定要求來確定。

這種筑壩方法的優(yōu)點是：無需專門碾壓設(shè)備；較適合北方平原地區(qū)。

3 實驗研究

3.1 試驗對象

試驗所選拜耳法赤泥屬粉質(zhì)粘土，紅褐色，土質(zhì)較均勻，不易析水、脫水和膠結(jié)，通常呈流塑-軟塑狀。天然含水量介于 48.2%～69.8%，平均值60.5%；天然重度介于 14.8～17.0kN/m3，平均值為 15.7kN/m3；孔隙比介于 1.383～1.901，平均值為 1.661；液限介于 55.3%～68.7%，平均值為 60.1%；拜耳法赤泥粒徑為 0.05～0.01mm占 5%，粒徑為0.01～0.005mm占 62%，粒徑<0.005mm占33%；滲透系數(shù)為 1.78×10-5～3.31×10-5。

由于拜耳法赤泥顆粒細，滲透性差，難于自然脫水沉積固結(jié)，脫水沉積與固結(jié)時間較長，經(jīng)6個多月時間觀察，試坑內(nèi)自然堆存赤泥僅表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，其下仍呈軟塑狀態(tài)。

3.2 試驗內(nèi)容

本試驗測試了拜爾法赤泥的工程力學(xué)性質(zhì)，并利用拜爾法赤泥三維排滲堆筑法堆筑堆放拜爾法赤泥。同時選了一個試驗坑，分別進行了相關(guān)的現(xiàn)場實驗，并通過實驗得出了在試驗坑中隨意堆放赤泥的狀態(tài)，和利用該法堆放的赤泥的強度指標(biāo)值。

實驗庫平地上，四面筑7m高防滲初期壩圍成尾礦庫，場地地勢四周高中心低，中心處預(yù)埋垂直排滲井，排除滲濾水和雨水；初期壩內(nèi)側(cè)底部防滲層上先鋪設(shè)一層碎石水平排滲層，再修筑縱橫向的碎石濾水堤，將赤泥堆場分成若干個小格，其間預(yù)先布設(shè)塑料花管碎石井垂直排滲，并與中心排滲井連接，形成三維排滲。打開料管的出料口，赤泥交叉排放到各小格。

赤泥沉積在堆場區(qū)內(nèi)時，分區(qū)填充，每填高到3.5m時，換區(qū)填充。分別自然晾曬10天后，再往上填充赤泥。至初期壩對應(yīng)的庫容用完，經(jīng)過每一區(qū)都至少10天自然晾曬后，在一級子壩區(qū)和對應(yīng)的堆場區(qū)上部鋪設(shè)碎石排水層，縱橫向修筑碎石慮水堤高3m。將一級子壩和堆場區(qū)分成若干格，在子壩區(qū)和堆場區(qū)內(nèi)延長和加設(shè)垂直排滲井，形成三維排滲。用已膠結(jié)的赤泥修筑一級子壩高3m，往赤泥庫中交叉排放赤泥，至庫滿，詳見圖1。

圖1 試驗庫剖面示意

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 試驗坑

由于拜耳法赤泥顆粒細，滲透性差，難于自然脫水沉積固結(jié)，脫水沉積與固結(jié)時間較長。經(jīng)8個多月時間觀察，試坑內(nèi)自然堆存赤泥僅表面呈出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，其下仍呈軟塑狀態(tài)。

3.3.2 試驗庫

本實驗分別對至少都經(jīng)過10d自然晾曬后的赤泥：初期壩對應(yīng)庫容赤泥①，一級子壩赤泥②，一級子壩對應(yīng)庫容內(nèi)的赤泥③。進行了3～5組抽樣，分別進行了相關(guān)的力學(xué)指標(biāo)測試，并得出各區(qū)赤泥的各項力學(xué)指標(biāo)的均值，結(jié)果如表1～3所示。

表1 抽樣固結(jié)赤泥①強度指標(biāo)取值

表2 抽樣固結(jié)赤泥②強度指標(biāo)取值

表3 抽樣固結(jié)赤泥③強度指標(biāo)取值

4 結(jié)語

通過對拜耳法赤泥進行三維排滲堆筑實驗，并進行強度指標(biāo)測試，表明了“三維排滲筑壩”法可以有效排出赤泥中分離水和雨水，加速赤泥的自然固結(jié)，其強度指標(biāo)在短時間內(nèi)得到大大提高，滿足筑壩條件，加快了赤泥堆放的速度，能較好滿足鋁廠排放的需求。該法節(jié)省堆場空間，可以省去赤泥碾壓或擊實設(shè)備，可減少堆場筑壩成本。本研究為拜耳法赤泥快速堆放在實踐中的運用提供了一定的借鑒。

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