赤泥尾礦庫(kù)氣驅(qū)排滲降水試驗(yàn)研究

汪 泉 付文堂 邢愛國(guó) 劉 寧 吳泉澳

（1.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.吉林省華冶環(huán)境治理有限公司，吉林 龍井 133400；3.上海勝義環(huán)境科技有限公司，上海 200240）

赤泥尾礦庫(kù)是在氧化鋁生產(chǎn)過程中用于儲(chǔ)存各類金屬或非金屬礦山選礦后排出尾礦的場(chǎng)所，含鐵礦石較多時(shí)呈紅褐色，故名“赤泥”［1-3］。尾礦庫(kù)多采用上游式構(gòu)筑，受排礦方式影響，往往細(xì)粒夾層較多且滲透性較差，為確保并改善尾礦堆積壩的穩(wěn)定性，需降低壩體浸潤(rùn)線，加速赤泥脫水固結(jié)，故常采用降水排滲的方式加固尾礦庫(kù)［4-5］。目前尾礦庫(kù)常用的滲流控制措施有管井法、虹吸管法、輕型井點(diǎn)法、垂直—水平排滲系統(tǒng)、水平排滲井法、輻射井法，排滲管法和槽孔管法等，根據(jù)尾礦庫(kù)的實(shí)際情況可以選擇不同的排滲方式［6］。黃雯等［7］在楊家灣尾礦庫(kù)排滲加固實(shí)踐中采用輻射式排滲井，通過多層敷設(shè)水平濾管和壩體表面水平濾管聯(lián)合排滲工藝，提高了尾礦庫(kù)排滲能力，降低了壩體浸潤(rùn)線，確保了尾礦庫(kù)安全運(yùn)行。劉勝等［8］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)開發(fā)新型復(fù)合排滲管，優(yōu)化排滲管的排滲路徑，提高了排滲管的排滲能力和抗淤堵性能。龍騰等［9］采用垂直水平聯(lián)合自流排滲方式解決江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)尾礦庫(kù)安全問題，有效地保證了壩體穩(wěn)定性。由于尾礦庫(kù)滲流場(chǎng)的復(fù)雜性，想實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效排滲并不容易［10］。因此，一種新型氣驅(qū)排滲技術(shù)被提出并已在實(shí)際工程中得到使用。

氣驅(qū)排滲在垂直排滲工法基礎(chǔ)上引入了氣驅(qū)系統(tǒng)與槽孔管，具有良好的排滲效果，目前對(duì)于氣驅(qū)排滲的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。本項(xiàng)目以澳大利亞Yarwun赤泥堆場(chǎng)排滲加固工程為研究背景，采用氣驅(qū)系統(tǒng)以及槽孔管等新型排滲設(shè)備開展了氣驅(qū)排滲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。利用孔壓靜力觸探（CPTU）及室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定赤泥堆場(chǎng)地層信息與土體性質(zhì)，對(duì)降水過程中涌水量和孔隙水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過對(duì)比排滲前后赤泥物理力學(xué)性質(zhì)的變化，探討了新型氣驅(qū)排滲對(duì)赤泥尾礦庫(kù)的加固效果。

1 氣驅(qū)排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所使用的新型氣驅(qū)排滲，是在垂直排滲的基礎(chǔ)上引入氣驅(qū)系統(tǒng)和槽孔管，最高可以在排滲井中產(chǎn)生0.1 MPa的真空負(fù)壓，加速孔隙水的析出，提高降水效率，加固尾礦庫(kù)。

如圖1所示，垂直排滲井采用雙管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管降水設(shè)備由高壓進(jìn)氣管、出水管和進(jìn)水管三部分構(gòu)成。高壓進(jìn)氣管是氣驅(qū)系統(tǒng)的重要組成部分，其底部伸入進(jìn)水管，當(dāng)輸入的高壓氣體通過進(jìn)水管時(shí)會(huì)在管底產(chǎn)生較高的真空負(fù)壓，傳遞到土層后形成一定范圍的真空滲流場(chǎng)，加速孔隙水的滲流，源源不斷地吸入孔隙水，形成向上移動(dòng)的水氣混合物。進(jìn)水管采用直徑較小的槽孔管，外包與土層粒徑配套的不銹鋼網(wǎng)作為反濾層，提高抗淤堵能力。出水管為?40 mm的實(shí)壁PE管，將水氣混合物輸送出井外。

氣驅(qū)排滲豎井外管構(gòu)造與管井相似，由井口、井壁管、槽孔管和沉砂段等部分組成。井口頂部通過活套法蘭焊接在一起，法蘭盤上留有高壓進(jìn)氣管口和出水管口，2個(gè)管道穿過法蘭盤伸入排滲井。井壁管材料可用鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管或塑料管等不透水管材制造，用于加固井壁。槽孔管結(jié)構(gòu)如圖2所示，普通過濾器滲流面積小，為了避免開孔過多造成淤堵，開孔率不得超過15%，而氣驅(qū)排滲槽孔管使用矩形滲流槽代替普通排滲管中的圓孔直接和尾礦接觸，可以擴(kuò)大滲流面積，斷面開12個(gè)槽，槽寬10 mm，為表面積的50%［10］。槽孔管外的不銹鋼網(wǎng)可以把土層中的粗顆粒阻隔在排滲管外，形成一個(gè)天然的反濾層，從而使得排滲管的影響范圍擴(kuò)大。這種結(jié)構(gòu)使排滲管在不增加管周碎石導(dǎo)排層的情況下實(shí)現(xiàn)高效排滲，可為地基深層安裝排滲管創(chuàng)造條件。沉砂段接在槽孔管下面，用于沉淀進(jìn)入排滲井的砂礫和來(lái)自地下水的固體顆粒。

2 氣驅(qū)排滲降水試驗(yàn)

2.1 赤泥堆場(chǎng)地質(zhì)特征

試驗(yàn)場(chǎng)地位于澳大利亞Yarwun赤泥堆場(chǎng)內(nèi)，如圖3所示。

赤泥是一種紫紅色的固體顆粒，從巖土體性質(zhì)來(lái)看，相當(dāng)于一種類黏性土回填物，顆粒極細(xì)，含水時(shí)呈軟塑—流塑淤泥質(zhì)狀態(tài)。室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

可以看出赤泥土樣的密度、壓縮模量隨著固結(jié)壓力的增大而增大，孔隙比以及滲透系數(shù)隨著壓縮模量的增大而減小，壓縮指數(shù)不隨固結(jié)壓力變化。固結(jié)壓力在100～200 kPa時(shí)，壓縮指數(shù)大于0.4，滲透系數(shù)也小于10-7m/s，屬于典型的高壓縮性低滲透性土。

采用孔壓靜力觸探法（CPTU）對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地土層進(jìn)行測(cè)試，根據(jù) Robertson［11］提出的 SBT 圖法，引入了SBT指數(shù)Ic劃分土層。如圖4所示：場(chǎng)地①層主要為粉質(zhì)黏土，錐尖阻力變化較大，Ic≤2.6，土質(zhì)不均勻，含少量粉砂混合，厚度為5 m；②層為淤泥質(zhì)黏土，錐尖阻力小，2.6＜Ic＜3.5，含少量粉質(zhì)黏土混合，厚度為25 m。圖4（c）中u2是由錐肩處測(cè)得的貫入孔壓，地下深度2 m以上孔壓基本為0，推測(cè)地下水深度為地下2 m，u0是以地下水位埋深為2 m畫出的靜水壓力曲線?？梢钥闯龀嗄嘧陨隙戮嬖诔紫端畨毫?，土層并未固結(jié)完全，且一直處于飽和狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)方案

在澳大利亞Yarwun赤泥堆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)氣驅(qū)排滲試驗(yàn)，歷時(shí)30 d結(jié)束，試驗(yàn)布置如圖5所示。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置4口排滲井，編號(hào)為W1～W4，井徑均為200 mm，井深分別為22 m、22 m、19.9 m和20.7 m。降水過程中采用自動(dòng)化水表進(jìn)行涌水量的統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)頻率為每30 min一次，水量平衡后每2 h觀測(cè)一次，觀測(cè)精度為±0.01 m3。WP1～WP3為孔隙壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在各測(cè)點(diǎn)深度為6 m、10 m和15 m位置分別安裝孔隙水壓力計(jì)，觀測(cè)孔隙水壓力變化，觀測(cè)頻率為4次/d，觀測(cè)精度為±1 kPa。CPTU1和CPTU2為靜力觸探測(cè)試點(diǎn)，分別進(jìn)行了排滲前和排滲后2組孔壓靜力觸探試驗(yàn)，通過對(duì)錐頭貫入深度土層的工程參數(shù)分析，可得到降水排滲前后土體強(qiáng)度的變化情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析與討論

3.1 日涌水量變化

單井及總體日涌水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，4口井總?cè)沼克砍尸F(xiàn)緩慢下降至穩(wěn)定的規(guī)律，在降水幾天后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，這說(shuō)明排滲管滲流狀態(tài)良好，槽孔管起到了良好的排滲效果。單井日涌水量在降水前期緩慢下降，因?yàn)槌嗄嗪吭陔S降水持續(xù)時(shí)間而減小，導(dǎo)致了涌水量降低，同時(shí)排滲井附近的土體隨著孔隙水的排出被固結(jié)壓密，孔隙比減小，滲透系數(shù)降低，進(jìn)一步限制了孔隙水的析出。

3.2 孔隙水壓力變化

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示?？紫秹毫χ稻S著降水持續(xù)時(shí)間而下降，孔隙水壓力的消散主要是由于水位下降引起的，氣驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)生的真空負(fù)壓在排滲井周圍一定區(qū)域內(nèi)形成真空滲流場(chǎng)，使得排滲井與周圍土體存在壓強(qiáng)差，在壓強(qiáng)差作用下，赤泥中孔隙水加速排出，導(dǎo)致地下水位下降［12］?？紫秹毫ψ兓梢苑从撑艥B井降水的影響半徑以及井中真空度沿深度的變化規(guī)律。由圖7可見，同深度下孔隙壓力在WP1與WP2處變化明顯，在WP3處變化很小，說(shuō)明排滲井降水影響對(duì)距離排滲井較遠(yuǎn)的WP3測(cè)點(diǎn)作用小，4口排滲井的影響半徑約為WP3測(cè)點(diǎn)到4口排滲中心位置距離（10 m）。對(duì)比不同深度孔隙壓力在排滲降水30 d后的變化，WP1測(cè)點(diǎn)在6 m、10 m以及15 m深度的孔壓分別下降了5.4 kPa、12.6 kPa和15.4 kPa，WP2測(cè)點(diǎn)的孔壓分別下降了7.9 kPa、15.6 kPa和21.6 kPa，同一個(gè)測(cè)點(diǎn)孔隙壓力的減小幅度在隨著深度增加而增加。這說(shuō)明，深部土層受到真空滲流場(chǎng)的影響顯著，真空度在隨著深度遞增，這樣深層真空負(fù)壓大，更有利于深層地基的排滲加固。

4 加固效果分析

為評(píng)價(jià)氣驅(qū)排滲的加固效果，對(duì)場(chǎng)地的加固效果進(jìn)行前后對(duì)比CPTU試驗(yàn)［13-14］。

赤泥堆場(chǎng)在降水前后錐尖阻力和摩阻比的變化情況如圖8所示。從加固前后場(chǎng)地錐尖阻力與摩阻比的變化來(lái)看，土層的錐尖阻力明顯增加，而總的摩阻比在減小，說(shuō)明土體性質(zhì)有所改善，地基得到加固。此外，對(duì)于地下22 m深度以上土層，隨著深度增加，錐尖阻力變化幅度逐漸增加，深層的加固效果要優(yōu)于淺部土層，因?yàn)闅怛?qū)排滲產(chǎn)生的真空負(fù)壓從上往下逐漸增加，深層真空度大，加固效果好。在22 m深度以下土層的錐尖阻力變化很小，這是由于氣驅(qū)排滲井的最大長(zhǎng)度為22 m，排滲加固效果在地下前22 m體現(xiàn)比較明顯，而摩阻比仍在減小，說(shuō)明在地下22 m深度以下土層也得到了加固。

赤泥堆場(chǎng)在降水加固前后的不排水抗剪強(qiáng)度變化如圖9所示，由圖9可見，其規(guī)律與錐尖阻力的變化情況一致。結(jié)合表2定量分析，赤泥土的不排水強(qiáng)度在不同深度有不同幅度增加，地下5 m和15 m深度土層在降水排滲后的最終強(qiáng)度提高幅度達(dá)65.9%、67.8%，說(shuō)明利用氣驅(qū)排滲降水對(duì)地基加固起到了良好的作用。滲透系數(shù)總體在減小，因?yàn)橥馏w發(fā)生固結(jié)壓縮，隨著孔隙比的減小而減小。雖然不排水抗剪強(qiáng)度在地下25 m增加幅度不大，但有效應(yīng)力增加了33%，滲透系數(shù)減小了50%，說(shuō)明氣驅(qū)排滲降水對(duì)于超出排滲井深度的土層加固效果也比較顯著。

5 結(jié)論

利用孔壓靜力觸探試驗(yàn)和室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)對(duì)澳大利亞Yarwun赤泥尾礦庫(kù)的地層信息與土體性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，采用新型氣驅(qū)排滲技術(shù)進(jìn)行降水試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

（1）澳大利亞Yarwun赤泥堆場(chǎng)采用的新型氣驅(qū)排滲降水工藝是在垂直排滲工法基礎(chǔ)上引入氣驅(qū)系統(tǒng)和槽孔管。氣驅(qū)系統(tǒng)可產(chǎn)生真空負(fù)壓，形成滲流場(chǎng)，增加排滲加固的深度；槽孔管可提高排滲井的抗淤堵能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定排滲。

（2）孔壓靜力觸探測(cè)試以及室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，赤泥尾礦庫(kù)上層為粉質(zhì)黏土，下層為淤泥質(zhì)黏土，屬于高壓縮性低滲透性土。

（3）日涌水量與孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，槽孔管保證日涌水量很快趨于穩(wěn)定，氣驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)生的真空負(fù)壓沿著排滲井自上向下遞增，深層赤泥中真空度大，有利于深層地基加固。

（4）現(xiàn)場(chǎng)CPTU在降水前后的原位測(cè)試表明，加固后不排水抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力明顯增加，滲透系數(shù)比加固前減小，對(duì)于深層土體的加固效果顯著。