某鈾礦廢石場地下水截滲墻設計

安 梅

(西安中核藍天鈾業(yè)有限公司，陜西 西安 710500)

某硬巖鈾礦床的廢石場，未修建截排洪溝等雨污分流設施，也未鋪設土工膜等防滲設施。在雨水浸蝕下，廢石滲出水浸入地下水中，并從地勢較低的部位冒出，匯入2號水塘，造成地下水和2號水塘pH、鈾、氟、錳等超標，影響生態(tài)環(huán)境。為防止污染地下水，提出了截滲墻與集水井的設計方案。

截滲墻是水利工程中普遍采用的防滲處理設施。截滲墻技術(shù)主要有2種：一種是水泥土截滲墻技術(shù)，造價較低；另一種是混凝土截滲墻技術(shù)，造價較高。水泥土截滲墻技術(shù)是利用多頭、小直徑深層攪拌機把水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土，以水泥為固化劑，固化劑與土體之間發(fā)生物理化學反應，使土體固結(jié)成具有良好整體性、穩(wěn)定性、不透水性，并具有一定強度的水泥土截滲墻，以達到截滲目的。混凝土截滲墻技術(shù)是在地面開挖溝槽或以泥漿固壁連續(xù)造孔，澆筑混凝土，筑成具有防滲性能的地下連續(xù)墻。

根據(jù)該鈾礦前期治理尾礦庫底部滲水的工程經(jīng)驗[1]，本工程截滲墻及集水井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),截滲墻及集水井位于廢石場攔渣壩的上部。

1 工程地質(zhì)狀況

擬建工程場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬江南古陸南側(cè)，華夏古陸北緣，即跨越2個一級構(gòu)造單元，中部為錢塘江凹陷地帶，總的地勢特征為南、北高，中部低，西部高，東部低，自西向東逐漸展寬。境內(nèi)平原占15%，丘陵占36%，山地占49%。北部為千里崗山脈，西部為懷玉山脈，南部為市內(nèi)最大山脈仙霞嶺山脈，全市最高點為江山市的大龍崗，海拔1 500 m[2]。

本次勘察沿擬建截滲墻中心線(截滲墻長度約60 m)布置了3個勘探鉆孔，勘探孔布置平面位置如圖1所示。

1.1 場地環(huán)境與工程地質(zhì)條件

1.1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)域地層主要為侵蝕性丘陵堆積區(qū)地貌，地層發(fā)育不全，只揭露了侏羅紀地層(J)、全新統(tǒng)沖積層(Q4al)、人工填土層。侏羅紀地層(J)巖性為紅褐、灰白、灰黑色火山巖；全新統(tǒng)沖積層(Q4al)巖性為碎石土層，分布于擬建場地山腳沖溝內(nèi)；人工填土層由細砂及卵石等組成，分布于地表。

地質(zhì)構(gòu)造主要為侵蝕堆積丘陵區(qū)，區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，表層褶皺強烈。在其附近通過的區(qū)域斷裂，南緣有常山—漓渚大斷裂及江山—紹興深斷裂，北緣有開化—臨安斷裂。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，在燕山期及以前的地質(zhì)年代里，構(gòu)造活動強烈；到喜山期逐漸趨于穩(wěn)定。地殼運動主要表現(xiàn)為升降運動，從上更新世以來，地殼基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對勘察區(qū)影響圈的構(gòu)造主要為：1)常山—漓渚大斷裂，位于江山—紹興深斷裂西北，南端延入閩東北，北經(jīng)金衢盆地北緣、浦江，至紹興附近，被第四系掩蓋；2)衢州—天臺大斷裂，該斷裂西起常山之北，通過金衢盆地中南部，至永康象珠轉(zhuǎn)向NEE，然后再度沿東西向延伸至天臺；3)江山—紹興深斷裂，大致沿浙贛鐵路線呈北東向展布，向南延伸與西萍鄉(xiāng)—廣豐深斷裂連接，北東經(jīng)江山穿越金衢盆地，貼靠金華大山南緣直抵紹興富盛，繼續(xù)北上潛越杭州灣。

上述3條斷裂與擬建場地距離較遠，不會對擬建建筑物產(chǎn)生危害，擬建場地穩(wěn)定性好。

1.1.2 水文與氣象

該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，具有四季分明、冬夏長春秋短、光溫充足、降水豐沛但季節(jié)分配不均的氣候特征。常年平均氣溫17.3 ℃，1月平均氣溫4.5～5.4 ℃，7月平均氣溫27.6～29.2 ℃。無霜期251～261 d。每年3～6月為多雨期，多年平均年降水量為1 700 mm。夏季多暴雨、大暴雨、冰雹、雷雨大風等災害天氣。全年風向沿江平原地區(qū)為東北風和東北偏東風，山區(qū)地形復雜，風向較亂。

1.1.3 地形、地貌及環(huán)境條件

場地四面為丘陵，南高北低，東高西低，地形微起伏。擬建場地高程159.12～159.56 m。

1.1.4 場地巖土構(gòu)成與特征

根據(jù)鉆探揭露，結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果綜合分析，在本次勘察深度范圍內(nèi)的地層，按其成因類型、沉積年代可分為人工堆積層、第四系全新統(tǒng)沖積層及侏羅紀地層。地基土按成因和物理力學特征自上而下分為3個工程地質(zhì)層，第3層又分為2個地質(zhì)亞層，各地層的頂板埋深、厚度、空間分布、巖土特征、工程性質(zhì)詳見表1。

1.1.5 場區(qū)水文地質(zhì)條件

經(jīng)鉆探揭露，場區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)上層滯水及地下水，不存在地下水補、逕、排條件及水位動態(tài)變化規(guī)律。

1.2 巖土參數(shù)統(tǒng)計

動探均采用自動落錘，異常值的剔除采用置信區(qū)間法即(μ+3σ)法則。各土層重型動力觸探試驗均按孔進行統(tǒng)計，各土層物理力學指標的變異等級一般屬低至中等，數(shù)據(jù)離散性不大。承載力特征值及壓縮模量依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》(GB 50007—2011)及《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》(DB 33/1001—2003)等進行計算[3-4]。地基承載力特征值、壓縮模量見表2。

表2 地基承載力特征值、壓縮模量Table 2 Characteristic values and compression modulus of foundation bearing capacity

2 巖土工程分析評價

2.1 場地穩(wěn)定性及適宜性評價

擬建場地在控制深度范圍內(nèi)，無溶洞、土洞、滑坡、斷層、沖溝等影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，該場地巖土種類較多，分布較均勻，工程性質(zhì)較穩(wěn)定，根據(jù)《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(CJJ 57—2012)判定該場地穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，該工程建設適應性為較適宜[5]。

2.2 場地地震效應評價

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，擬建場地為Ⅱ類場地，地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期值0.35 s，場地地震烈度為Ⅵ度[6]。

經(jīng)計算，GK-03孔在中風化斑巖層以上的等效剪切波速值為201 m/s，該場區(qū)屬建筑抗震的一般地段[7]；該場地的覆蓋層厚度為4.8 m，場地類別為Ⅱ類。根據(jù)《建筑抗震設防分類標準》，擬建物屬丙類建筑物，擬建物抗震設防類別為丙類(標準設防)[8]。

2.3 場地土、地下水對工程影響評價

根據(jù)場地氣候條件及巖土的透水特性等條件綜合判定本場地環(huán)境類型為Ⅱ類。本次勘察未揭露上層滯水及地下水，區(qū)域水文地質(zhì)資料結(jié)果表明，地表水以上土層對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。設計施工時，應考慮雨季對工程施工的影響，可采用排水溝、集水井匯集滲水進行抽排。

2.4 地基分析評價

2.4.1 地基穩(wěn)定性及均勻性評價

擬建場地上部為雜填土層，堆填時間短，成分復雜，均勻性較差，力學性質(zhì)變異性大；第②層碎石土，局部分布，均勻性較差，層位不穩(wěn)定，厚度較小，工程地質(zhì)條件較差；第③-1層強風化斑巖，全場分布，分布穩(wěn)定，均勻性較好；第③-2層中風化斑巖，全場分布，分布穩(wěn)定，均勻性好。該場地整平后，場地周邊無邊坡，基礎(chǔ)持力層以下無暗井、土洞、防空洞等不利埋藏物，且分布穩(wěn)定，綜合判定該場地地基穩(wěn)定。

2.4.2 地基土工程性能評價

第①層為雜填土，不宜作為基礎(chǔ)持力層，應予以清除。第②層承載力特征值為160 kPa，均勻性差，層位不穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件較差，不可作擬建建筑物基礎(chǔ)持力層。第③-1層承載力特征值為300 kPa，層位穩(wěn)定，薄層狀，工程地質(zhì)條件一般，可作擬建建筑物基礎(chǔ)持力層。第③-2層地基承載力特征值為1 000 kPa，層位穩(wěn)定，厚層狀，工程地質(zhì)條件好，適宜作擬建建筑物基礎(chǔ)持力層。

2.4.3 地基基礎(chǔ)方案

擬建截滲墻以第③-2層中風化斑巖層為持力層，進入中風化層1 m及以上，均勻性好，層位穩(wěn)定，厚度大，力學性質(zhì)較好，適宜采用筏板基礎(chǔ)方案。

建筑物變形特征分析：根據(jù)同一基礎(chǔ)型式采用同一持力層的原則，擬建截滲墻以第③-2層中風化斑巖層為持力層，采用筏板基礎(chǔ)型式，預測擬建建筑物不會產(chǎn)生大的沉降及差異沉降，方案可行。

3 截滲墻設計

截滲墻的設計應考慮截滲墻的滲透性、穩(wěn)定性和耐久性。截滲墻及集水井平面布置、截滲墻橫斷面、基槽回填要求，如圖2～4所示。

圖2 截滲墻及集水井平面布置圖Fig. 2 Layout of seepage cut-off wall and collecting well

3.1 截滲墻滲透性設計

在滲透性方面，通過分析巖土工程報告，了解土層分層與特性、地表坡積層和風化殼厚度、基巖位置、風化及裂隙發(fā)育等，了解坡積層和風化裂隙的滲透性、富水性和淺層地下水情況。

本工程的第③-2層(中風化斑巖層)，分布穩(wěn)定，滲透性差，截滲墻底部位于該土層，可滿足低滲透性的要求。截滲墻迎水側(cè)采用透水性好的材料回填，地表及底部采用黏性土回填，壓實系數(shù)不小于0.94，阻斷地表水下浸，地下水外滲。滲水層采用卵石+粗砂回填，先鋪填卵石層，然后灌入粗砂灌實，讓地下水快速滲流到集水井中。背水側(cè)采用基槽開挖的強風化斑巖和中風化斑巖回填，壓實系數(shù)不小于0.90。

圖3 截滲墻橫斷面圖Fig. 3 Cross section map of cut-off wall

圖4 基槽回填示意圖Fig. 4 Scheme of foundation bench backfill

3.2 截滲墻穩(wěn)定性設計

截滲墻及集水井位于廢石場攔渣壩的上部，截滲墻及集水井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

截滲墻強度和裂縫寬度參照懸臂式擋土墻進行計算，根據(jù)《邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，取如下相關(guān)計算參數(shù)：填土內(nèi)摩擦角為30°；填土黏聚力為0；填土容重為19 kN/m3；填土表面與水平面的夾角為0°；擋土墻墻背與水平面夾角為90°；墻背平滑，土對墻背的摩擦角為0°；地表均布荷載標準值為10 kN/m2[9]27；混凝土強度等級為C30；混凝土抗?jié)B等級為P6；混凝土軸心抗壓強度標準值為20.1 N/mm2，設計值為14.3 N/mm2；混凝土軸心抗拉強度標準值為2.01 N/mm2，設計值為1.43 N/mm2；混凝土彈性模量為3.0×l04N/mm2；混凝土泊松比為0.2；混凝土墻體容重為25 kN/m3；鋼筋級別為HRB400，其屈服強度、極限強度標準值均為400 N/mm2；鋼筋抗拉強度、抗壓強度設計值均為360 N/mm2；鋼筋彈性模量為2.0×105N/mm2；鋼筋保護層厚度為50 mm[10]19。

采用理正擋土墻設計軟件進行計算。

3.2.1 滑動/傾覆穩(wěn)定性驗算

因截滲墻基礎(chǔ)嵌入第③-2層(中風化斑巖層)1.5 m，不存在基礎(chǔ)滑動，滑動穩(wěn)定性滿足要求；不存在擋土墻傾覆，傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.2 地基應力驗算

墻趾處、墻踵處地基承載壓應力分別為-93.584 kPa和0 kPa，地基平均承載壓應力為134.624 kPa，均小于1 000 kPa，滿足要求。

3.2.3 強度驗算

墻趾板、墻踵板強度驗算，結(jié)果見表3。選取距離墻頂1.35、2.70、4.05、5.40 m處立墻截面進行強度驗算，結(jié)果見表4。

表3 墻趾板、墻踵板強度驗算結(jié)果Table 3 Strength calculation results of toe plate and heel plate

表4 立墻截面強度驗算結(jié)果Table 4 Checking results for cross section strength of vertical wall

截滲墻厚度為0.5 m，高度約6.0 m，長度約58.8 m，頂部位于地表以下0.5 m處。截滲墻基礎(chǔ)嵌入第③-2層(中風化斑巖層)1.5 m。綜合考慮截滲墻的強度和變形(裂縫)等因素，截滲墻穩(wěn)定性設計滿足要求。

3.3 截滲墻耐久性設計

由于滲水具有弱酸性，地表水以上土層對混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》(GB/T 50046—2018)，對鋼筋混凝土的腐蝕性等級為弱腐蝕[11]。截滲墻混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為五類[10]13，施工時應嚴格控制水灰比、氯離子和堿含量。

截滲墻及集水井采用樹脂防腐措施。具體做法：基層清理，聚合物水泥砂漿局部找平，2 mm厚環(huán)氧樹脂隔離層，環(huán)氧封面料2遍。集料選用石英砂骨料和粉料，增強材料選用玻璃纖維布。樹脂類材料配比及施工，嚴格按施工圖設計及國家現(xiàn)行施工規(guī)程、規(guī)范和標準要求執(zhí)行，確保樹脂玻璃鋼防腐層的質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過分析結(jié)構(gòu)特點、荷載情況、場地工程地質(zhì)特點及巖土工程勘察技術(shù)要求，確定了截滲墻合理的持力層，并選擇筏板基礎(chǔ)型式。設計的截滲墻工程于2019年5月建成，實踐表明截滲墻發(fā)揮了很好的截滲作用，具有良好的穩(wěn)定性、耐久性。