周斌

(萬寶礦產有限公司， 北京 100053)

1 礦山概述

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

S坑東部邊坡分布有第四系洪沖積層（Qhapl）強含水層，走向長度為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坑內酸性廢石回填標高的上升，坑內酸性水的水位標高抬升，當坑內水位升到 545 m 平臺以上時，酸性廢水會通過彌散和滲流等方式進入邊坡強含水層，對地下水、河流和土體造成污染。為保護當?shù)丨h(huán)境，實現(xiàn)礦山綠色無害開采，需對 S坑東部邊坡滲漏進行治理，建造低滲透性防滲墻以阻隔S坑內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，澳大利亞KP公司初步對S坑北面535至575的透水層進行了封堵方案設計，方案中提出在滲水的邊坡鋪設厚度為21 m的黏土墻作為防滲墻，本研究對該防滲墻的厚度進行了優(yōu)化。

2 水文地質條件

2.1 含水層特征

根據現(xiàn)場踏勘和滲水點出露情況調查，含水層位于S坑邊坡北側至東南側，長約1500 m，高從S535至S575出露，約40 m。

對S坑含水層上下地層展開了巖土工程勘察，結果表明，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黏土、臺地沖積層、Kangon組（泛濫平原沖積層）、基巖-安山質斑巖，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相對較淺的位置，并與欽敦江和雅瑪河相連。上部為級配良好的中細砂，下部為粗-礫質砂，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，為了簡化分析，將其與黑棉土層合并，整個地層共為4層。S坑含水層上下地層的現(xiàn)場勘察結果表明，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)讟烁?，需查明含水層地層與上下地層之間的界限。對含水層開展了 15個點的坑探工作和滲水點觀察，確定了含水層（松散砂礫石層）頂板標高為552.68～575.515 m，底板標高為545～573 m，由北向南逐漸變薄，并在東南部尖滅。

2.2 水文地質評估

根據SK監(jiān)測鉆孔地下水位數(shù)據和礦區(qū)周邊村井監(jiān)測數(shù)據、地下水等值線顯示，區(qū)域地下水流方向為東南方向。在S礦開采及排水作業(yè)中形成了一個發(fā)育良好的地下水位降落漏斗，導致地下水從含水層和雅瑪河向礦坑徑流。

根據雅瑪河水與含水層水質化驗結果表明，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坑為保證坑內酸性水不遷移至含水層，應建造防滲墻進行水力隔離。

含水層與雅瑪河及周邊地下水相連，雅瑪河水側向補給是S礦坑地下水補給的主要來源，其次為大氣降水及地表徑流。根據SK監(jiān)測鉆孔地下水位數(shù)據和礦區(qū)周邊村井監(jiān)測數(shù)據、地下水等值線顯示，區(qū)域地下水流方向為東南方向，在S礦開采中形成了一個發(fā)育良好的地下水位降落漏斗，導致地下水從含水層向礦坑徑流，肉眼可見礦坑北側和東側邊坡與含水層相交。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坑東北側邊坡滲水地質模型

S坑內水質監(jiān)測結果顯示，S坑內水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行封堵，每月和每季度對監(jiān)測孔中地下水的深度和質量進行取樣，并根據薄弱地點的參數(shù)進行測試。

3 防滲墻體材料試驗及方量估算

根據現(xiàn)場試驗，平均水平滲透率為1×10-9m/s作為壓實黏土的滲透系數(shù)要求。

3.1 礦區(qū)黏土土工試驗

對堆場區(qū)域進行黏土土壤取樣和滲透變形測試，試驗結果見表2。由表2可知，測試區(qū)域的黏土均滿足壓實黏土滲透率 1×10-9m/s和防滲墻黏土質量要求。

表2 土樣滲透變形試驗

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m3。前期KP公司對礦區(qū)西北部、東部區(qū)域黏土進行測試，合格黏土方量估算為177萬m3。因此，礦區(qū)內滿足封堵質量要求的黏土方量共計約為217萬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數(shù)值模擬

4.1 黏土最小防滲墻厚度

根據達西通量、擴散通量公式計算，在滿足世衛(wèi)組織飲用水標準水質閾值和國際金融公司礦山污水標準水質要求的前提下，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），并在此基礎上優(yōu)化黏土厚度，見表4。

表4 黏土墻最小厚度

根據表4計算的最小厚度，建議建造一個最小水平厚度為8 m和最小垂直厚度為6.5 m的黏土墻。

4.2 地下水數(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”進行地下水滲流評估。在防滲墻建造后，分析當坑內地下水水位分別為RL535 m、RL550.25 m、RL555.5 m和RL560 m時的間隔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方向，并估算流速和流量，其滲流分析結果見圖3和圖4。

圖3 瞬態(tài)下地下水滲流量和流動方向

圖4 不同地下水位時的滲透量變化曲線

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

4.2.2 黏土墻穩(wěn)定性分析

采用極限平衡法對低滲透土壤墻的穩(wěn)定性進行分析。對于黏性材料，穩(wěn)定性分析采用不排水抗剪強度參數(shù)。地下水位是采用地下水模擬數(shù)據結果。

如果在不排放坑內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，本設計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礦閉坑詳細設計》報告中防滲墻黏土平均最小厚度為21 m；經封堵方案優(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，使靠近含水層一側的空間（535水平～625水平）增加排土容量約為2600萬m3。

5.2 封堵優(yōu)化方案初步效益評價

（1）S坑含水層封堵工程增加了廢石排放量約2600萬m3，最少需征地面積約為36.83萬m2，按征地單價4942緬元/m2計算，所需的征地費用約為18.2億緬元，約為135萬美元。因此優(yōu)化方案節(jié)省了征地費用約為135萬美元。

（2）原設計的黏土墻封堵方案，其封堵工程費用約為500萬美元；優(yōu)化封堵方案中工程費用約為352萬美元，優(yōu)化后的封堵方案工程費用較原設計方案工程費用節(jié)約148萬美元。

（3）原設計的黏土墻方案中黏土使用量約為135萬m3，優(yōu)化的封堵方案中黏土使用量約為79.8萬m3；因此，較原設計節(jié)省了黏土用量約55.2萬m3，按照當前黏土采購價格估算2.35美元/m3，節(jié)省了黏土采購費用約為130萬美元。

綜上分析，該封堵優(yōu)化方案對比初步封堵設計方案可節(jié)約工程費用413萬美元。

6 結論

（1）依據達西通量、擴散通量公式計算，在滿足世衛(wèi)組織飲用水標準水質閾值和國際金融公司礦山污水標準水質要求的前提下，確定了黏土墻最小厚度，提出了壓實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（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，同時減少了黏土用量。