露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一，近年来，露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐渐增加趋势(约15%)。露天煤矿在剥离、开采过程中，对生态环境造成了严重的破坏，其中，由于长期疏排水引起的地下水位下降、水环境污染、水资源浪费、土地沙化、植被种群改变等问题将严重制约露天煤矿的可持续发展。煤炭工业“十三五”发展规划指出，煤炭生产重点是建设安全绿色高效煤矿。采用截水帷幕技术对露天煤矿渗流补给通道进行帷幕截流，可达到减少矿坑疏排水量、保护矿坑外围生态环境、保障矿坑安全生产的目的，实现露天煤矿绿色、安全、可持续发展。
截水帷幕是目前广泛应用的一种基坑防渗水技术，由于我国露天煤矿工程地质与水文地质条件复杂、工程一次性投入费用大、工艺要求高等诸多原因，该技术并未在我国露天煤矿疏排降水工程中推广应用。近年来，随着帷幕技术的不断进步和施工工艺的不断发展，将该技术应用于我国露天煤矿的时机已经成熟。笔者以扎尼河露天煤矿为例，结合矿区工程地质与水文地质条件，采用4种帷幕技术沿煤层露头外围建造了一大型截水帷幕，有效拦截了矿坑北侧海拉尔河河水入渗矿坑，取得了显著的工程效果。
1 截水帷幕研究与应用现状
1.1 国外研究与应用现状
截水帷幕是用以阻隔或减少地下水通过基坑侧壁与坑底流入基坑和控制基坑外地下水位下降的幕墙状竖向截水体。这项技术起源于20世纪40年代的欧洲[1]，主要应用于建筑地基注浆、大坝防渗等领域;20世纪五六十年代，随着二战结束后的经济大发展取得了飞速进步，逐步在全世界范围内推广，1954年遍及欧洲各国，先后于1956—1959和1962年推广至南美、加拿大、中国、日本和美国，主要应用于水利水电和城市地下工程领域;1960年以后，在施工工艺、施工机械、泥浆材料和墙体浇筑材料等方面得到快速发展。近年来，国外学者[2-5]对该技术在不同领域不同地区的应用也有新的研究成果。
截水帷幕技术从20世纪60年代开始应用于国外露天矿山[6]，前东德、波兰和前苏联等国家率先研究了帷幕堵水工艺并在一些条件复杂的露天煤矿和金属矿山进行应用，取得了显著的帷幕截水效果。如前东德在劳尔兹、莱比锡及贝尔多夫等露天煤矿共修筑80 km长的帷幕，在杨斯瓦尔德露天煤矿为防止尼斯河河水渗入露天矿，修筑了长1 250 m的帷幕，使疏排水量减少40%;在科特布斯城东、城西开发的3个露天煤矿也采用帷幕堵水工艺用于保护城市建筑设施及布拉尼茨公园的宫殿和林木;波兰在20世纪70年代修筑了5个大型帷幕，其中2个用于露天煤矿，而1个露天煤矿的黏土帷幕用来堵截距露天边坡300 m处的河水通过第四系含水层向露天矿坑渗水，该帷幕长度3 100 m，平均深10.5 m，厚度45～50 cm，帷幕建成后，渗水量仅为原来的2%;前苏联有61%煤矿可采用截水帷幕进行堵水;之后越来越多的国家重视帷幕工艺在露天煤矿的应用。不过此阶段的截水帷幕工艺简单，仅通过挖槽后在槽内灌注混凝土或黏土等不透水材料形成，帷幕深度不超过20 m。
1.2 国内研究与应用现状
截水帷幕技术于1957年引入我国，与世界其他国家相似，其发展历程同样是先应用于水利水电工程，1960—1970年间推广至城市地下工程、建筑、环境、铁路交通等领域，1980年以后开始广泛应用。我国学者先后研究了截水帷幕的形式、施工工艺、充填材料、防渗墙的入岩深度[7-8]、防渗墙对渗流场的影响[9-11]、防渗墙效果检验方法[12]等内容，取得一系列成果。
帷幕工艺在我国煤矿领域的应用分井工煤矿与露天煤矿两个方面[13]。在井工煤矿领域，我国矿山水害防治工作者在借鉴水电部门坝基灌浆防渗技术的基础上，提出了利用钻孔注浆建造帷幕、堵截矿区地下水的帷幕注浆技术[14]，开辟了矿山水害防治的新途径，结束了多年来依靠单一疏排降水方法解决煤炭资源开发的局面，并逐渐成为一种常用的防治水技术方法[15-16]。20世纪60年代中期，我国第1个井下帷幕在徐州矿务局青山泉煤矿的薄层灰岩中建造成功，随后焦作演马庄煤矿与枣庄郭东井煤矿也采用帷幕方法成功阻止了天窗渗漏与河床渗漏，这些在薄层灰岩中建造的帷幕，深度不大，工期短，投资少，见效快。20世纪70年代初，水口山铅锌矿、张马屯铁矿相继在深部厚层灰岩中进行帷幕注浆并取得成功[17]。目前，我国矿区帷幕注浆截流技术已日渐成熟，例如近几年在淮北矿务局朱仙庄煤矿开展的灰岩注浆帷幕试验工程[18-19]、在陕北张家峁煤矿开展的烧变岩水帷幕注浆工程[20]，均标志着我国井工矿帷幕注浆工艺的进步。
在露天煤矿领域，我国学者也做了大量研究和探索工作。黄文干[21]分析了露天矿目前采用的疏干降水方案造成的危害，提出在条件适宜时采用堵水帷幕方案，并研究了帷幕的应用条件、布置方式和渗透计算;赵毅[22]研究了帷幕堵水工艺在国外露天煤矿的应用并分析了在我国露天煤矿的应用前景;张雁[23-24]提出采用地下防渗墙方案对地下水补给通道进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工作的新方法，并研究了露天煤矿防渗墙的构建条件和类型。20世纪90年代，煤炭科学研究总院西安分院试图在元宝山露天矿建造截水帷幕拦截英金河与老哈河河水入渗矿坑，但由于种种原因，项目最终并未实施。
2 截水帷幕建造条件
露天煤矿建造截水帷幕应具备一定的条件，笔者将其分为必备条件与有利条件[24]。必备条件有两个:一是地下水补给来源与补给方式明确且有稳定动态补给源，二是截渗目标层底部发育有稳定隔水层，这两个条件决定了截水帷幕的平面位置与空间结构。有利条件有两个:一是截渗目标层埋藏浅，二是帷幕墙建造区域地质构造简单，这是从截水帷幕建造难度和墙体稳定性方面考虑的。
通过对扎尼河露天矿水文地质与工程地质条件研究，矿坑疏排水量主要来自矿坑北侧海拉尔河，海拉尔河河水通过砾石层沿煤层隐伏露头入渗补给矿坑(图1)，动态补给量约占总疏排水量的82%。砾石层为主要含水层，即截渗目标层，煤层为透水层，煤层底部发育的泥岩与粉砂质泥岩是稳定隔水层，可作为帷幕墙基底。
图1 扎尼河露天矿充水示意
Fig.1 Water filling diagram of Zhanihe open-pit coal mine
扎尼河露天矿砾石层平均埋深在地表以下6 m，最大厚度约37 m，帷幕墙最大深度不超过56 m，从防渗墙建造经验分析，墙体深度适中，技术成熟;其次矿区范围内地质构造简单，无断层发育，对帷幕墙位置选择十分有利。
3 截水帷幕平面布置与空间结构
截水帷幕主要拦截来自海拉尔河的动态补给量，其设计原则是“安全有效、经济合理、环境友好”，设计遵循“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗”14字准则，即地下水不能从墙顶翻越、不能从墙底渗漏、不能在墙体两端绕流、不能在墙体接头处渗流。
3.1 截水帷幕平面布置
依据设计原则，结合扎尼河露天矿水文地质与工程地质条件，在满足截水要求的前提下，本着优化工程量、减少压煤量的原则，截水帷幕基本沿煤层露头外围呈弧线型展布，西端头嵌入砾石层缺失区的隔水地层，东端头为砾石层底板+623 m等值线，平面长度为5 815 m(图2)。
3.2 截水帷幕空间结构
从剖面上看，截水帷幕顶面标高为+623 m(高出海拉尔河历史最高洪水位0.6 m)，底部进入稳定隔水地层1 m(落底式)，深度21～56 m不等(南浅北深)，有效墙体厚度大于0.6 m。结合建造工艺，该帷幕墙是一座弧线型沟槽灌入式+桩孔压入式落底帷幕墙(图3)。
4 截水帷幕综合技术的应用
4.1 4种截水帷幕技术的应用
本次共采用4种帷幕工艺，分别是地下混凝土防渗墙工艺、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设工艺、高压旋喷注浆工艺和钻孔咬合桩工艺。前2种工艺通过开挖沟槽后浇筑(铺设)不透水材料形成帷幕墙，笔者[24]将其定义为沟槽灌入式工艺，后两种工艺通过施工钻孔高压喷浆或灌注不透水材料形成帷幕墙，笔者将其定义为桩孔压入式工艺。4种帷幕技术的应用并非在立项阶段就确定的，而是根据技术研发过程和现场施工条件不断进行调整的。
图2 截水帷幕平面布置(A—A′剖面为图1)
Fig.2 Layout plan of water cutoff curtain(See Fig.1 for A—A′ section)
图3 截水帷幕剖面示意
Fig.3 Section diagram of water cutoff curtain
地下混凝土防渗墙是目前最成熟的帷幕技术，也是首先确定并在第1年度施工过程中使用的工艺，在此期间，开展了防渗膜铺设工艺的试验，取得成功后，鉴于其高效、经济、效果好等优点，在第2年度施工过程中全面取代地下混凝土防渗墙工艺。由于设计帷幕线跨越地埋光缆、电缆等诸多障碍，在障碍区无法采用防渗膜铺设工艺，因此选择高压旋喷注浆工艺，在旋喷试桩过程中，由于帷幕线东部的个别工段水文地质条件复杂，无法有效成桩，最后选择钻孔咬合桩工艺进行替代。
4.1.1 地下混凝土防渗墙技术
地下混凝土防渗墙技术是利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，在槽内浇筑混凝土而形成的具有防渗和承重作用的连续墙体。
扎尼河露天矿截水帷幕建造过程中采用了液压双轮铣与液压抓斗两类成槽机械和锁扣管接头与套铣平接接头两种接头方式，槽内浇筑的防渗材料为低强度(8～10 MPa)抗渗(P6级)混凝土，墙体厚度0.8 m，单幅槽段长度不超过8 m，最大开挖深度为56 m。
4.1.2 防渗膜大深度垂向隐蔽铺设技术
在此之前，防渗膜多用于平面铺设或斜面铺设，极少用于垂向铺设。本次将防渗膜应用于垂向隐蔽铺设，且最大深度突破了50 m。防渗膜采用厚度1.5 mm、最大幅宽8.0 m的HDPE(高密度聚乙烯)膜，槽段内部与槽段之间叠覆1 m连接，采用特制机具进行垂向铺设。槽段开挖过程与地下混凝土防渗墙一致，只是在防渗材料方面，用防渗膜代替了混凝土，墙体厚度0.65 m。防渗膜紧贴槽壁内侧铺设，铺设完成后，在槽段内注入粉煤灰-水泥混合浆液进行回填、置换护壁泥浆，同时起到压紧防渗膜的作用。粉煤灰-水泥混合浆液固结后同样具有防渗性，与防渗膜一起构成了具有双重防渗能力的帷幕墙。
4.1.3 高压旋喷注浆技术
在架空高压线、地埋光缆等特殊施工区域，无法采用成槽机械施工的，采用高压旋喷注浆技术，施工工法为MJS(Metro Jet System)工法[25]。
设计引孔孔径0.25 m，喷射桩径2.0 m，桩间距1.5 m，桩间搭接0.5 m，墙体有效厚度0.66 m，喷射桩体为半圆形柱体(图4)。
图4 高压旋喷注浆设计参数
Fig.4 Design parameters of high pressure jet grouting
4.1.4 钻孔咬合桩技术
高压旋喷注浆并非适用于所有地层条件，在旋喷注浆无法成桩的区段，采用钻孔咬合桩技术[26]。钻孔咬合桩属于桩排式截水帷幕形式，桩与桩之间相间施工、相邻桩之间部分圆周相嵌形成具有良好防渗作用的整体连续围护结构。
设计桩径1.0 m，咬合0.3 m，桩间距0.7 m，墙体理论有效厚度为0.714 m(图5)。施工顺序为A1→A2→B1→A3→B2……B1桩施工时切割相邻的A1,A2桩相交部分实现咬合，如此往复，最终形成连续桩体，达到截水目的。
图5 桩排式咬合桩截水帷幕设计方案
Fig.5 Design scheme of water cut-off curtain for secant pile
4.2 突破的5项技术难题
4.2.1 低强度抗渗混凝土配合比技术
地下混凝土防渗墙浇筑材料为低强度抗渗混凝土，与塑性混凝土和普通混凝土不同，该材料既要求有一定的强度(8～10 MPa)和较大变形量，又要求有一定的抗渗性(P6级)，为此，通过多次配合比试验，结合地材特点，研究出低强度抗渗混凝土配合比为:水泥(P.O 42.5)∶粉煤灰(Ⅱ级)∶膨润土(钠基)∶砂∶石=180∶200∶20∶720∶880(质量比)，水胶比0.68。该混凝土抗渗等级达P6以上，抗压强度达8.5 MPa。
4.2.2 超长槽段开挖与护壁技术
在常规截水帷幕建造过程中，槽段长度一般不超过8 m。本次结合防渗膜帷幕施工工艺和成槽设备效率，依据槽段深度不同，将槽段长度划分为3种规格，即:墙体深度H>50 m时，槽段长度为7 m;50 m≤墙体深度H≤35 m时，槽段长度14 m;墙体深度H<35 m时，槽段长度21 m，即墙体深度减小，槽段长度增加。
超长槽段开挖的重点是预防槽孔坍塌，为此，施工过程中结合地层特征采用纳基膨润土泥浆配合重晶石粉、羧甲基纤维素(CMC)等添加剂进行护壁。
4.2.3 防渗膜叠覆连接技术
防渗膜叠覆连接有2层含义:一是在同一槽段内铺设的防渗膜进行叠覆连接;二是对槽段之间连接时的防渗膜进行叠覆，两种叠覆长度均为1 m，并且槽段叠覆连接时采用接头箱工艺。接头箱为相邻槽段连接防渗膜预留了空间，其工艺如图6所示。
图6 防渗膜叠覆连接工艺示意
Fig.6 Process diagram of geomembranes overlapping connection
7 m长的槽段内铺设一幅防渗膜，14 m长的槽段内铺设2幅防渗膜，21 m长的槽段内铺设3幅防渗膜，待前一槽段注浆回填完毕且后续槽段开挖完成后将接头箱顶拔出来，为后续防渗膜铺设做准备。
4.2.4 粉煤灰-水泥浆液注浆回填技术
在充满泥浆的槽段内把防渗膜铺设完成后，面临槽段回填的问题，主要有两个目的:一是回收泥浆，保证泥浆能够重复使用;二是充填槽段，压实防渗膜，保证墙体稳定。粉煤灰-水泥混合浆液是一种良好的充填材料，具有以下优点:① 利用比重差可以充分置换泥浆;② 固结后具有一定防渗性与强度;③ 将粉煤灰变废为宝，体现环保理念;④ 价格低廉，节约成本。
实验室研究了不同配比下的混合浆液抗渗性能与抗压强度，见表1。
表1 不同配比条件下混合浆液参数
Table 1 Parameters of mixed slurry under different proportioning
参数水泥∶粉煤灰(质量比)2∶83∶74∶6密度/(g·cm-3)1.5321.5471.562抗渗级别P3P4P590d抗压强度/MPa2.94.87.9
由表1中可以看出，随着水泥含量增加，抗渗性能与抗压强度呈增加趋势，实施过程中，在铺设防渗膜的槽段采用2∶8的配比，钻孔咬合桩采用3∶7的配比，槽孔漏失量大时采用4∶6的配比。
4.2.5 砾石层中高压旋喷成桩技术
影响高压旋喷注浆成桩质量的关键因素是地层条件和水文地质条件。实践证明，旋喷注浆在淤泥、淤泥质黏土、黏性土地层中应用较多且具有较好的成桩质量，但在砂层或卵砾石层中应用的成熟案例不多。通过对地层条件的分析和工程试桩试验，对旋喷参数进行调整，经过取心验证，保证了成桩质量。砾石层中旋喷参数见表2。
5 截水帷幕效果验证
截水帷幕施工通常采用跳仓法分段施工，而不是连续施工。在帷幕完全闭合之前，由于存在绕流效应，截水帷幕效果可能并不明显，往往需要在帷幕全部闭合之后甚至在闭合后的一段时期内才见效，因此在实施过程中通常采用如下手段进行检验和验证。
5.1 取心验证法
钻孔取心验证法可实现:① 检测墙体质量，如混凝土胶结状况、有无气孔、松散或断桩等，检测墙体强度是否符合设计要求;② 检验底部沉渣是否符合设计或规范要求;③ 检验墙体深度是否达到设计要求。
采用取心验证法对4种工艺的成墙和成桩质量进行了检验，采取岩芯如图7所示，从取心质量分析，墙体或桩体的胶结程度、强度、墙体深度等参数均达到设计要求。
表2 MJS工法半圆桩试桩参数
Table 2 Semi-circular pile test of MJS construction method
参数数值桩径/mm2000水灰比1∶1水泥浆压力/MPa40主空气压力/MPa0.5～0.8主空气流量/(m3·min-1)1.0～2.0倒吸水压力/MPa5～20倒吸水流量/(L·min-1)20～50地层压力系数1.3～1.6垂直度误差≤1/200水泥掺量/%40提升速度/(cm·min-1)5水泥浆液流量/(L·min-1)100步距行程/cm2.5步距提升时间/s30转速/(r·min-1)3～4水泥浆喷嘴/mm3.0
图7 不同工艺帷幕墙取心验证
Fig.7 Verification drawing of different process curtain
5.2 抽水试验法
抽水试验法[27]是定量研究和验证帷幕墙截水效果的一种方法。通过抽水试验可以获取含水层的渗透系数K、单位涌水量q等水文地质参数，对比分析不同区域的抽水试验成果，可定量分析判断帷幕墙的截水效果。
围井抽水试验是一种直接判断帷幕墙接头防渗质量的高效方法，首先按照帷幕墙施工工法建造一个四周封闭的区域，在封闭区域中心施工一个抽水孔形成围井，利用围井进行抽水，通过观测抽水孔水量变化和水位下降与恢复情况，判断帷幕墙接头防渗质量。
图8为围井抽水试验平面和剖面图，围井长5.0 m，宽3.0 m，抽水孔位于围井中心，该围井检验了防渗膜叠覆连接接头、防渗膜与回填浆液结合接头等多个接头处的防渗效果。抽水结果见表3。
图8 围井抽水试验布置
Fig.8 Layout of surrounding well pumping test
表3 围井抽水试验数据统计
Table 3 Statistical table of water pumping test data
序次稳定降深S/m围井周长L/m墙体厚度M/m过水高度H/m稳定流量Q/(L·s-1)16.49160.6210.03215.20160.6210.06320.20160.6210.11
根据达西定律Q=KAJ，可得
式中，K为渗透系数，cm/s;Q为稳定抽水量，L/s;A为过水断面，m2;J为水力梯度;H为过水高度，m;S为稳定降深，m;M为墙体厚度，m;L为围井周长，m。
通过计算，围井渗透系数为8.34×10-7 cm/s，参照GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中岩土体渗透渗透性分级(表4)，可知围井墙体渗透性级别为极微透水。
5.3 流场观测法
流场观测法是定性分析和研究截水帷幕截水效果的一种水文地质动态观测法。通过在帷幕墙两侧施工水文地质观测孔，连续观测在帷幕墙施工过程中的钻孔水位变化，通过对比帷幕墙两侧的水位差和水位变化趋势，定性判断帷幕墙的截渗减排效果与显现规律，研究帷幕墙对地下水流场的控制作用。
表4 岩土体渗透性分级
Table 4 Permeability classification of rock and soil
渗透性等级渗透系数K/(cm·s-1)极微透水K<10-6微透水10-6≤K<10-5弱透水10-5≤K<10-4中等透水10-4≤K<10-2强透水10-2≤K<1极强透水K≥1
N1和N4为帷幕墙内侧观测孔，H4和W1为帷幕墙外侧观测孔，图9描述了4个水位观测孔在建墙不同阶段的水位变化趋势。由图9可知，在建墙初期，帷幕墙外侧(地下水补给方向)水位高于内侧(矿坑疏排水方向)水位，两者存在自然水力梯度，随着帷幕墙建设过程的推进，在建墙中期，内外两侧水位差逐渐增大，内侧水位持续下降，在建墙末期，内侧水位快速下降，内外两侧水位差不断增大，最大水位差已超过10 m。表明在帷幕墙的阻水作用下，受矿坑疏排水影响，矿坑内部水位降低，外侧水位不受影响，并逐渐回升至原始水位，验证了截水帷幕的截渗效果。
图9 帷幕墙两侧观测孔水位变化趋势
Fig.9 Water level change trend of observation holes on both sides of the curtain wall
绘制了帷幕墙建设末期内外两侧的地下水流场(图10)，以截水帷幕为界，外侧水位较为平稳，内侧水位自帷幕墙至疏降中心递减，进一步验证了截水效果。
图10 帷幕墙内外两侧地下水流场
Fig.10 Water flow field inside and outside the curtain wall
5.4 水量分析法
截水帷幕建造目的是减少矿坑疏排水量，因此对矿坑疏排水量的观测分析是检验截水帷幕效果的最直接有效的方法。自帷幕墙建造时起，以天为单位，观测了矿坑疏排水量的变化，分析研究了帷幕墙效果显现的时间和规律性。截止发稿时，扎尼河露天矿矿坑疏排水量已较帷幕建设之前减少了60%，帷幕截水效果显著，且目前疏排水量仍在持续减小中。
6 结 论
(1)采用地下混凝土防渗墙、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设、高压旋喷注浆和钻孔咬合桩4种帷幕技术在扎尼河露天煤矿建造了一座平面长度近6 000 m、最大垂向深度超过50 m、有效厚度>0.6 m的弧线型沟槽灌入式+桩孔压入式落底截水帷幕，是帷幕截水综合技术在我国露天煤矿领域的首次成功应用。
(2)通过室内与现场试验和技术研发，解决了低强度抗渗混凝土配合比技术、超长槽段开挖与护壁技术、防渗膜大深度垂向铺设与连接技术、粉煤灰-水泥混合浆液注浆回填技术、砾石层中高压旋喷成桩技术等5项关键技术。
(3)采用钻孔取心验证法、围井抽水试验法、流场观测法和疏排水量变化分析法对截水帷幕效果进行检验，结果表明混凝土浇筑连续均匀，粉煤灰-水泥混合浆液充填密实、胶结完好，高压旋喷桩和钻孔咬合桩桩径达标、桩体完整;墙体渗透性达极微透水级;矿坑疏排水量大幅减少，帷幕墙截水效果明显，达到了工程目的，4种效果检验方法具有普遍适用性。
(4)我国露天煤矿首个大型截水帷幕的顺利实施具有重要的环保效益和工程示范意义，对其他露天煤矿的防排水工作具有借鉴和推广应用价值。
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