細(xì)粒尾礦壩槽孔管排滲機(jī)理及其計(jì)算方法

金松麗 徐宏達(dá) 張 偉 閆 浩 吳則祥

(1.北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院;2.中冶建筑研究總院有限公司)

細(xì)粒尾礦是金屬或非金屬礦山選礦磨礦產(chǎn)生的，其包含的固體顆粒粒徑極小，絕大多數(shù)屬于細(xì)粉粒組、黏土粒組和膠體粒組。因此尾礦顆粒間孔隙很小，細(xì)粒尾礦介質(zhì)滲透性微弱，導(dǎo)致尾礦壩浸潤(rùn)線(xiàn)偏高，筑壩排滲困難。而浸潤(rùn)線(xiàn)位置的高低對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性影響甚大，堪稱(chēng)尾礦壩的生命線(xiàn)。因此人們?cè)O(shè)計(jì)了諸多排滲措施和方法以期浸潤(rùn)線(xiàn)得到有效控制，如管井法、虹吸管法、輕型井點(diǎn)法、垂直－水平排滲系統(tǒng)等。由于尾礦壩滲流場(chǎng)的復(fù)雜性，要想做到經(jīng)濟(jì)高效排滲并不容易。

槽孔管排滲系統(tǒng)是一種新興的尾礦壩排滲技術(shù)，其優(yōu)良的排滲效果已在實(shí)際工程(如遼寧弓長(zhǎng)嶺尾礦壩、云南鎮(zhèn)沅斑毛溝尾礦壩)中得到驗(yàn)證，尤其在細(xì)粒尾礦壩工程中，槽孔管防淤堵特點(diǎn)更為突出。但是目前槽孔管排滲理論的研究還處于空白階段。本研究基于達(dá)西滲流定律、反濾層排水降壓原理、能量守恒定律通過(guò)理論分析和總結(jié)前人的研究成果，探討槽孔管排滲機(jī)理及其計(jì)算方法。

1 槽孔管構(gòu)造與排滲原理

1.1 槽孔管構(gòu)造

槽孔管是特制的槽、孔結(jié)合的PE塑料管，管外徑75 mm，壁厚6 mm，外裹白鋼網(wǎng)。在管外徑上，平行于管體的軸心方向均勻開(kāi)有12個(gè)滲流槽，在滲水槽的底部間斷開(kāi)設(shè)與滲水管相通的 8 mm滲水孔，孔眼分布形狀為螺旋形，孔間距150～200 mm。其構(gòu)造如圖1所示。實(shí)際工程中，根據(jù)尾礦顆粒組成和濾土、減壓原理，選擇相應(yīng)孔隙直徑的白鋼網(wǎng)，如表1所示。

圖1 槽孔管構(gòu)造(單位:mm)

表1 不同尾礦P0.075含量時(shí)白鋼網(wǎng)孔隙的選擇

以弓選廠尾礦壩為例，在距壩面5、30、70 m處的取樣分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 弓選廠尾礦樣品篩析結(jié)果

依據(jù)泰沙基反濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求:D15/d85≤4(濾土);D15/d85≥4(減壓)。其中，D15為反濾層的特征粒徑，D15、d85為保護(hù)土的特征粒徑。

篩孔0.15 mm(100目)時(shí)，庫(kù)內(nèi)距離尾礦壩壩頂30 m處樣品100目網(wǎng)篩上量為36.0%，70 m處樣品100目網(wǎng)篩上量15.4%，過(guò)濾網(wǎng)的目數(shù)定為100目，對(duì)尾砂能起到比較好的過(guò)濾效果。

1.2 槽孔管滲流原理

排滲管滲水量與排滲管的管徑并無(wú)直接相關(guān)性。同等條件下滲流量的大小取決于滲流面積大小。普通排滲管(構(gòu)造圖如圖2所示)直徑10 cm，排水孔1 cm，間距10 cm，每個(gè)斷面8個(gè)滲水孔。每延米長(zhǎng)滲流面積為10排×8孔×0.5 cm×0.5 cm×3.14=62.8 cm2。

圖2 普通排滲管構(gòu)造(單位:cm)

槽孔管直徑7.5 cm，斷面開(kāi)12個(gè)滲流槽，槽寬1 cm。每延米長(zhǎng)滲流面積為12個(gè)×100 cm×1 cm=1 200 cm2。滲流面積比=槽孔排滲管/普通排滲管=1 200 cm2/62.8 cm2=19.1(倍)。槽孔管的滲流槽代替普通排滲管中的圓孔直接和尾礦接觸，擴(kuò)大了滲流面積，提高了滲水效率。

排滲管的透水性能否持久與尾礦粒徑和濾網(wǎng)孔徑的匹配情況有直接關(guān)系，也是排滲體長(zhǎng)期有效的重要環(huán)節(jié)。普通排滲管采用土工布作為過(guò)濾網(wǎng)，由于土工布表面纖維極細(xì)，尾礦中的細(xì)顆粒無(wú)法順利通過(guò)，在短時(shí)間內(nèi)淤積在排滲孔表面，致使排滲性能急劇降低，失去排滲能力。

圖3 槽孔管斷面

而槽孔管使用的過(guò)濾網(wǎng)是在對(duì)尾礦砂粒級(jí)分析后確定的濾網(wǎng)孔徑，濾網(wǎng)四周80%的細(xì)尾礦順排滲管流出，20%的粗尾砂在過(guò)濾網(wǎng)四周形成過(guò)濾層，擴(kuò)大了透水面積，有效地保護(hù)了過(guò)濾網(wǎng)滲透性能，如圖3所示。滲入到槽孔管中的水通過(guò)導(dǎo)水管排出壩外，尾礦固結(jié)沉降，減小了尾礦所占庫(kù)容，浸潤(rùn)線(xiàn)降低;同時(shí)槽孔管兼作為尾礦壩加固拉錨，在一定程度上增加了尾礦壩的穩(wěn)定性。這就是槽孔管排滲、降低浸潤(rùn)線(xiàn)、增加壩體穩(wěn)定性的原理。

2 理論計(jì)算模型

尾礦壩排滲計(jì)算的目的是推求排滲設(shè)施的排滲量、估算水位降低效果，從而更合理地布置排滲系統(tǒng)［5］。槽孔管排滲計(jì)算的分析模型如圖4所示。

圖4 槽孔管排滲系統(tǒng)理論計(jì)算模型

取y=y0處d y長(zhǎng)槽孔管作為研究對(duì)象，由于d y很小，因此滲流穩(wěn)定后，假定作用在其上的水頭為常數(shù)H(y0)。

2.1 坡降計(jì)算

如圖5，把槽孔管方向長(zhǎng)度記為L(zhǎng)，滲流方向的長(zhǎng)度記為r。槽孔管外壓力水頭相等，記為h1，流入槽孔管后水頭最小，記為h2。各點(diǎn)水頭差H相等，H=h1－h(huán)2。若把滲透距離r等分為5份，沿滲流方向各點(diǎn)的滲距依次為、r，各點(diǎn)的坡降Ii即為、H/r，在半徑方向離槽孔管越近，滲距越小，坡降越大。當(dāng)坡降大于尾礦的允許坡降，就會(huì)發(fā)生滲流破壞，直徑小的顆粒被帶走，形成新的反濾層。這種滲透破壞的類(lèi)型屬于接觸流土破壞，滲流出口尺寸即白鋼網(wǎng)直徑。

2.2 等效反濾層直徑

細(xì)粒尾礦的抗?jié)B強(qiáng)度很低，而且抗?jié)B比降大小與滲流方向、尾礦密度和滲流出口是否被淹沒(méi)等因素有關(guān)。因此在槽孔管周?chē)纬珊穸炔痪?、形狀不?guī)則的反濾層。要想用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述反濾層的形狀和厚度幾乎是不可能的，也是沒(méi)有必要的。在滿(mǎn)足工程要求的精度范圍內(nèi)，不妨假設(shè)反濾層是規(guī)則的圓形，稱(chēng)其為等效反濾層。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和達(dá)西滲流定律，滲入反濾層外邊緣的水量與滲入槽孔管外邊緣的水量相等，即

式中，k1為原尾礦的滲透系數(shù)，k2為反濾層的滲透系數(shù)，D為等效反濾層直徑，d為槽孔管直徑，i1為反濾層外尾礦的水力坡度，i2為反濾層的水力坡度。

忽略滲流過(guò)程中的水頭損失，則水頭分布與靜水情況下水頭分布相同，因此認(rèn)為i1=i2=1，由文獻(xiàn)［3］知滲透系數(shù)的大小與土的等效粒徑的平方成正比，即 k≈，由于部分土的細(xì)顆粒已經(jīng)流失，剩余的較大的土顆粒組成反濾層，因此反濾層的滲透系數(shù)必然大于原尾礦的滲透系數(shù)。

即

其中，d20為細(xì)粒尾礦的等效粒徑，可以從顆粒級(jí)配曲線(xiàn)得出;D20為反濾層的等效粒徑，可以將細(xì)粒尾礦中小于白鋼網(wǎng)粒徑的顆粒去除后，重新繪制級(jí)配曲線(xiàn)得出。

2.3 槽孔管滲流量計(jì)算

2.3.1 d y段槽孔管滲流量

槽孔管滲流量計(jì)算，根據(jù)阿拉文·努明諾夫的河床水平暗渠流量計(jì)算公式［6］進(jìn)行計(jì)算:

式中，d q為長(zhǎng)度d y的槽孔管流量;H(y0)為反濾層上緣至自由水面水頭值;hw為管中水頭值;當(dāng)管下集水層很厚時(shí)，

2.3.2 整根槽孔管的滲流量

對(duì)y軸積分，得整根槽孔管的滲流量為

其中h為槽孔管埋藏深度，d為等效反濾層直徑。即

3 工程實(shí)例

鎮(zhèn)沅金礦斑毛溝尾礦壩采用槽孔管排滲系統(tǒng)，其一期工程槽孔管布置，斷面如圖5所示。該期具體施工打孔深度73 m，其中導(dǎo)滲管長(zhǎng)32 m，槽孔管長(zhǎng)41 m。在1 177 m標(biāo)高處設(shè)導(dǎo)滲管路24根。反折點(diǎn)安裝有三通，其目的是向上加高和向后延伸槽孔管。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在平均埋置深度為3.5 m的情況下，41 m槽孔管的滲流量平均約為2.5 m3/d。

圖5 斑毛溝尾礦壩一期工程槽孔管布置

實(shí)驗(yàn)測(cè)得原尾礦的滲透系數(shù)k0=2.0×107cm/s=1.73×104m/d，根據(jù)原尾礦顆粒級(jí)配曲線(xiàn)和所選白鋼網(wǎng)孔隙直徑(－200目，即0.074 mm)，得知d20=0.009 mm、D20=0.09 mm。代入式(1)，得等效反濾層直徑d=0.75 m。

將槽孔管埋設(shè)參數(shù)代入式(6)、式(7)，得41 m槽孔管的滲流量約為

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2.5 m3/d相比，相對(duì)誤差為4.8%。由此驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的合理性。由排出壩外的排滲量可以較準(zhǔn)確地估計(jì)壩內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)降低程度，從而進(jìn)一步分析尾礦壩的抗?jié)B和抗滑穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本研究依據(jù)達(dá)西滲流定律、反濾層排水降壓原理、能量守恒定律、河床水平暗渠流量計(jì)算方法，研究了槽孔管滲流原理、等效反濾層計(jì)算、系統(tǒng)總滲流量計(jì)算等問(wèn)題，提出了符合尾礦庫(kù)排滲實(shí)際情況的槽孔管排滲系統(tǒng)理論計(jì)算模型，推導(dǎo)出等效反濾層半徑、系統(tǒng)總滲流量計(jì)算公式。根據(jù)此次研究成果進(jìn)行了斑毛溝尾礦壩的排滲系統(tǒng)滲流量計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了研究成果的合理性，為尾礦壩量化排滲設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］ 徐宏達(dá).細(xì)粒尾礦沖填筑壩的沉積規(guī)律初探［J］.中國(guó)礦山工程，2004，33(1):39-42.

［2］ 金松麗，徐宏達(dá)，張 偉.尾礦壩排滲技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012(7):35-38.

［3］ 劉 杰.土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［M］.北京:水利水電出版社，2005.

［4］ 延邊華冶排滲工程有限公司．尾礦壩排滲技術(shù):中國(guó)，200610163203.8［P］．2009-02-11．

［5］ 章臣平，張 雷.上游法尾礦壩垂直水平聯(lián)合排滲系統(tǒng)量化設(shè)計(jì)初探［J］.金屬礦山，2005(9):164-166.

［6］ 苑蓮菊，李振栓，武勝忠，等.工程滲流力學(xué)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2001.