尾礦庫排滲設(shè)施類型歸納

郭金宏，黃辰龍

(1.黑龍江省冶金設(shè)計(jì)規(guī)劃院，哈爾濱150040;2.大慶油田水務(wù)公司水文地質(zhì)公司，黑龍江大慶163000)

1 概述

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。

尾礦庫是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源。尾礦設(shè)施一般包括尾礦初期壩、尾礦后期壩、排洪設(shè)施、排滲設(shè)施、尾礦輸送與排放設(shè)施、回水設(shè)施、觀測(cè)設(shè)施等。

尾礦庫一旦失事，將給周圍環(huán)境及下游人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大災(zāi)害和損失。一定保證尾礦庫的安全，其中排滲設(shè)施占有舉足輕重的地位[1]。

上游式尾礦堆積壩的穩(wěn)定性，取決于沉積灘面的顆粒組成，及其固結(jié)程度。隨著尾礦庫內(nèi)的尾礦不斷積聚，壩體內(nèi)的水沿尾礦顆粒間的孔隙向壩體下游方向不斷滲透形成滲流，穩(wěn)定滲流的自由水面線稱為浸潤線。

壩體內(nèi)的浸潤線若長期處于過高狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)壩面、壩前沼澤化、管涌或流土等現(xiàn)象。尾礦壩是否設(shè)排滲設(shè)施，應(yīng)通過滲流計(jì)算和穩(wěn)定性分析確定。

排滲設(shè)施應(yīng)盡可能預(yù)先埋設(shè)，以節(jié)省工程投資。對(duì)于已運(yùn)行的尾礦庫浸潤線過高，滲透穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性不符合規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)考慮增設(shè)排滲設(shè)施，大幅度、大面積降低尾礦庫的浸潤線，使尾礦庫的堆積邊坡最大限度地處于疏干狀態(tài)或適當(dāng)增加尾礦庫的干灘長度，加速尾礦的排水固結(jié)，從而提高壩體的穩(wěn)定性。

2 排滲設(shè)施類型

2.1 初期壩排滲設(shè)施

初期不透水壩排滲一般設(shè)有反濾層、排滲斜墻、底部褥墊或?qū)芗芭艥B棱體。

2.2 堆積壩排滲設(shè)施

2.2.1 水平排滲設(shè)施

在壩基范圍內(nèi)或在不同高程沉積灘面上、堆積子壩頂、馬道上預(yù)埋水平盲管及濾管、碎石盲溝及導(dǎo)水管、濾管盲溝結(jié)合形式、雙向槽孔管等。

2.2.2 垂直排滲設(shè)施

在不同高程沉積灘面上、截積子壩頂、馬道上補(bǔ)設(shè)機(jī)械抽水管井、虹吸井、輕型井點(diǎn)、碎石盲井、袋裝砂井或塑料插板等。

2.2.3 垂直水平聯(lián)合自流排滲

由水平排滲和垂直排滲聯(lián)合組成水平管—砂袋井、輻射井、雙向槽孔管、水平濾管與塑料插板結(jié)合形式等聯(lián)合排滲[2]。

3 水平管排滲

水平管排滲多用于不透水地基的不透水壩尾礦庫底部排滲的尾礦庫中。水平排滲管伸入庫內(nèi)50～70 m，滲流水通過初期壩底的不透水導(dǎo)水管排至壩腳排水溝。

水平管結(jié)構(gòu)主要是無砂混凝土管、鋼花管、高分子塑料花管外包土工布作為反濾層，接通縱向排水管道，把壩體內(nèi)滲水排向壩體下游。其排水過程是采用重力“漏滴”的原理匯水，管壁外包的土工布直接與尾礦砂接觸，細(xì)小顆粒容易附著在土工布上，時(shí)間久了導(dǎo)致土工布過濾功能失效，發(fā)生排水不良的后果[3]。

4 軟式透水管盲溝排滲

軟式透水管盲溝排滲多運(yùn)用于新建尾礦庫的堆積壩排滲。

軟式透水管是一種具有倒濾透(排)水作用的新型管材，以防銹彈簧圈支撐管體，形成高抗壓軟式結(jié)構(gòu)，無紡布內(nèi)襯過濾，具有很好的全方位透水功能，滲透水能順利滲入管內(nèi)，而泥沙雜質(zhì)被阻擋在管外，利用“毛細(xì)”現(xiàn)象和“虹吸”原理、集吸水、透水、排水為一氣呵成，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求的耐壓能力及透水性和反濾作用[4－6]。

軟式透水管盲溝排滲結(jié)構(gòu)，采用土工布反濾層包碎石體，碎石體內(nèi)設(shè)置軟式透水管。主排滲盲溝距灘頂50～60 m，平行于壩軸線，由兩側(cè)坡向中間的排滲盲溝呈“W”型布置，與軟式透水集滲管相接排至壩外排水溝。排滲盲溝與集滲管鋪設(shè)坡度均為1.0%左右。

軟式透水管盲溝排滲施工簡單，初期排滲效果良好，隨著尾礦的排水沉降固結(jié)，反濾層周圍會(huì)結(jié)垢發(fā)生堵塞，導(dǎo)致排滲效果逐漸降低，甚至失去排滲作用。

5 機(jī)械抽水管井排滲

機(jī)械抽水管井排滲是在尾礦壩上埋設(shè)較深的垂直排滲管井集滲，需采用泵抽水降低井內(nèi)水位達(dá)到降水目的。

由于尾礦滲透性小，致使管井的泵水系統(tǒng)不能適應(yīng)細(xì)水長流的要求，就要頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉水泵，保證滲井周圍形成降水漏斗，實(shí)現(xiàn)降水。

井管可用鋼管、鑄鐵管、高分子聚合材料管鉆孔，無砂混凝土管、鋼筋混凝土管等，管井的濾水管周圍填以粗砂、碎石濾料或外包土工合成材料作為濾層。

井外徑一般為350～550 mm，井間距為5～20 m。

每眼排滲井需單獨(dú)配置抽水泵，運(yùn)行時(shí)需頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉水泵，維護(hù)管理不便，特別冬季比較寒冷的地區(qū)，容易凍結(jié)。

6 輕型井點(diǎn)排滲

輕型井點(diǎn)是由地表上的真空射流泵強(qiáng)制抽水，造成負(fù)壓通過總管或井點(diǎn)管傳至埋入壩體下端的管狀過濾器，并使其負(fù)壓擴(kuò)散到井點(diǎn)周圍一定的范圍，形成穩(wěn)定的負(fù)壓帶，使壩內(nèi)含水層中的水沿著重力和負(fù)壓合力的矢量方向流動(dòng)，源源不斷匯入井點(diǎn)濾管。

每個(gè)井點(diǎn)濾管均形成一個(gè)負(fù)壓影響范圍，將平行于壩軸線的一排井點(diǎn)連接起來，形成一道真空墻，起截?cái)鄩误w水和降低壩體水位的作用。

輕型井點(diǎn)抽水由于采用強(qiáng)迫抽水，如果射流泵的真空度控制不當(dāng)，壓力過大，加大細(xì)粒物料進(jìn)入濾孔的機(jī)會(huì)，壓力差過小、達(dá)不到預(yù)定的效果。

7 虹吸井排滲

虹吸井排滲系統(tǒng)是利用虹吸原理降低尾礦壩浸潤線的方法。主要由虹吸井、水封槽虹吸管和觀測(cè)井等組成。

虹吸井是關(guān)鍵的降水設(shè)施，虹吸井的管材、管徑、制作方法、布置間距同機(jī)械抽水管井排滲。水封槽的作用在虹吸系統(tǒng)啟動(dòng)后，應(yīng)保證排水管出口始終位于一定的水位高度以下，在于保證虹吸系統(tǒng)要求的真空度。

觀測(cè)井主要用來觀測(cè)虹吸排滲系統(tǒng)的降水效果。

虹吸管應(yīng)盡量采用整根的PE管，以免降低虹吸管的真空度。

8 水平管—砂袋井聯(lián)合排滲

水平管—砂袋井排滲體:水平管由水平排滲花管與實(shí)管組成，水平管傾角1°～3°，水平花管集水并導(dǎo)流，實(shí)管導(dǎo)流，豎直砂袋井集水。

豎直砂袋井與水平管在一定位置對(duì)接形成聯(lián)合排滲體。

排滲體的排滲效果主要與集水體系有關(guān)，管井為豎向集水井，而水平管—豎直砂袋井聯(lián)合排滲體以水平管集滲為主、豎直砂袋井為輔。

9 輻射井排滲

9.1 輻射井的結(jié)構(gòu)

輻射井由主井、多條輻射濾管和通向坡坡的導(dǎo)水管等組成。

主井封底完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后即作為導(dǎo)水管和濾水管的施工場(chǎng)所，輻射井投入使用后，主井匯集輻射濾管的滲水。

輻射濾管伸入尾礦庫內(nèi)集取庫內(nèi)滲透水，然后將水匯集到主井。

導(dǎo)水管的作用是將匯集到主井的滲水排出尾礦庫。

9.2 輻射井的設(shè)計(jì)參數(shù)

9.2.1 主井井深和井徑的確定

井深的確定主要綜合考慮輻射濾管的出口標(biāo)高，堆積壩總高度和沉井施工技術(shù)水平。主井井徑的大小取決于鉆孔設(shè)備的大小，內(nèi)徑應(yīng)能滿足井下施工的操作空間。

9.2.2 輻射濾水管參數(shù)的確定

輻射濾水管主要確定出水口標(biāo)高、管徑、濾眼孔徑和開孔率。

輻射濾管的坡度一般采用3%，出水口標(biāo)高一旦確定，即確定了濾水管在尾礦庫滲流場(chǎng)中的位置，要保證設(shè)計(jì)中讓最上層濾水管標(biāo)高低于該處浸潤線的標(biāo)高。

管材一般選用PE管Φ 56 mm或Φ 75 mm的居多，鋼管則選用Φ 89 mm，開孔直徑12～15 mm，開孔率12%～13%。

9.3 輻射井的平面布置

輻射井的平面布置主要是指主井的位置設(shè)計(jì)，主要考慮壩軸線的長度和治理范圍、水位高低、壩體滲透破壞情況及導(dǎo)水管排水路徑等因素。

輻射井的作用半徑大致等同于濾水管的長度，根據(jù)壩軸線的長度確定布置幾眼井較為合適。關(guān)于輻射井布置在哪一級(jí)子壩還是布置在庫內(nèi)，首先要找到滲透破壞范圍及破壞較嚴(yán)重的地方，其次要看水位的高低，同時(shí)還要考慮輻射井的布置位置容易找到便于施工的導(dǎo)水管路徑的位置[7－9]。

輻射濾水管呈扇形布置，水平濾水管每層8～9支，兩孔間夾角為20°～22.5°。

9.4 輻射井的排滲技術(shù)特點(diǎn)

輻射井的排滲技術(shù)有以下7個(gè)特點(diǎn):

1)適合尾礦庫滲透破壞治理工程，能較好的適應(yīng)尾礦庫的地層，施工相對(duì)復(fù)雜。

2)水平濾水孔的設(shè)計(jì)走向不受任何限制，濾水管輻射面廣，集水范圍大，排滲量大。

3)輻射井為自流排水，不受人為因素干擾，使用壽命長，能夠長期保證穩(wěn)定滲流，維護(hù)費(fèi)用低。

4)可在一口豎井中敷設(shè)多層水平濾管增大排滲水量，起到迅速降低壩體浸潤線的目的。

5)一旦輻射井有問題，可以關(guān)閉全部輻射濾水管，抽干豎井內(nèi)的水，人到豎井內(nèi)檢修即可。水平輻射濾管可以沖洗，也可以更換。

6)水平濾管均以輻射井為中心，向外輻射，井壁附近的濾管分布過密，未能充分利用。

7)輻射井排滲對(duì)粗顆粒尾礦降水效果特別好，對(duì)細(xì)粒且沉積較均勻的尾礦降水效果也較好，但對(duì)存在較厚的水平礦泥夾層的尾礦庫要差一些。

10 槽孔管排滲

槽孔管排滲是針對(duì)普通排滲管容易淤堵而新興的一種排滲方法。

槽孔管制作及鋪設(shè)方式不同于普通的水平管排滲，也不同于軟式透水管排滲。反向預(yù)埋槽孔管排滲用于新建尾礦庫的排滲。雙向槽孔管排滲用于尾礦壩排滲治理工程中。

10.1 槽孔管結(jié)構(gòu)

槽孔管就是在管壁的外側(cè)縱向均勻的開出滲流槽，槽寬1 cm，并且每隔10～15 cm，打Φ 8 mm或打Φ 10 mm的孔。

10.2 過濾層

槽孔管的過濾層采用白鋼網(wǎng)，過濾網(wǎng)的選擇是在對(duì)尾砂粒級(jí)分析后確定的濾網(wǎng)孔徑，使濾網(wǎng)四周80%的細(xì)尾砂順?biāo)鞒觯?0%的粗尾砂在過濾網(wǎng)四周又形成新的過濾層，擴(kuò)大了透水面積，有效的保護(hù)了過濾網(wǎng)的滲透性能，提高排滲體功效。

10.3 槽孔排滲管的特點(diǎn)

槽孔排滲管有如下特點(diǎn):

1)排滲管的排滲效果取決于滲透面積。槽孔管的特殊結(jié)構(gòu)加大了滲透面積是同管徑普通排滲管的滲透面積的20倍左右。

2)白鋼網(wǎng)過濾層將微小顆粒隨滲流水過濾出去，周圍的粗砂成為濾料對(duì)排滲體進(jìn)行保護(hù)，使排滲管更有效、長久的保持滲水功能。

10.4 敷設(shè)形式

由尾礦壩的總壩高及滲流情況確定分期預(yù)埋的層數(shù)，由尾礦細(xì)度確定每層排滲管的間距及過濾網(wǎng)目。10.4.1 反向預(yù)埋槽孔管排滲

步驟如下:

1)根據(jù)槽孔管從灘頂伸入庫內(nèi)的長度(一般伸入庫內(nèi)50 m)及俯角敷設(shè)坡度(敷設(shè)坡度為5%左右)確定集水管位置，然后平行于壩體軸線方向挖出集水管溝敷設(shè)集水管。

2)仰角敷設(shè)導(dǎo)水管，并與平行于壩軸線的集水管相接，后期導(dǎo)水管續(xù)接。

3)順干灘方向鋪設(shè)槽孔管，確保排滲管鋪設(shè)路線與預(yù)計(jì)增高的浸潤線相交，可提前對(duì)浸潤線的升高起到抑制作用，并插入預(yù)計(jì)浸潤線以下一定深度，使槽孔管與集水管相接。

4)排滲管的周圍放入20～30 cm的粗砂作為濾料。

10.4.2 雙向槽孔管排滲

雙向槽孔管分為壩前盲管段與庫內(nèi)濾水管段。盲管段一般長約30 m左右，濾水管長50～150 m，濾水管段仰角敷設(shè)角度為1°～3°。雙向槽孔管通過鉆機(jī)根管鉆進(jìn)一次成型，濾水管徑越粗越長施工頂進(jìn)越困難，合理確定濾水管的長度，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)排滲效果。

根據(jù)初定排滲間距實(shí)施后通過浸潤線觀測(cè)結(jié)果，確定浸潤的高度是否達(dá)到規(guī)范規(guī)定要求，調(diào)整排滲管的深度和長度，進(jìn)一步確定是否需要加密，達(dá)到最佳的排滲效果。

11 排滲設(shè)施效果分析

11.1 水平排滲設(shè)施效果分析

水平排滲設(shè)施多為新建筑壩階段的預(yù)埋，可采用正向水平排滲管、盲溝與排滲管結(jié)合形式、反向預(yù)埋槽孔管排滲等。

排滲效果的好壞及持久性關(guān)鍵在于濾層的施工質(zhì)量，防止?jié)B水結(jié)垢堵塞。如采用砂石結(jié)構(gòu)濾層，則砂石料的顆粒級(jí)配應(yīng)嚴(yán)加控制。如采用土工織物濾層，施工時(shí)嚴(yán)防損傷和開縫。

反向預(yù)埋槽孔管獨(dú)特結(jié)構(gòu)克服了其他水平管排滲的弊端，增大了滲透面積、反濾層防淤塞、濾水管俯角鋪設(shè)，能夠保證排滲設(shè)施長久有效。但排滲設(shè)施滲流計(jì)算、滲流穩(wěn)定后浸潤線的位置確定有待進(jìn)一步研究。

壩外水平管在堆積壩排滲治理工程中也有應(yīng)用，但有一定的局限性，在粗顆粒均勻的尾礦堆積壩中排滲效果較好。

但在細(xì)粒、黏性尾礦或有礦泥夾層存在的尾礦堆積壩中，排滲效果不良。

11.2 垂直排滲設(shè)施效果分析

機(jī)械抽水井、虹吸井、輕型井點(diǎn)等排滲設(shè)施成井眼數(shù)多，后期維護(hù)管理不便，且不適用于北方寒冷地區(qū)。

11.3 水平垂直聯(lián)合排滲自流設(shè)施效果分析

水平垂直聯(lián)合自流排滲設(shè)施主要用于尾礦堆積壩排滲治理工程。

具有代表性的輻射井排滲及新興雙向槽孔管排滲。

輻射井幾乎適用于各種地形，采用面狀截水方式，攔排范圍大，排滲效果較好，并能夠保證長期穩(wěn)定滲流，但施工工藝復(fù)雜，初期建設(shè)費(fèi)用高，后期維護(hù)管理方便。

雙向槽孔管排滲最顯著的特點(diǎn)布置范圍決定了降水范圍，埋置深度基本為降水深度，并且能夠穿透礦泥夾層，改變壩體垂直方向的滲透性。治理過程中預(yù)計(jì)浸潤線的降深位置，即雙向槽孔管鋪設(shè)位置，一旦按設(shè)計(jì)角度埋設(shè)好，排滲效果立竿見影，可長期保證穩(wěn)定滲流，且不需日常維護(hù)。

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