奚興符, 阮茂盛
(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì),安徽 馬鞍山 243000)
我國是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國,在進(jìn)行選礦完成后,排放的廢渣礦渣,多以水帶渣的形式外排而形成尾礦。以前,多數(shù)尾礦都被集中統(tǒng)一排入尾礦庫內(nèi),從而形成庫壩。尾礦庫雖然具有一定的潛在價(jià)值,但部分尾礦庫由于其浸潤線較高也具有極高的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,對尾礦庫設(shè)置排滲工程,是降低壩體浸潤線、維護(hù)壩體安全與穩(wěn)定的重要措施。
截止到2008年底,我國各類尾礦庫總計(jì)有12600多座,其中三級及以上(大中型)少量,多數(shù)均為四級及以下。尾礦庫中私營及集體的庫壩占60%,且多數(shù)為中小型尾礦庫。其筑壩方式中,采取上游式筑壩的也占多數(shù)。
尾礦庫內(nèi)主要成分是尾礦渣、尾礦泥及水等組成。其中,尾礦泥屬不透水或弱透水層,而尾礦渣屬透水層。因礦石巖性的組成成分、筑壩方式等的不同,尾礦泥可能會(huì)形成層狀,從而阻隔尾礦庫內(nèi)上下層尾礦渣中水的串通渠道。
“排滲工程”簡單地說就是將地下水排出,以改善工程地質(zhì)條件,提高地基的承載(包括抗滑移)能力。在尾礦庫中運(yùn)用時(shí),就是減少壩體內(nèi)局部尾礦庫內(nèi)富含的水,從而降低尾礦庫的浸潤線,達(dá)到維護(hù)壩體穩(wěn)定的作用。巖土工程中抽、降、排水的原理都是我們進(jìn)行尾礦庫排滲工程的指南。
2.1.1 原理及特點(diǎn)
由于盲溝的透水較強(qiáng),通過盲溝的設(shè)計(jì)與施工,將尾礦庫內(nèi)水通過盲溝排出壩外,以降低庫內(nèi)水位,達(dá)到降低壩體浸潤線的目的。該方法主要在壩體內(nèi)具備較好的施工環(huán)境時(shí)采用,工程費(fèi)用較低。
2.1.2 技術(shù)措施
在尾礦庫內(nèi)垂直和平行于壩的方向設(shè)置盲溝,縱橫向盲溝相互連接,再在垂直于壩體方向,按一定間距設(shè)置排水溝,將尾礦庫內(nèi)表面水盡量排出。盲溝間距根據(jù)尾礦庫的具體情況而定,在用的尾礦庫一般為20~50 m,排水溝的間距為30~60 m即可;病庫以上危險(xiǎn)的或已經(jīng)閉庫而需要對庫中土地進(jìn)行再利用的可適當(dāng)加密。溝的斷面為梯形,其尺寸可根據(jù)現(xiàn)場條件確定,一般頂、底、高為600 mm×400 mm×300 mm。溝內(nèi)鋪設(shè)350~400 g/m2的土工布并回填濾料。
2.1.3 施工方法
主要是在壩面進(jìn)行排水溝的施工,開挖溝的斷面尺寸應(yīng)符合要求;然后用土工布鋪設(shè)在溝的斷面內(nèi),之后將用濾料回填,最后將土工布覆蓋。如果壩面開挖有困難,也可采用各種材質(zhì)的濾水管取代,濾水管外應(yīng)采用土工布包裹,管徑不宜小于200 mm。壩體排水溝應(yīng)與盲溝相通,且應(yīng)有一定坡度,以利于排水。
2.1.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)
(1)溝的斷面尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;溝(盲溝或排水溝)的坡度應(yīng)利于排水。
(2)濾料應(yīng)是級配合理的碎石料。
(3)土工布質(zhì)量符合要求,最好采用兩層。
(4)排水溝或排水管應(yīng)與盲溝連接可靠;排水管的使用壽命要長。
2.2.1 原理及特點(diǎn)
主要是利用水的自重,通過庫內(nèi)尾礦渣的滲透作用進(jìn)入在尾礦庫內(nèi)安置的水平濾管,自然排出壩外。其特點(diǎn)是自然排水,減少尾礦庫的維護(hù)費(fèi)用;埋設(shè)的水平濾管長度大且方向設(shè)置靈活,有效地增大了降水面積;通過降低庫壩體內(nèi)的浸潤線,增強(qiáng)尾礦的固結(jié)能力,提高壩體的安全與穩(wěn)定性,但工程施工費(fèi)用較高。水平排滲孔數(shù)量可根據(jù)壩體長度、壩體浸潤線的狀況等實(shí)際情況確定,可以是一組,也可以多組。
2.2.2 技術(shù)措施
在尾礦庫壩體上通過鉆機(jī)向庫內(nèi)鉆成水平鉆孔,并在水平孔內(nèi)鋪設(shè)濾管進(jìn)行排水。水平孔布設(shè)應(yīng)考慮庫內(nèi)浸潤線的較高區(qū)域;口徑應(yīng)盡量選擇大一些,以增大排水能力;其仰角應(yīng)控制在1°~2°;口徑應(yīng)與濾管直徑相匹配,鉆孔口徑91~130 mm時(shí),同步跟進(jìn)的套管直徑為89~127 mm,濾管直徑為65~90 mm;長度即是水平排滲法的影響范圍,應(yīng)根據(jù)設(shè)備能力確定,一般為70~80 m。濾管應(yīng)設(shè)計(jì)成可導(dǎo)水濾管,即:為保證濾管中水從集滲下部漏失,濾管截面1/3不打花眼,安裝時(shí)應(yīng)將該部位處于孔截面下端,以利于排水,其余2/3應(yīng)打成花眼,開孔率為10%~15%為宜,外包40~60目尼龍網(wǎng)套和350~400 g/m2土工布并綁扎好,土工布接頭部位搭接長度≮50 mm;濾管安裝應(yīng)可靠。
2.2.3 施工方法
2.2.3.1 工藝流程
首先在庫壩上設(shè)計(jì)的位置開挖并澆注混凝土機(jī)座:機(jī)座應(yīng)滿足頂管和拔管時(shí)產(chǎn)生的作用力的需要;由于機(jī)座位于壩體上,在施工時(shí)要有可靠的措施保證壩體的安全。然后是安裝鉆機(jī),并調(diào)整好鉆機(jī)的仰角。其次是通過全套管同步跟進(jìn)的方式鉆成水平鉆孔,待到達(dá)設(shè)計(jì)孔深后,封住套管頂部,并對套管內(nèi)壁因跟管時(shí)產(chǎn)生的殘留的尾砂進(jìn)行清洗。再次在水平套管內(nèi)安裝濾管。最后將套管拔出并封閉好濾水管出口。施工情況如圖1、圖2所示。
圖1 施工現(xiàn)場
圖2 出水情況
2.2.3.2 設(shè)備選擇
鉆機(jī)應(yīng)采用全液壓動(dòng)力頭水平鉆機(jī),型號可根據(jù)水平排滲孔的長度、場地環(huán)境等進(jìn)行選擇,鉆機(jī)的主要參數(shù)為機(jī)座尺寸、水平推力與拉拔力、轉(zhuǎn)速等。水泵可采用變量泵。
2.2.3.3 施工技術(shù)參數(shù)
水平推力≮100kN,拉拔力≮120kN,轉(zhuǎn)速30~60 r/min,鉆孔時(shí)泵量為30~50 L/min,清管時(shí)可選擇稍大泵量。
2.2.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)
(1)鉆孔和濾管的長度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。
(2)鉆孔的仰角應(yīng)嚴(yán)格控制,且不得出現(xiàn)形成俯角;方向應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。
(3)套管內(nèi)清渣要干凈;管內(nèi)有渣時(shí),嚴(yán)禁安裝濾管。
(4)濾管的材料應(yīng)具有防腐性能,應(yīng)盡量采用UPVC;濾管的制作質(zhì)量應(yīng)符合要求,其連接應(yīng)可靠;管口外部要密封可靠等。
2.3.1 原理及特點(diǎn)
輻射井主要由主井、集滲管、排滲管組成,如圖3所示。主井設(shè)置在壩體內(nèi),其主要作用,一是集中集滲管排出的水,二是安放施工集滲管和排滲管的施工機(jī)械,因此主井的直徑不需要太大。集滲管是在主井內(nèi)中向壩內(nèi)不同方向和層位(深度)進(jìn)行設(shè)置的水平排滲濾管,以增大其排滲的范圍和深度,其方向可設(shè)置在尾礦庫內(nèi)浸潤線較高的位置,也可在不同層位設(shè)置多層(因?yàn)槲驳V庫中常含有尾礦泥層,屬弱或不透水層,應(yīng)避開),并通過集滲管將壩內(nèi)的水導(dǎo)入主井內(nèi)。排滲管是在主井內(nèi)設(shè)置的,將集滲管向主井內(nèi)排出的水集中排出壩外的管道。由于水平集滲孔輻射的范圍更大且可多層設(shè)置,因此降低浸潤線幅度會(huì)更大、更有效。適用于大型或即將閉庫的尾礦庫,但一次性工程費(fèi)用較大。輻射井?dāng)?shù)量可根據(jù)尾礦庫的具體情況和輻射井的影響范圍等因素綜合確定。
圖3 輻射井結(jié)構(gòu)示意
2.3.2 技術(shù)措施
輻射井排滲技術(shù)應(yīng)根據(jù)壩體長度、庫的面積、浸潤線的高低區(qū)域及施工環(huán)境等進(jìn)行布置。主井直徑為2.6~2.9 m,井壁厚度≮300 mm,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土等級一般為C25,鋼筋的設(shè)置按相關(guān)規(guī)范配置,井深根據(jù)壩體高度、降水位置及區(qū)域、壩內(nèi)施工環(huán)境等綜合考慮。集滲管可設(shè)置多層,其孔徑、跟管直徑和濾管直徑,以及鉆孔為仰角,濾管的制作方法等與水平排滲法相同;但由于施工設(shè)備在主井內(nèi),其施工能力受到限制,因此,單個(gè)集滲管長度(即影響范圍)不宜大于50 m。排滲管應(yīng)考慮主井內(nèi)集滲管數(shù)量、排滲管長度、設(shè)備能力等因素,一般要求成孔直徑為130 mm,同步跟管直徑為108~127 mm,受設(shè)備能力的影響,鉆孔的長度不宜超過80 m,鉆孔在井內(nèi)俯角為1°~3°。
2.3.3 施工方法
2.3.3.1 工藝流程
(1)主井施工。在壩體內(nèi)設(shè)計(jì)位置施工主井,主井施工主要采取沉井方式,井筒按一節(jié)一節(jié)向下沉,每節(jié)1 m為宜,最后一節(jié)應(yīng)高出壩面0.5~1 m。在沉井過程中,水位以上的可采用挖掘的方式,進(jìn)入水位以下可采取井內(nèi)排渣的方式,井內(nèi)排渣可選用高壓水液化后,排渣泵排渣的方式或直接采用抓斗清的方式,井筒在其自重作用下自然下沉,直到設(shè)計(jì)深度以下1~2 m,以備封底。主井的封底分二次進(jìn)行,第一次采用片石等壓制水頭,再利用預(yù)制的帶有減壓裝置的鋼筋混凝土板放入井內(nèi)壓制井內(nèi)尾砂,再用水下澆注的方法向井底澆注混凝土,待達(dá)到混凝土強(qiáng)度的70%后,抽取井筒內(nèi)的水,并清除井筒內(nèi)的殘?jiān)坏诙问窃谇謇砭畠?nèi)雜物后再進(jìn)行鋼筋混凝土澆注,其鋼筋必須與主井中的鋼筋焊接牢靠,混凝土厚度不宜小于500 mm。應(yīng)特別注意,在主井進(jìn)行排渣法施工過程中,井口周邊形成的坍塌面應(yīng)及時(shí)回填。
(2)排滲管施工。采用水平鉆機(jī)進(jìn)行施工,鉆機(jī)安放在井筒內(nèi),按設(shè)計(jì)的坐標(biāo)調(diào)整坐標(biāo)位置并調(diào)整好俯角。首先采用合金鉆鉆頭鉆穿過井筒壁,然后采用“堵砂逆止鉆頭”鉆進(jìn),同步跟管的方式進(jìn)行成孔作業(yè),直到穿過壩體到達(dá)指定的出水口位置即可。施工結(jié)束后,應(yīng)固定好井內(nèi)與出口的排滲管。
(3)集滲管施工。集滲管施工與“水平孔排滲法”施工相似,只不過鉆機(jī)是安裝在主井內(nèi)。不同層位的集滲管施工時(shí),主要靠調(diào)節(jié)鉆機(jī)在井筒內(nèi)的高度來實(shí)現(xiàn)。施工情況見圖4。
圖4 輻射井井內(nèi)施工照片
2.3.3.2 設(shè)備選擇
由于考慮到在井下有水的作業(yè)環(huán)境,施工設(shè)備應(yīng)是全液壓鉆機(jī),鉆機(jī)尺寸應(yīng)小于主井內(nèi)徑,鉆桿尺寸以1 m為宜;其它設(shè)備與水平孔排滲法相同。
2.3.3.3 施工技術(shù)參數(shù)
除推進(jìn)力與拉拔力稍小外,其它參數(shù)同水平孔排滲法。
2.3.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)
(1)主井:直徑(特別是內(nèi)徑)、沉入深度與垂直度、鋼筋與混凝土質(zhì)量、鋼筋的搭接(包括底鋼筋與井筒壁鋼筋)等。
(2)排滲孔:開孔(井內(nèi))坐標(biāo)位置、俯角、出口位置、排滲管質(zhì)量,特別是其防腐性等。
(3)集滲管:同“水排孔排滲法”。
(4)各集滲管在井內(nèi)均要固定好;排滲管在井內(nèi)入口和在壩體外出口均要固定并密封好。
2.4.1 原理及特點(diǎn)
在尾礦庫壩內(nèi)成井點(diǎn)管(輕型井點(diǎn)或深井),然后通過設(shè)備(真空泵或深井泵)抽水的方式,以降低庫壩內(nèi)水位。其特點(diǎn)是布置靈活,但主要是動(dòng)力機(jī)械抽水的方式實(shí)現(xiàn),屬強(qiáng)制性抽水;施工費(fèi)用較低,但運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。
2.4.2 技術(shù)措施與施工方法
2.4.2.1 輕型井點(diǎn)
在壩內(nèi)可采用高壓水套管沖擊法成孔,成孔直徑一般為150~250 mm,然后再安裝?20~40 mm輕型井點(diǎn)管,并將各井點(diǎn)管與總管(?50~80 mm)和真空泵連接,并通過真空泵造成的負(fù)壓,將水通過井點(diǎn)管的濾管進(jìn)入管路系統(tǒng),再由泵集中排出壩外。其抽水系統(tǒng)負(fù)壓應(yīng)不小于0.08 MPa;井點(diǎn)管底部的濾管長度為1~2 m,濾管開孔率為10%~15%,外包40~60目尼龍網(wǎng)和350~400 g/m2土工布;孔與井點(diǎn)管之間采用中粗砂回填,回填率≮95%,頂部1~2 m應(yīng)采用粘性土封堵嚴(yán)實(shí)。井點(diǎn)間距1~2 m,井點(diǎn)管深度不宜超過8 m。每臺真空泵帶動(dòng)的井點(diǎn)管數(shù)量,應(yīng)視現(xiàn)場情況確定,一般不宜超過40根。施工完成的輕型井點(diǎn)如圖5所示。
圖5 輕型井點(diǎn)
2.4.2.2 深(管)井
在壩內(nèi)可采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔,成孔直徑不宜小于500 mm,然后下入濾管等,濾管采用無砂混凝土管或其它形式的材料制作而成,直徑宜為200~350 mm,其底部應(yīng)封閉,并留有2.5~3.5 m沉砂管。鉆孔與井管之間應(yīng)回填級配合理的中粗砂,回填率≮95%。然后在井管內(nèi)安裝潛水泵,由潛水泵將庫壩內(nèi)的水排出壩外。潛水泵應(yīng)根據(jù)井深、井內(nèi)水量選擇確定。施工完成的深井無砂管如圖6所示。
圖6 深井無砂管
2.4.3 質(zhì)量控制要點(diǎn)
2.4.3.1 輕型井點(diǎn)
泵的真空度、井點(diǎn)管材質(zhì)量、井點(diǎn)管深度(長度)、濾管的長度及其制作、安裝、回填濾料的質(zhì)量與數(shù)量、井點(diǎn)管的間距與數(shù)量、頂部封孔的質(zhì)量,各管路連接的密封性等。
2.4.3.2 深(管)井
井深與井徑、井管材料與質(zhì)量、濾管質(zhì)量(包括制作)與長度、井底的封閉情況、回填濾料的質(zhì)量與數(shù)量、潛水泵的安裝位置等。
2.5.1 原理與措施
由于尾礦渣的透水性較好,而尾礦泥具有一定的隔水作用,為解決尾礦庫中兩者之間的透水性,通常采用塑料排水板、碎石樁、砂袋樁等技術(shù)措施串通尾礦泥隔水層的流通渠道,然后結(jié)合上述排滲方法,以有效降低壩體內(nèi)的整體浸潤線。設(shè)計(jì)原則是沿水平排滲管或集滲管方向布置。
2.5.2 技術(shù)措施與施工方法
2.5.2.1 塑料排水板
是采用專用設(shè)備將塑料排水板(“土工聚合物排水帶”的簡稱)安裝在設(shè)備的垂直鋼管套上并安裝專用樁尖,然后插入尾礦內(nèi),到達(dá)設(shè)計(jì)深度后,將鋼管套拔出并剪斷塑料排水板即可。塑料排水板寬100±2 mm,厚度(3.5~6.0)±0.5 mm;芯板的外面包化纖無紡布,起著隔土濾膜作用;其型號根據(jù)打入的深度可選擇A、B、C、D型(分別為15、25、30、40 m)。
2.5.2.2 碎石樁
應(yīng)盡量采用振動(dòng)沉管的方式進(jìn)行,碎石料從管內(nèi)灌入,邊灌料邊振動(dòng)邊拔管,以防縮徑造成斷樁。樁身直徑一般為200~400 mm;樁身垂直度≯1%。施工情況見圖7。
圖7 塑料排水板施工情況
2.5.2.3 砂袋樁
盡量采用振動(dòng)沉管的方式,也可以采取鉆孔的方式成孔;再將制作好的砂袋順著管的內(nèi)壁或鉆孔安放在管(孔)內(nèi)。采用振動(dòng)沉管時(shí),應(yīng)在砂袋進(jìn)入預(yù)訂后及時(shí)拔出管子;而采用鉆孔時(shí),應(yīng)采用清水鉆孔,如果采用泥漿鉆孔時(shí),應(yīng)清洗孔壁的泥皮。砂袋樁直徑一般為80~150 mm;樁身垂直度偏差≯1%。施工完成后的照片如圖8所示。
圖8 砂袋樁
2.5.3 質(zhì)量控制要點(diǎn)
2.5.3.1 塑料排水板
質(zhì)量應(yīng)可靠;埋設(shè)深度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求;下沉、搭接與埋設(shè)應(yīng)平整;頂部應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)高30~50 cm,且應(yīng)埋設(shè),以防暴露在空氣中老化。
2.5.3.2 碎石
樁深應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)深度;材料用量應(yīng)不少于理論用量的95%,且不得出現(xiàn)斷樁等現(xiàn)象;碎石應(yīng)級配合理且含泥量<5%。成孔直徑不得小于設(shè)計(jì)直徑。
2.5.3.3 砂袋樁
樁深應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)深度;應(yīng)采取350~400 g/m2土工布制成,縫制應(yīng)結(jié)實(shí),搭接部位應(yīng)不少于100 mm;每節(jié)袋長不宜超過2 m,以防砂袋質(zhì)量過大而斷裂。材料應(yīng)是級配合理且含泥量<5%的中粗砂。
2.5.3.4 樁位
板或樁位置應(yīng)合理,要穿透尾礦泥層且不影響其它排滲工程的施工。
3.1.1 項(xiàng)目概況
該庫因企業(yè)改制后,無人管理,被列為“安徽省十大安全隱患”之一,存在著嚴(yán)重的安全與環(huán)境污染等問題,政府通過該土地與房地產(chǎn)開發(fā)商進(jìn)行合作,對該項(xiàng)目進(jìn)行治理,其主要目的是消除安全隱患,如果能夠?qū)⒃撏恋剡M(jìn)行再利用,則更好。
3.1.2 治理方式
“振動(dòng)碎石樁+盲溝+水平孔聯(lián)合排滲法”進(jìn)行治理。振動(dòng)碎石樁主要作用是串通尾礦泥的隔水效應(yīng),同時(shí)也是增強(qiáng)尾礦庫地層的地基承載能力;盲溝是串通碎石樁并在尾礦庫面形成有效的排水系統(tǒng);而水平孔是排出尾礦庫內(nèi)更深層和距壩肩更遠(yuǎn)處的水。在方案的具體設(shè)計(jì)過程中,各類技術(shù)參數(shù)均做了較大的調(diào)整,如盲溝網(wǎng)的密度,水平排孔的深度和直徑,碎石樁的直徑等。如果將來結(jié)合預(yù)壓法等巖土工程技術(shù)對尾礦庫進(jìn)行地基處理,就可以形成有效的建筑用地。
3.1.3 治理結(jié)果
由于該庫擬作為建筑用地,因此,通過對該庫進(jìn)行治理前后的工程地質(zhì)勘察報(bào)告分析來看,各項(xiàng)工程地質(zhì)參數(shù)(含水率、內(nèi)摩擦角、粘聚力及地基承載力等)均有不同的改善。治理前后對比如圖9所示。
圖9 峴山尾礦庫治理前后對比
3.2.1 項(xiàng)目概況
該尾礦庫是馬鋼南山鐵礦的重要尾礦庫,為增加其庫容量,保證該庫的安全,已經(jīng)多次處理。2013年7月,由于庫內(nèi)浸潤線過高,再次進(jìn)行了治理。
3.2.2 治理方式
在庫內(nèi)施工2口輻射井,井深分別為12、14 m;集滲管均為上下層,分別為4根、6根,長度均為50 m,直徑為65 mm;排滲管長度為60 m,直徑為108 mm。如圖10所示。
3.2.3 治理結(jié)果
經(jīng)觀測庫內(nèi)浸潤線分別下降水了4.1、2.7 m。
圖10 城門峒1號副壩輻射井施工現(xiàn)場
取得了較好的效果,達(dá)到了預(yù)期的目的。
尾礦庫排滲工程技術(shù)方法是解決尾礦庫浸潤線的有效手段,其技術(shù)方法多屬于巖土工程技術(shù)范疇,但由于尾礦庫的工程地質(zhì)特性是地層軟弱,滲透性差別明顯且富含在庫壩內(nèi)的水位或浸潤線不同,同時(shí)對工程質(zhì)量的要求主要是要排出壩體的水,降低尾礦庫壩的浸潤線,保證尾礦庫壩的安全與穩(wěn)定,因此與巖土工程技術(shù)要求有所不同,特別是施工方法、對質(zhì)量控制等都要有其一定的獨(dú)特性,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)施工時(shí),應(yīng)考慮現(xiàn)場情況和其特殊性要求,有針對性采取相應(yīng)的技術(shù)措施,以便進(jìn)行有效地質(zhì)量控制,確保尾礦庫浸潤線能夠有效地降低,而且能夠達(dá)到一定的使用壽命。
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