楊家灣尾礦壩排滲加固實踐

黃 雯 李超前 李鵬飛 劉 曙

（武鋼資源集團程潮礦業(yè)公司，湖北鄂州436501）

楊家灣尾礦庫位于湖北省鄂州市澤林鎮(zhèn)的楊家灣溝，1991年10月份建成投入運行，尾礦庫的類型為山谷型尾礦庫，初期壩為透水堆石壩，壩高17.4 m，壩長146.459 m，壩頂寬5 m，壩頂標高為50 m，上游邊坡坡比1∶2，下游邊坡1∶1.3～1∶1.75，最終堆積標高95 m，總庫容1 880萬m3，為三等庫。

2006年楊家灣尾礦庫在堆積壩上設(shè)3座鋼筋混凝土輻射式排滲井，對尾礦堆積壩進行降低浸潤線工程措施，該方法原理簡單、效果明顯、降低浸潤線的范圍較大、后期維護管理費用低，但建設(shè)施工費用高［1］。隨著尾礦庫堆積壩標高上升，輻射式排滲井排滲能力不足，2017年楊家灣尾礦庫局部浸潤線偏高，子壩外坡出現(xiàn)局部沼澤化，兩側(cè)壩肩截水溝出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，存在安全隱患。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，同時查閱相關(guān)設(shè)計、施工及排滲設(shè)計資料，結(jié)合以往排除隱患的施工經(jīng)驗，采用輻射式排滲井多層敷設(shè)水平濾管和壩體表面水平濾管排滲聯(lián)合工藝，降低壩體浸潤線，控制實測浸潤線不高于設(shè)計的控制浸潤線，保證尾礦庫安全運行。

1 尾礦堆積壩浸潤線

1.1 設(shè)計的控制浸潤線

國家標準《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（GB 50863—2013）規(guī)定，尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深除應(yīng)滿足壩坡抗滑穩(wěn)定的條件外，應(yīng)滿足表1的要求，且任意高度堆積壩的浸潤線最小埋深可用插入法確定［2］。

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楊家灣尾礦庫最終堆積標高95 m，初期壩壩頂標高50 m，尾礦堆積壩高度H=45 m，根據(jù)插入法計算，楊家灣尾礦庫堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深≥3 m。

1.2 浸潤線現(xiàn)狀

尾礦庫的浸潤線是尾礦庫的“生命線”，是觀測尾礦庫安全運行的重要窗口，為了掌握尾礦庫浸潤線的埋深情況，一般需要埋置浸潤線水位觀測孔，量得浸潤線的埋深，并與設(shè)計要求的控制浸潤線進行比較，直觀地反映實測浸潤線是否滿足設(shè)計要求。

楊家灣尾礦庫浸潤線監(jiān)測分在線監(jiān)測及人工監(jiān)測：①在線監(jiān)測，楊家灣尾礦庫浸潤線監(jiān)測共設(shè)置20 個監(jiān)測點，分布于垂直于壩軸線的A、B、C、D、E、G 6個監(jiān)測斷面上，采用振弦式孔隙水壓力計測量，每個監(jiān)測點根據(jù)浸潤線人工監(jiān)測實際深度鉆孔，在各個鉆孔中布置套管，并在管壁預(yù)設(shè)的高度預(yù)制滲流段，在相應(yīng)的高度布置孔隙水壓力計，測量壩體內(nèi)孔隙水壓力的分布情況，間接測量浸潤線高度。②人工監(jiān)測，使用自制測量鐘現(xiàn)場對浸潤線人工觀測孔放線測量浸潤線埋深。

浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，施工前，楊家灣尾礦庫浸潤線監(jiān)測點A-1浸潤線埋深為1.90 m、G-1浸潤線埋深2.90 m，沒有達到設(shè)計的控制浸潤線埋深≥3 m的要求。

1.3 浸潤線偏高原因

1.3.1 上游式筑壩問題

楊家灣尾礦庫采用上游式筑壩，采用推土機筑子壩，人工修整邊坡和鋪土護坡。尾礦庫壩體尾砂粒徑組成水平和垂直2個方向均由粗變細，即壩前粗，庫尾細，上部粗，下部細。

水平方向：靠近壩體的透水性強，由壩體向庫內(nèi)透水性逐漸減小，水下礦泥層透水性更小。隨著堆積壩升高，庫內(nèi)積水區(qū)逐漸向庫尾推移，所以透水性小的礦泥層也往庫尾推移，其透水性的變化規(guī)律為K1＞K2＞K3＞K4（K為滲透系數(shù)），如圖1所示。

垂直方向：壩前分散放礦，粗顆粒尾砂在壩前沉積，隨著子壩升高，粗顆粒尾砂逐漸向庫內(nèi)推移，因此上部表層透水性強，由上向下透水性逐漸減弱，底部礦泥層透水性甚微。

大量勘察資料表明，尾礦沉積體內(nèi)或多或少的會有細泥夾層，特別是一些較厚的礦泥夾層嚴重阻礙了水的垂直下滲，導(dǎo)致浸潤線過高［3］。

1.3.2 尾礦壩放礦管理問題

（1）在尾礦排放過程中，由于礦漿在壩前灘面上形成擺動式的來回擺動流，形成較粗尾礦與細粒尾礦（或礦泥）互層，細粒尾礦層（或礦泥層）的厚度由不到1 mm至幾個mm，成為薄層隔水層，在整個尾礦壩剖面上，存在很多這樣的夾層。

（2）在尾礦排放過程中，以水為輸送介質(zhì)的礦漿沿沉積灘流動，礦漿的主要成分——水在流過有一定滲透性的沉積灘時，部分水進入尾礦的孔隙而滲入尾礦堆積體中，不斷為尾礦庫滲流補給。

1.3.3 尾礦庫的地形問題

楊家灣尾礦庫堆積壩原設(shè)計壩頂標高85 m，經(jīng)2006年擴容設(shè)計壩頂標高加高至95 m，隨著尾礦庫子壩堆筑，出現(xiàn)堆積壩兩側(cè)外坡表面沼澤化問題：一是壩體內(nèi)滲流量增加，原有3座輻射式排滲井排滲能力不足；二是楊家灣尾礦庫堆積壩長度約865 m，原有3座輻射式排滲井水平濾管布置的范圍有限，無法作用于尾礦壩兩側(cè)；三是楊家灣尾礦庫兩側(cè)山體基巖阻擋，滲流路徑變長，滲流無法順暢排出，導(dǎo)致尾礦壩兩側(cè)A-1、G-1附近實際浸潤線超出設(shè)計的控制浸潤線。

2 排滲加固工程設(shè)計

2.1 方案選擇

尾礦堆積壩排滲加固設(shè)施類型主要有貼坡排滲、排滲管排滲、管井排滲、垂直－水平聯(lián)合排滲、虹吸排滲、輻射井排滲等［4］。由于楊家灣尾礦庫實際浸潤線高于設(shè)計的控制浸潤線位置重點集中在堆積壩兩側(cè)局部范圍，且堆積壩已有3座輻射式排滲井，根據(jù)楊家灣尾礦庫的實際情況，為確保其生產(chǎn)期間和閉庫后的壩體穩(wěn)定性，經(jīng)濟技術(shù)比較后，認為采用排滲管排滲治理措施，較為經(jīng)濟合理。

2.2 工程布置

根據(jù)楊家灣尾礦庫現(xiàn)場調(diào)查和浸潤線數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對整個尾礦壩的工程地質(zhì)條件進行評估，確定楊家灣尾礦庫排滲加固工程的重點范圍，進行工程布置。

針對楊家灣尾礦庫3座輻射式排滲井濾水管淤堵，排滲效果下降，采用輻射式排滲井多層敷設(shè)水平濾管：在輻射式排滲井現(xiàn)有水平濾管上1 m處新增1排水平濾管，現(xiàn)有導(dǎo)水管下新增1根導(dǎo)水管。

針對楊家灣尾礦庫堆積壩兩側(cè)，因其超出輻射式排滲井作用范圍，且兩測山體基巖作為隔水邊界阻礙滲流路徑，采用水平濾管排滲方式，在堆積壩兩側(cè)一定范圍內(nèi)鋪設(shè)水平濾管排滲，減少滲流路徑，將壩體滲流直接引排至壩肩截水溝。楊家灣尾礦排滲加固工程平面圖見圖2。

2.3 工藝參數(shù)確定

根據(jù)施工水平，水平排滲管管深最長可達60 m，而水平排滲管間距一般按4～8 m布置，具體間距還必須根據(jù)現(xiàn)場滲流破壞程度、尾砂沉積規(guī)律（現(xiàn)場開挖探槽鑒定）、滲透特性以及實際排滲效果等因素綜合確定［5］。

水平排滲管出口標高及鉆孔傾角的確定，要考慮地下水位將要下降的幅度、壩體穩(wěn)定性、尾砂的沉積特性以及滲流量等因素［6］。由于楊家灣尾礦庫壩體兩側(cè)均為山體，壩體與山體間有壩肩截水溝，因此水平排滲管出口不應(yīng)低于壩坡排水溝或壩肩截水溝底部，否則無法將壩體滲流引出。水平排滲管出口標高及坡度也不宜過高，否則進入尾礦壩內(nèi)部的水平排滲管將會被埋設(shè)在已固結(jié)的黏粒尾砂層中，無法到達含水層，從而使濾水管不能充分發(fā)揮其排滲作用，達不到預(yù)期效果。因此根據(jù)實際情況，將孔口出口緊貼壩肩截水溝底部，坡度0.02，水平排滲管與壩軸線夾角75°，偏向兩岸方向。塑料管壁厚度、濾網(wǎng)和濾料的選擇根據(jù)經(jīng)驗結(jié)果而定，水平孔結(jié)構(gòu)見圖3。

3 排滲加固工程施工

3.4.1 輻射井內(nèi)排滲管施工

井內(nèi)排滲管需先在井內(nèi)安裝鋼平臺，鉆機放置于鋼平臺之上，同時用鉆機上的4根伸縮柱將鉆機固定在井壁之上。吸砂泵放置于鋼平臺之下，在鋼平臺上開孔將吸砂管伸出井外。施工工藝為同步跟管取芯鉆進法。鉆進至設(shè)計深度后，拔回鉆桿，洗凈套管內(nèi)尾砂，安裝排滲管。

3.2 輻射井導(dǎo)水管施工

井內(nèi)導(dǎo)水管施工前先將洗砂泵放入井底，將井內(nèi)原濾水管排滲的水用泵抽至井外排水渠，封堵原導(dǎo)水管防止雜物進入管內(nèi)，吊入鉆機進行安裝，開孔標高的調(diào)節(jié)由鉆機底部的4根?75 mm伸縮柱調(diào)節(jié)，鉆進過程中前進后退產(chǎn)生的后座力由支撐在井壁上的4根伸縮柱傳導(dǎo)至井壁固定。施工方法為同步跟管取芯鉆進法。鉆出壩體后，拔回鉆桿，同時回拉?120 mmPE管，PE管的連接采用熱融焊接工藝。

3.3 水平排滲管施工

首先挖出3.0 m×2.0 m×1.0 m的基坑，后下入制作好的鋼筋籠及預(yù)埋?18 mm地腳螺絲，然后澆灌C25混凝土，凝固至規(guī)定的強度，構(gòu)成鋼筋混凝土墩基，以固定水平鉆機。施工過程隨時觀測并確保鉆機軸線的方位及孔位與設(shè)計一致，采用水星二號水平孔鉆機施工。

施工工藝采用同步跟管鉆進，清水排渣法施工，首先按照鉆探工藝操作方法鉆進，再頂管跟進護壁，在水平孔鉆達設(shè)計深度后，先堵套管頭，再清洗鉆孔；用高壓清水排渣，直至清洗干凈為止；然后拔出鉆桿，下入槽孔管，槽孔管的連接采用承叉方式安裝，并用木螺絲固定，最后拔出套管。

4 排滲加固工程效果

4.1 滲流排量增加

滲流量的變化反映排滲設(shè)施排滲效果，在正常滲流條件下，滲流量變化不大或變化符合一定變化趨勢。楊家灣尾礦庫排滲加固工程實施，輻射排滲井滲流排量大幅度增加，具體滲流排量見表2。

根據(jù)現(xiàn)場測算數(shù)據(jù)，輻射排滲井滲流總排量由488 m3/d增加到981.09 m3/d，堆積壩右側(cè)水平濾管排滲量500 m3/d，左側(cè)水平濾管排滲量180 m3/d，排出壩體外水質(zhì)清澈透明，不含尾砂，排滲效果顯著提高，壩坡表面沼澤化部分已干涸，壩肩截水溝內(nèi)壁滲水現(xiàn)象已經(jīng)完全消失。

4.2 降低壩體浸潤線

尾礦庫的浸潤線能直觀地反映尾礦庫的滲流狀態(tài)，如圖4所示。降低尾礦庫的浸潤線，可使尾礦庫的堆積邊坡最大限度地處在疏干狀態(tài)，因此壩體內(nèi)浸潤線最小埋深即可反映排滲設(shè)施排滲效果。工程實施前后壩體觀測孔浸潤線的埋深數(shù)據(jù)見表3。

從表3可知，尾礦壩浸潤線埋深在工程竣工后大幅度提高，浸潤線埋深最大增加3.62 m，最小增加0.35 m，平均增加0.67 m，尤其是A-1和G-1監(jiān)測點范圍浸潤線得到控制，A-1點浸潤線埋深5.14 m，G-1點浸潤線埋深4.27 m，達到《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（GB 50863—2013）浸潤線最小埋深規(guī)定。

5 結(jié)語

（1）楊家灣尾礦庫采用輻射式排滲井多層敷設(shè)水平濾管和壩體表面水平濾管聯(lián)合排滲工藝，提高了尾礦庫排滲能力，降低了浸潤線，實現(xiàn)了實際浸潤線不高于設(shè)計的控制浸潤線的要求。

（2）采用輻射式排滲井多層敷設(shè)水平濾管后，3座輻射排滲井滲流總排量由488 m3/d增加到981.09 m3/d，排出壩體外水質(zhì)清澈透明，不含尾砂，排滲效果顯著提高。

（3）堆積壩兩側(cè)采用水平濾管排滲工藝后，降低了浸潤線，A-1點浸潤線埋深5.14 m，G-1點浸潤線埋深4.27 m，達到《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（GB 50863—2013）浸潤線最小埋深規(guī)定。

（4）楊家灣尾礦庫排滲設(shè)施加固后，堆積壩兩側(cè)壩肩截水溝滲水的現(xiàn)象已基本消除，堆積壩兩側(cè)外坡表面沼澤化問題已經(jīng)得到解決，尾礦庫壩體的安全得到有效保證。