大口輻射井在尾礦庫堆積壩排滲中的應(yīng)用

李曉彎

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興334200）

1 引言

尾礦庫是礦山的三大控制性工程之一，它是指人工構(gòu)筑攔截谷口或圍地而成的、被用于貯存金屬、非金屬礦山礦石經(jīng)選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所［1-2］，是礦山企業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)施，它的安全與穩(wěn)定對礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)和運(yùn)營起到了至關(guān)重要的作用［3-5］。影響尾礦庫壩體穩(wěn)定性的因素有很多，如堆積尾礦的顆粒組成、壩體的堆筑形式、壩體內(nèi)尾礦沉積分層情況、尾礦堆積壩坡度、沉積灘長度、滲流場（包括初期壩的透水性、壩體浸潤線高度、庫內(nèi)尾礦堆積體的透水性）等，其中滲流場是一個(gè)非常重要的影響因素［6］。滲流場中一個(gè)重要的指標(biāo)是浸潤線。浸潤線是指隨著尾礦庫內(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，浸潤線是尾礦壩的生命線［7］。對于高壩體尾礦庫而言，其具有水頭高，滲徑短的特點(diǎn)[8]，隨著壩體的不斷加高，會造成壩內(nèi)積水，如果不能采取有效措施加大排滲，壩體內(nèi)浸潤線會明顯抬升，局部甚至?xí)鲆纾苯佑绊憠误w安全。因此，對高壩體尾礦庫采取必要排滲措施是十分必要的。

2 德興銅礦2#尾礦庫概況

江銅德興銅礦2號尾礦庫位于江西省德興市泗洲鎮(zhèn)樂安江南岸銅埠村，距離礦區(qū)約7km主要堆存德興銅礦泗洲選礦廠排出的尾礦。該尾礦庫于1985年投入使用，其初期壩為千枚巖塊石砌筑而成的透水堆石壩，位于樂安江南岸110m處溝口，壩頂高程70.0m，壩高24.0m，設(shè)計(jì)最終尾礦堆積標(biāo)高250m，平均堆積邊坡1∶7，總壩高204m，總庫容約1.0×108m3，屬于Ⅱ等庫。2號尾礦庫本應(yīng)為選廠服務(wù)至1997年，為節(jié)省3號尾礦庫工程建設(shè)投資，德興銅礦停止3號尾礦庫建設(shè)繼續(xù)使用2號尾礦庫。在1993年前，2號庫需承擔(dān)4.5×104t/d生產(chǎn)能力的尾礦堆放，自1993年開始，泗洲選礦廠尾礦已向4號庫分流，只是臨時(shí)向2號庫堆放，減緩了2號庫堆積壩體的上升速度。

2.1 初期壩

初期期壩為透水堆石壩，壩高24m，壩頂標(biāo)高70.0m，壩頂寬5.0m，壩頂長148.5m，內(nèi)外坡比均為1∶1.75，58m標(biāo)高處設(shè)2m寬馬道，外坡表面為干砌大塊石護(hù)坡。初期壩內(nèi)坡鋪設(shè)反濾層，自壩體由內(nèi)到外分別鋪設(shè)0.6m厚d=5～50mm碎石、d=1～5mm礫石、d=0.25～0.5mm砂及0.6～2.2m厚土石混合料保護(hù)層，壩底亦鋪設(shè)反濾層，從下到上分別鋪設(shè)0.6m厚d=0.25～0.5mm砂、d=1～5mm礫石、d=5～50mm碎石，壩底設(shè)D=0.8m泄水管。根據(jù)安全檢查勘察調(diào)查結(jié)果，初期壩壩體完整，未見明顯變形位移跡象，且未出現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 堆積壩

尾礦庫采取上游式筑壩。目前堆積壩灘頂標(biāo)高約為184m，干灘長約580～630m，壩總長約795m，堆積總高度為138m。在壩坡上每隔1.2～3.0m高差設(shè)置一條馬道，各級馬道斜坡坡比約1∶3.7～1∶4.6，壩體平均外坡比為1∶6.9。堆積壩上每3級馬道坡腳設(shè)置了橫向排水溝，壩坡設(shè)置了縱向排水溝，其中縱溝11條，橫溝28條，水溝基本完整，一般深度0.3～0.6m深，縱向水溝深度可達(dá)1.1m，寬0.3～0.5m，縱向水溝可達(dá)0.8m。壩面水最終經(jīng)初期壩東西兩側(cè)水溝排出。

2.3 排洪系統(tǒng)

尾礦庫排洪系統(tǒng)采用D=2.0m排水井接B×H＝2.0×2.0m排水隧洞，排水井共8座，隧洞總長3467.40m，其中斜洞371.58m，目前已使用至6號排水井。隧洞全段采用鋼筋混凝土支護(hù)。截止至勘察期間，1號～5號排水井及其支洞均已封堵完畢。

2.4 排滲系統(tǒng)

在尾礦庫建設(shè)時(shí)，排滲系統(tǒng)由排滲豎井和排滲層組成，共有13個(gè)排滲豎井、12萬m2的排滲層與以“Y”形鋪設(shè)長為1500m的排滲管連通，組成水平和垂直的聯(lián)合排滲系統(tǒng)，水最終經(jīng)初期壩底部在壩前排出，流量約2.4L/s。

1997年由于浸潤線長期偏高，為了降低浸潤線，我公司于1998年在21號平臺（105m標(biāo)高）施工了2座、28號平臺設(shè)置1座大口輻射滲井，D=2.9m，其下部設(shè)置有水平集滲管和1根水平排滲管，由水平排滲管導(dǎo)出滲井內(nèi)的積水。

在堆積壩升高過程中，在18個(gè)平臺分別向壩內(nèi)放置了Φ65帶孔聚氯乙烯波紋管，橫向間距不等，一般長50～80m，并延伸至平臺內(nèi)側(cè)的排水溝，將尾礦水排滲排至壩坡排水溝內(nèi)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，出口多數(shù)被褐色氧化沉淀物堵塞，現(xiàn)仍有半數(shù)排滲管在排水，一般呈滴狀或線狀排水，少量呈小股狀涌水。

3 浸潤線偏高原因分析

2號尾礦庫壩體實(shí)測浸潤線埋深普遍處于6m以下，尾礦庫壩體處于浸潤線高水位運(yùn)行狀態(tài)，對壩體的整體抗滑穩(wěn)定不利。通過尾礦庫現(xiàn)狀勘察資料分析，浸潤線偏高原因主要如下。

（1）原有堆積壩排滲管由于使用年限較長大部分均已堵塞，大大降低了原有的排滲效果。由于尾礦成分含硫較多等原因，尾礦庫21號和28號平臺大口輻射井的排滲管在非滿管流狀態(tài)運(yùn)行時(shí)會夾雜大量空氣，加快了水中礦物質(zhì)的氧化固結(jié)，形成沉淀物，堵塞了集滲管和排滲管。同時(shí)，大口輻射井施工至今，已有近16年，管道堵塞日益加重，大大影響或破壞了大口輻射井的排滲能力。

（2）2號尾礦庫從1985年投入使用至今已運(yùn)行近35年，根據(jù)工勘報(bào)告庫內(nèi)尾砂已出現(xiàn)板結(jié)，堆積壩體內(nèi)有大量透鏡體存在，影響尾礦庫排滲。

（3）在子壩堆壩時(shí)雖然鋪設(shè)了排滲管，但由于尾礦庫平均堆積邊坡達(dá)1∶6.9，故長度在50～90m的排滲管對主浸潤線的降深作用不大。

4 排滲設(shè)施設(shè)計(jì)

4.1 增設(shè)水平排滲層設(shè)計(jì)

水平排滲系統(tǒng)主要由土工席墊集滲帶、集滲管和排滲管三部分組成。

（1）土工席墊集滲帶：土工席墊集滲帶由土工布外包土工席墊組成，平行壩軸線布置在尾礦庫沉積灘內(nèi)，是水平排滲系統(tǒng)的核心部分。由于土工席墊集滲層具有很大的滲透性，集滲帶面積較大，尾礦庫堆積壩體內(nèi)水分通過相對透水的尾砂層大量滲透至土工席墊集滲層。

案例教學(xué)法在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在若干問題，因此對于“會計(jì)學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)，完善案例教學(xué)法，其根本目的在于提高教學(xué)質(zhì)量，更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。因此，在運(yùn)用過程中要求教師在選取案例時(shí)注意選取兼具針對性與可分析性案例，所選案例應(yīng)符合時(shí)代背景，貼近現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)生活，同時(shí)建立高水準(zhǔn)的專業(yè)課程案例庫，定期或不定期進(jìn)行案例更新。除此之外，與傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)方法相比，雖然教師仍然是課堂教學(xué)的核心，但教師需要扮演的角色更為復(fù)雜，因此對教師綜合素質(zhì)的要求也更高。教師在具備扎實(shí)專業(yè)功底的同時(shí)，也應(yīng)具備充分的信息加工與分析能力，同時(shí)具有能夠引導(dǎo)與激發(fā)學(xué)生主動思考的能力，合理將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。

排滲層寬度確定：設(shè)計(jì)土工席墊壩體排滲層滲流量大于尾砂壩體排滲流量。壩體排滲層流量計(jì)算公式：

K為排滲層上尾砂滲透系數(shù)；J為滲透坡降，設(shè)計(jì)視為局部垂直下滲J=1；S為集滲層面積，S=b×L；b為排滲層寬度，L取1m；堆積壩體尾砂滲流量計(jì)算：

K為堆積壩體尾砂平均滲透系數(shù)；H為兩層排滲層之間高差，10m；h為排滲層上水頭，取值1m；L為兩層排滲層之間的水平距離，L＝70m。

根據(jù)計(jì)算，為保證Q≥q時(shí)，排滲席墊單寬b≥0.71m。設(shè)計(jì)考慮到席墊排滲層可能局部淤堵等原因，本設(shè)計(jì)設(shè)置三道2m寬、間距2m、10mm厚的土工席墊，可有效保證排滲系統(tǒng)的安全性。

（2）集滲管：集滲管是土工席墊集滲帶上方布置的匯集滲水的裝置。集滲管擬采用DN100盲管。

根據(jù)公式：

集滲鋼管上水頭為2m時(shí)，每段集滲鋼管集滲長度為100m，i＝0.02?？捎?jì)算單段出口流量Q=1.9×10-3m3/s，按平均8根排滲鋼管總流量為Q=1.52×10-2m3/s，可滿足排滲要求。

（3）排滲管：排滲管是用來排出土工席墊集滲層及集滲管收集的尾礦水。尾礦庫排滲席墊單層席墊滲水流量，取K=2.11×10-4cm/s；J=1；L為席墊長度，即壩軸線長度，取最大值920m。S=b×L=1840m2，可得Q=1.34×10-3m3/s，最大排滲水量為116m3/d。

設(shè)計(jì)根據(jù)排滲帶土工席墊寬度，擬將壩體排水鋼管間距設(shè)置為100m，排滲鋼管一共為8根。設(shè)計(jì)擬采用DN100排滲鋼管，鋼管坡度i=0，席墊上水頭按2m計(jì)算，水力坡度按i=0.8%。

根據(jù)公式：

可計(jì)算得，單根排滲鋼管的流量為Q＝1.9×10-3m3/s，設(shè)計(jì)考慮尾礦庫排滲管是隱蔽工程，并且使用年限久后容易淤堵，同時(shí)壩軸線較長，平均達(dá)800m以上，8根排滲管總水流量為Q＝1.52×10-2m3/s，滿足滲水量需求。

本工程的土工席墊集滲帶為三條2m寬、間距2m、10mm厚的土工席墊外包400g/m2土工布，長度達(dá)到兩岸山體，形成排滲帶，平行壩軸線布置在距離壩前150m位置的沉積灘上。土工布需進(jìn)行搭接，搭接寬度不小于20cm；集滲管為DN100盲管，管身外包400g/m2土工布。平行布置在土工席墊集滲帶中央上方，并在集滲鋼管上方附墊有1m寬的土工席墊集滲帶；排滲管為DN100排滲鋼管，垂直壩軸線水平布置，坡度i=0，每兩根排滲鋼管之間的間距為100m。土工席墊排滲層隨著尾礦庫堆積壩體的升高而鋪設(shè)，從185m標(biāo)高開始，壩體每上升10m設(shè)置一道，共6道，最后一道設(shè)置在235m標(biāo)高。

4.2 大口輻射井設(shè)計(jì)

新建大口輻射井集滲管和排滲管均設(shè)置成淹沒出流，可大大降低集滲管和排滲管與空氣接觸的概率，能有效的防止管道結(jié)垢堵塞，延長大口輻射井的有效使用年限。同時(shí)，大口輻射井的集滲管、排滲管埋藏深度深，對降低壩體主浸潤線具有更大的優(yōu)勢。

在已有堆積壩體上修建原設(shè)計(jì)132.7m（3座）標(biāo)高和148m（4座）標(biāo)高共7座大口輻射井，并在164m標(biāo)高增建4座大口輻射井，共11座大口輻射井。大口輻射井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井內(nèi)徑為2.9m，井壁厚0.3m，井深20m。尾礦庫設(shè)置大口輻射井的目的是降低浸潤線，經(jīng)分析在平行于壩軸線方向采用一字型集滲，其降低浸潤線效果優(yōu)于上半圓輻射狀集滲效果，故本次設(shè)計(jì)大口輻射井采用一字型集滲方式。集滲管采用DN60HDPE管，長L=50m，上下共五層，共20根，管周開孔外包400g/m2的土工布兩層。排滲管長L=140m，采用DN100HDPE管。

大口輻射井集滲管出口盡量布置在井內(nèi)水位以下，以保證淹沒出流。大口輻射井排滲管進(jìn)口一般為淹沒式半壓力流，但當(dāng)進(jìn)口水深較淺時(shí)也會產(chǎn)生空氣漩渦吸入空氣，這是導(dǎo)致排滲管進(jìn)口段堵塞的原因，故要求排滲管進(jìn)水口按圖1進(jìn)行制作，保證進(jìn)水口低于水面0.5m以上。大口輻射井施工時(shí)會有尾礦漿排出，需采取臨時(shí)存儲措施，避免污染環(huán)境。

圖1 大口輻射井排滲管進(jìn)水口布置示意圖

新建132.7m、148m和164m標(biāo)高大口輻射井后，通過建立尾礦壩二維有限元滲流模型，對堆積壩中的大口輻射井進(jìn)行模擬并考慮一定程度的折減，對比分析尾礦庫已有大口輻射井疏通前后及新建大口輻射井后對尾礦庫壩體浸潤線埋深降深的效果，見表1和 圖3至 圖7。

圖3 尾礦庫現(xiàn)狀（21號和28號平臺大口輻射井失效）浸潤線埋深

圖7 已有和續(xù)建大口輻射井正常運(yùn)行壩體浸潤線埋深

表1 德興銅礦2號尾礦庫各壩體浸潤線埋深 m

由分析結(jié)果可知，在132.7m、148m和164m標(biāo)高新建11座大口輻射井后，在大口輻射井影響范圍內(nèi)（128～184m標(biāo)高），尾礦庫壩體浸潤線埋深降深效果明顯，浸潤線埋深降深5～12m，平均降深約8.5m，浸潤線平均埋深15m。

圖2 尾礦庫浸潤線點(diǎn)位置圖

圖421 號和28號平臺大口輻射井正常運(yùn)行壩體浸潤線埋深

圖5 新增132.7m標(biāo)高大口輻射井壩體浸潤線埋深（21號、28號平臺井正常運(yùn)行）

圖6 新增132.7m和148m標(biāo)高大口輻射井壩體浸潤線埋深（21號、28號平臺井正常運(yùn)行）

5 實(shí)施后的效果

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》中尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深（下表2）《德興銅礦2#尾礦庫降排滲工程初步設(shè)計(jì)》，現(xiàn)狀尾礦庫屬二等庫，設(shè)計(jì)浸潤線最小埋深為8m，在增設(shè)11座大口輻射井后，現(xiàn)場實(shí)測浸潤線數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對比如表3，通過對比可知增設(shè)大口輻射井后，浸潤線埋深降深效果顯著。

表2 尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深

表3 浸潤線監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)表 m

6 結(jié)語

德興銅礦2#尾礦庫堆積壩增設(shè)大口輻射井及水平排滲層以后，效果顯著，壩體浸潤線平均埋深變?yōu)?5m，滿足設(shè)計(jì)要求，有效保證了壩體穩(wěn)定性，包括大口輻射井在內(nèi)的相關(guān)降滲方案可供類似尾礦庫借鑒。