尾礦庫框架式排水井拱蓋板的最小厚度

蘇偉強，李斌華

（1.四川西冶工程設(shè)計咨詢有限公司，四川 成都 610051；2.四川省冶金地質(zhì)勘查院，四川 成都 610051）

尾礦庫屬于重大危險源，一旦發(fā)生潰壩或尾礦泄露事故，將對下游造成嚴重破壞。我國尾礦庫病害事故中，排洪系統(tǒng)的病害事故占33.3%[1]?？蚣苁脚潘俏驳V庫常見的排洪設(shè)施，適應(yīng)性強，應(yīng)用廣泛。一座排水井從投入使用到停止使用和封堵，運行期間任何一塊拱蓋板失事，都可能導(dǎo)致一定程度的尾礦泄露，破壞環(huán)境，危害社會。此前，劉瀚和、趙自越等分析指出，拱蓋板內(nèi)徑3m、井架荷載高度30m的情況下，拱蓋板厚度取0.10m，配筋滿足最小配筋率要求即可；并提出排水井拱蓋板的安全是一個系統(tǒng)問題，設(shè)計、施工、管理過程的各參與方為蓋板安全的利益共同體，設(shè)計在技術(shù)把控上，應(yīng)該對蓋板的施工和安裝管理提出要求，確保拱蓋板在使用過程中符合雙鉸拱環(huán)形受壓的設(shè)計工況[2]。文獻[3]提出拱蓋板厚度不小于0.07m，亦不宜大于0.15m。本研究針對常用尺寸排水井的拱蓋板，以井架高度、拱蓋板跨度、厚度為控制變量，證實了尾黏土荷載條件下拱蓋板存在安全使用的最小高跨比，拱蓋板最小厚度和拱蓋板內(nèi)徑、井架高度之間正相關(guān)，并給出了尾黏土荷載作用下常用尺寸范圍內(nèi)拱蓋板最小厚度，可為類似設(shè)計提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

框架式排水井一般由井架、井座等部分構(gòu)成。本研究中井架圈梁內(nèi)徑記為d，拱蓋板內(nèi)徑記為D。常用框架式排水井圈梁內(nèi)徑d一般為2.1m～4.1m，拱蓋板內(nèi)徑D一般為2.5m～4.5m[4]。近年來，特別是在我國南方山區(qū)或雨水豐沛地區(qū)，隨著尾礦庫單庫建設(shè)規(guī)模逐漸增大，框架式排水井尺寸有擴大趨勢，圈梁內(nèi)徑d達到5m的排水井已經(jīng)較為常見。拱蓋板幾何模型為圓弧拱，工程實踐中常見排水井拱蓋板跨度l多集中于1.4m～1.9m之間，高跨比ρ多集中于0.04～0.18之間。

1.2 力學(xué)模型

拱蓋板通常為鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，安裝時兩端緊靠凸字形立柱，力學(xué)模型為雙鉸拱，為一次超靜定結(jié)構(gòu)。排水井周邊被尾礦和水包圍后，拱蓋板承受沿拱圈軸線均勻分布的水平徑向荷載，忽略軸力的影響，則內(nèi)力為無彎矩狀態(tài)，拱圈軸線方向各截面彎矩為零，桿件為純受壓構(gòu)件[5]。內(nèi)力計算時，可將沿拱圈軸線均勻分布的水平徑向荷載，分解為沿跨度方向均勻分布和沿拱矢方向雙向?qū)ΨQ分布的均布荷載分別計算后疊加求解。

2 荷載構(gòu)成

尾礦庫運行期間，按照庫內(nèi)水位控制要求，隨著尾砂沉積灘面和水位上升，逐步安裝拱蓋板擋水擋砂。埋入尾礦沉積灘下單獨的一塊拱蓋板，承受尾礦荷載和靜水荷載，尾礦荷載按照水平淤砂理論計算[6]，水荷載按照靜水壓強理論計算。

對于任意的已建成的排水井，隨著庫內(nèi)尾砂堆積高程和水位上升，拱蓋板承受的水平荷載逐漸增加，沿井架立柱豎直方向最底部的拱蓋板比頂部拱蓋板承受荷載大。尾礦堆積至排水井頂面高程之前，需要按照設(shè)計對排水井進行封堵，該排水井即宣告報廢。故排水井的尾礦荷載和水荷載高度只需按照井架高度計算[3]。井架高度取工程實踐中常用高度18m、24m、30m為代表進行分析計算。

對于不同的尾礦，由于物理力學(xué)性質(zhì)不同，相同環(huán)境下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)也不同，尾礦性質(zhì)分類按照文獻[7]附錄C分類方法，選取尾細砂、尾粉土、尾黏土三種代表性尾礦進行分析計算，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見表1。水的重度按9.81 kN/m3計。

表1 尾礦平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 內(nèi)力分析

拱蓋板內(nèi)力計算以井架高度、尾礦性質(zhì)為荷載控制變量，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，求解拱蓋板軸向壓力[8]。內(nèi)力計算按井架高度分為18m、24m、30m三組進行，以井架高度30m為例，軸力計算結(jié)果詳見圖1，可以看出，①對于一定性質(zhì)的尾礦，拱蓋板高跨比對軸向壓力的大小影響顯著，隨著高跨比的增大，軸向壓力顯著減小。采用較大的高跨比，能夠顯著減小拱蓋板軸向壓力。②對于一定性質(zhì)的尾礦，拱蓋板跨度對軸向壓力大小存在影響，跨度大者軸向力也大；跨度對軸向力影響程度隨著高跨比的增大而減少。③黏性土荷載作用下拱蓋板軸向力大于非黏性土。

圖1 拱蓋板軸向壓力與高跨比關(guān)系（30m高井架）

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 基礎(chǔ)條件設(shè)置

（1）材料?；炷翗?biāo)號為C30，抗壓強度設(shè)計值fc=14.3N/mm2，鋼筋種類為HRB400，抗拉強度設(shè)計值及抗壓強度設(shè)計值相等，即fy=fy'=360N/mm2。

（2）環(huán)境。排水井工作環(huán)境通常為有輕度化學(xué)侵蝕性地下水的地下環(huán)境，環(huán)境類別為三類。

（3）建筑物級別及承載力安全系數(shù)。設(shè)定建筑物級別為2級，荷載效應(yīng)為基本組合，承載力安全系數(shù)K=1.20。

4.2 分析方法

軸心受壓構(gòu)件，正截面受壓承載力應(yīng)符合下列規(guī)定[9]：

式中：K為承載力安全系數(shù)，取值1.20；N為軸向壓力設(shè)計值，N；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，N/mm2；A為構(gòu)件截面面積，mm2；fy'為縱向鋼筋抗壓強度設(shè)計值，N/mm2；As'為全部縱向鋼筋的截面面積，mm2；φ為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按文獻[9]表6.3.1確定。

4.3 合理高跨比與最小高跨比

排水井在使用時，需要有足夠的干灘長度和澄清距離，排水井一般位于靠近灘面尾部位置，井架周圍沉積尾礦以細粒、黏粒為主。以尾黏土為例，拱蓋板縱向受力鋼筋計算按常用井架高度分18m、24m、30m三組，拱蓋板厚度b按常見厚度設(shè)定為0.10m、0.12m、0.14m三類，不同跨度和高跨比情況下縱向受力鋼筋計算面積詳見圖2～4。

圖2 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關(guān)系（18 m高井架）

軸心受壓構(gòu)件設(shè)計時，為了改善構(gòu)件性能，避免混凝土突然壓潰，并使構(gòu)件具有必要的剛度和抵抗偶然偏心作用的能力，配筋量需要滿足最小配筋率要求，即ρ＞ρmin=0.55%；同時考慮到配筋過多的構(gòu)件在長期受壓混凝土徐變后卸載，鋼筋彈性恢復(fù)會在構(gòu)件中引起橫裂，所以配筋量也不應(yīng)該大于最大配筋率，即ρ＜ρmax=5.0%[9]。圖2～4中單點劃線為最大配筋率對應(yīng)鋼筋面積，雙點劃線為最小配筋率對應(yīng)鋼筋面積，位于兩者之間即為合理高跨比，從圖中可以看出，①高跨比對拱蓋板配筋量大小影響顯著，隨著高跨比增大，配筋量顯著減小。采用較大的高跨比，能夠顯著減小拱蓋板配筋量。②荷載一定的條件下，較小的拱蓋板厚度，其合理高跨比數(shù)值相對較大，以圖2為例，（a）、（b）、（c）幅對應(yīng)拱板厚度逐漸增加，曲線逐漸變陡，與最大配筋率單點劃線和最小配筋率雙點劃線的交點均左移，合理高跨比區(qū)間左移且變小。③井架高度對合理高跨比影響顯著，拱蓋板跨度、厚度一定的條件下，井架高度越高，所需要的合理高跨比數(shù)值越大。

圖3 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關(guān)系（24m高井架）

圖4 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關(guān)系（30m高井架）

從設(shè)計角度考慮，①對于圖中曲線上任一點，若縱坐標(biāo)值位于最大配筋率對應(yīng)單點劃線上部，說明計算配筋結(jié)果大于最大配筋率，在設(shè)計中應(yīng)該避免出現(xiàn)。②對于圖中曲線上任一點，若縱坐標(biāo)值位于最小配筋率對應(yīng)雙點劃線之下，說明計算配筋結(jié)果小于最小配筋率，按最小配筋率和構(gòu)造配筋即可。③對于圖中曲線上任一點，若縱坐標(biāo)值位于最大配筋率對應(yīng)單點劃線和最小配筋率對應(yīng)雙點劃線之間，說明按計算結(jié)果配筋后，拱蓋板結(jié)構(gòu)尺寸、強度是能夠滿足相應(yīng)荷載條件下的強度要求，也不會產(chǎn)生大的強度富余，對應(yīng)高跨比為合理高跨比。④對于任意一種狀態(tài)，最大配筋率對應(yīng)的合理高跨比下限，即為最小高跨比，設(shè)計中應(yīng)確保拱蓋板高跨比大于最小高跨比。

將圖2～4中各狀態(tài)最小高跨比，按井架高度H分為18m、24m、30m三組，建立不同跨度情況下拱蓋板最小高跨比與拱蓋板厚度之間的關(guān)系，詳見圖5。

圖5 拱蓋板軸線最小高跨比與厚度關(guān)系

圖5表明井架高度、拱蓋板跨度、拱蓋板厚度均對最小高跨比影響較大。在井架高度、拱蓋板厚度一定的情況下，跨度越大，滿足安全要求的高跨比越大，能夠適應(yīng)的拱蓋板內(nèi)徑越小；在井架高度、蓋板跨度一定的情況下，厚度越小，滿足安全要求的高跨比越大，能夠適應(yīng)的拱蓋板內(nèi)徑越小。

4.4 拱蓋板最小厚度

根據(jù)圓弧拱軸線幾何圖形，可以得出拱蓋板內(nèi)徑D和高跨比ρ、跨度l之間有如下關(guān)系：

在拱蓋板跨度一定的情況下，最小高跨比對應(yīng)所能適應(yīng)的最大拱蓋板內(nèi)徑。根據(jù)圖5，建立最小高跨比情況下拱蓋板最大內(nèi)徑和跨度之間的關(guān)系。詳見圖6。

圖6 最小高跨比情況下拱蓋板內(nèi)徑與跨度關(guān)系

從圖6中可以看出，井架高度、拱蓋板跨度相同時，拱蓋板厚度越小，滿足安全要求的拱蓋板最大內(nèi)徑越??；井架高度相同、高跨比為最小高跨比時，跨度對拱蓋板最大內(nèi)徑影響非常微小，對圖6中每一厚度系列拱蓋板內(nèi)徑取最小值，通過線性回歸方法便可以建立拱蓋板最小厚度與內(nèi)徑、井架高度之間關(guān)系，詳見圖7、8。圖中拱蓋板最小厚度與拱蓋板內(nèi)徑明顯線性正相關(guān)，拱蓋板最小厚度與井架高度明顯線性正相關(guān)。

圖7 拱蓋板最小厚度與內(nèi)徑關(guān)系

圖8 拱蓋板最小厚度與井架高度關(guān)系

基于圖7、8所示拱蓋板最小厚度與拱蓋板內(nèi)徑、井架高度之間關(guān)系，求得尾黏土荷載作用下常用尺寸范圍內(nèi)拱蓋板最小厚度，繪于坐標(biāo)紙內(nèi)，可用于工程設(shè)計和建設(shè)實踐，詳見圖9。

圖9 常用尺寸拱蓋板最小厚度

5 結(jié)論

（1）拱蓋板存在安全使用的最小高跨比，較大高跨比能夠減小尾礦荷載作用下拱蓋板內(nèi)力。

（2）拱蓋板常用厚度0.10m不具有普遍適用性。井架高度一定的情況下，拱蓋板最小厚度與內(nèi)徑之間線性正相關(guān)；拱蓋板內(nèi)徑一定的情況下，拱蓋板最小厚度與井架高度之間線性正相關(guān)。

（3）尾黏土荷載作用條件下，井架高度不大于30m、拱蓋板內(nèi)徑不大于3.0m時，拱蓋板厚度可直接取0.10m，不進行截面厚度復(fù)核；拱蓋板內(nèi)徑介于3.0m至4.5m之間時，宜根據(jù)井架高度進行截面厚度復(fù)核；井架高度大于18m且拱蓋板內(nèi)徑大于4.5m時，應(yīng)進行截面厚度復(fù)核。

（4）結(jié)合實際應(yīng)用中拱蓋板制作、運輸、安裝的可操作性和便利性，拱蓋板內(nèi)徑較大時，井架高度不宜過高。