某尾礦庫排水斜槽滲漏分析及治理

丘永富

（新疆金寶礦業(yè)有限責任公司）

尾礦庫不僅是礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)業(yè)中的關鍵設施，同時也是重大的危險源之一［1］。尾礦庫中的涵洞斜槽等排洪設施，多屬于填埋式，根據(jù)尾礦庫的容量大小，設置于尾砂下數(shù)十米甚至上百米深度處。由于上覆堆積尾砂厚度極大，庫內(nèi)水位較高，若排水斜槽局部發(fā)生坍塌損壞，庫內(nèi)飽和尾砂極有可能在水力作用下沿排水斜槽快速流失，造成尾礦庫區(qū)或壩面塌陷，嚴重時甚至引發(fā)尾礦庫潰壩事故，造成巨大損失［2］。因此確保尾礦庫的排洪系統(tǒng)安全運行具有重大意義。本研究以國內(nèi)某尾礦庫為例，對其堆砌排水斜槽滲漏問題進行分析，并就應對技術方案進行討論，供相關工程實踐參考。

1 工程背景

某公司原有尾礦庫于2005年投入使用。初期壩為碾壓土石壩，內(nèi)坡鋪設防水土工膜，采用上游法尾礦筑壩，采用排水斜槽、涵洞作為排洪系統(tǒng)。初期壩壩頂標高為887.0 m，壩高22 m，壩頂寬5.0 m，在877.0 m處設置馬道，寬度為2 m，初期壩外坡比為1∶1.75～1∶2.0，內(nèi)坡比為1∶1.75。設計總壩高45 m，堆積壩最終標高910 m，設計總庫容322萬m3，為四等庫。2009年，根據(jù)礦山生產(chǎn)需要，對該尾礦庫進行了加高擴容方案設計。經(jīng)加高擴容后，尾礦庫的最終堆積高程為963.0 m，設計壩體總高度98 m，設計總庫容2 084.6萬m3。根據(jù)《尾礦設施設計規(guī)范》（GB 50863—2013），加高擴容后尾礦庫等別上升到三等庫。目前該尾礦庫子壩堆筑至32級子壩，高程約951 m，堆積壩整體外壩比為1∶5，后期每級子壩按照高度2 m、外坡比1∶2堆積，壩體總高度已達86 m，超過總壩高的2/3，已進入后期管理階段。

排水斜槽為尾礦庫加高庫容設計前的排洪系統(tǒng)中的斜槽，沿著自然溝谷布置，最終位于初期壩及尾砂下方。斷面型式為圓拱直墻型式，鋼筋混凝土槽身、鋼筋混凝土預制圓拱蓋板，斷面凈尺寸為1.2 m×1.8 m，長度為165 m。加高擴容設計中，子壩堆積至標高910.0 m以前，仍采用原設計斜槽作為排洪系統(tǒng)，堆筑至910.0 m以后采用新建的井—管（隧洞）式排洪系統(tǒng)。同時對原斜槽進行“柔性封堵”［2-3］，保留斜槽排水能力，作為排滲系統(tǒng)中的一條排水通道。斜槽進水口段及出水口段各10 m使用混凝土封堵，均預埋排水管包裹土工布作為排水通道；斜槽中段采用級配良好的碎石、塊石充填；同時采用預制涵管將排水斜槽出水口延伸至初期壩外。

2 排水斜槽滲漏分析

2.1 排水斜槽滲漏情況調(diào)查

近年來，該尾礦庫排水斜槽出水口處偶爾出現(xiàn)跑砂、跑渾現(xiàn)象，庫區(qū)在固定位置處出現(xiàn)偶發(fā)性沉降、塌陷。每次庫區(qū)發(fā)生塌陷現(xiàn)象，排水斜槽出水口處水流隨即變得十分渾濁，跑砂量劇增。通過現(xiàn)場調(diào)查并測量塌陷區(qū)位置，發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)正位于排水斜槽上方，初步推測塌陷及沉降原因為排水斜槽局部鋼筋混凝土出現(xiàn)損毀，形成裂隙或孔洞，形成滲流通道，造成局部尾砂流失而引發(fā)間歇性庫區(qū)塌陷。

2.2 排水斜槽受力分析

當前，水工構(gòu)筑物的排水斜槽結(jié)構(gòu)計算方法主要有兩種：以襯砌為計算對象的結(jié)構(gòu)力學計算方法，周邊尾砂的作用以彈性抗力的形式施加給混凝土結(jié)構(gòu)；以隧洞整體為計算對象的彈性力學方法。本研究按照結(jié)構(gòu)力學法的彈性中心法進行分析。根據(jù)前期勘察成果，尾礦庫各土層單元的計算參數(shù)取值見表1。

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2.2.1 荷載分析

排水斜槽在正常使用情況下承受的荷載主要有尾砂壓力、外水壓力、混凝土自重及內(nèi)水壓力，以及施工過程中產(chǎn)生的混凝土凝固和硬化期間的自應力及使用中的溫度應力。

（1）上覆尾砂壓力。尾礦庫內(nèi)排水斜槽土壓力是指斜槽上逐漸沉積的尾砂壓力，計算公式為［4］：

式中，q為管頂均布垂直土應力，kN；Hw為尾礦堆高，m；HD為斜槽頂水深，m；γs為尾礦濕容重，kN/m3；γf為尾礦浮容重，kN/m3。

（2）側(cè)向壓力。當Hw>HD時，計算公式為

式中，ξ為側(cè)向壓力系數(shù)。

（3）水壓力。水荷載是水工構(gòu)筑物的主要荷載，有內(nèi)水壓力和外水壓力兩種。對于無壓斜槽，內(nèi)水壓力即為水深；后者一般指直接作用在混凝土外邊線的水壓力。當斜槽內(nèi)無壓或低于地下水位時，地下水向洞內(nèi)滲透，因滲透損失，襯砌外緣處的水頭小于地下靜水頭，由此需要引入相應的折減系數(shù)βe。外水壓力折減系數(shù)主要與圍巖滲透系數(shù)和襯砌滲透系數(shù)的比值有關［5］。襯砌施工質(zhì)量很好時，折減系數(shù)取1；當周邊巖土體完整、節(jié)理不發(fā)育，而襯砌施工質(zhì)量較差時，折減系數(shù)取0。另外，當采用有效的人工防滲和排水措施后，折減系數(shù)可適當降低。作用在結(jié)構(gòu)上的外水壓力按下式計算：

式中，pe為作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，kN/m2；βe為外水壓力折減系數(shù)；γw為水的容重，kN/m3；He為地下水位線至斜槽中心的作用水頭，m。

（4）地基反力。作用于管道基礎底部的地基反力分布隨管基剛度、形狀及地基性質(zhì)而變，尾礦庫的排水管基礎多為剛性基礎，置于黏土地基上時，中央壓力小而兩端大，置于砂土地基上時，中央壓力大而兩端為0。

（5）溫度應力。排水斜槽屬于地下建筑物，埋深大，根據(jù)一般測試資料，地殼表層的溫度與氣溫有關，地下25～30 m深度內(nèi)，周邊巖土體處于常溫狀態(tài)，其溫度值等于年平均氣溫。超過這一深度，巖石溫度隨深度加大而升高。斜槽內(nèi)外溫度變化的產(chǎn)生使得鋼筋混凝土體的體積發(fā)生變形，當變形受到外部或內(nèi)部約束時便產(chǎn)生溫度應力。溫度應力主要在氣溫驟升驟降的情況下比較明顯，如果氣溫比較恒定，溫度應力表現(xiàn)得不太明顯。由于斜槽內(nèi)氣溫比較恒定，故本研究不考慮溫度應力。

2.2.2 結(jié)構(gòu)分析

充分考慮了不同覆蓋尾砂層厚度的斜槽斷面尺寸、配筋情況、周邊巖土體、設計混凝土強度等因素，對該尾礦庫排水斜槽結(jié)構(gòu)進行分析，模擬計算了排水斜槽所受荷載。結(jié)果表明：底板及蓋板頂部受到外力后根據(jù)上覆尾砂層厚度的不同會產(chǎn)生不同變形量。按照原設計的混凝土強度、厚度、配筋情況，排水斜槽強度滿足原荷載要求，但由于該尾礦庫進行了加高擴容，隨著堆積高度不斷增加，排水斜槽所受的荷載逐漸加大，當上覆尾砂層厚度超過42.3 m時，其變形達到極限值，結(jié)構(gòu)強度不再滿足安全要求。

通過現(xiàn)場調(diào)查及相關模擬計算，確定該尾礦庫庫區(qū)塌陷是由于排水斜槽結(jié)構(gòu)受損所致，且目前斜槽內(nèi)部已經(jīng)形成滲透通道。若不及時治理，在滲流水的沖刷作用下，滲透通道直徑將越來越大，尾礦壩內(nèi)部尾砂將會隨著水流持續(xù)泄露，致使庫內(nèi)或壩體發(fā)生大面積塌陷，最終甚至可能會導致潰壩事故。因此，針對排水斜槽滲漏需及時進行治理。

3 治理措施

深埋于尾礦庫下的排水斜槽、排水管等排滲設施出現(xiàn)破壞后受制于施工場地的限制，一般采取的封堵方式有兩種：一種作為應急措施的洞內(nèi)封堵，該方式需要具備一定的洞內(nèi)施工條件；另一種為永久性措施的注漿封堵，該方式適用范圍較廣［6］。針對該尾礦庫的實際情況，在加高擴容設計時，在初期壩外坡采用了反壓碎石護坡，使用預制涵管將排水槽延伸至坡外，因而不具備進入斜槽內(nèi)部封堵施工的作業(yè)條件，故采用注漿封堵思路。

3.1 注漿方案設計

注漿孔布置在兩處，一處為尾礦庫內(nèi)塌陷坑處；一處為初期壩內(nèi)坡斜槽出口段?？紤]水頭作用下排水斜槽內(nèi)出口段水流流速較大，動水作用下的注漿施工難度較大，可優(yōu)先施工靠近斜槽進口段的庫內(nèi)塌陷坑處，減少上游進水量后再進行斜槽出口段處施工。

注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥采用P.O42.5普硅水泥，水泥漿的水灰比為0.8∶1～1∶1；水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6～1∶0.8；水玻璃的模數(shù)為2.5，波美度為40°Be′；早強劑（CaCl2·6H2O）用量為1%［7］。根據(jù)現(xiàn)場注漿效果，可適當調(diào)整。

雖然灌漿壓力大可以增大擴散距離，減少注漿孔數(shù)量，而且可以提高漿液的可注性，但考慮到現(xiàn)場水位及壩體的實際情況，為防止壓力過大導致壩基結(jié)構(gòu)被破壞，本研究注漿工作壓力設定為0.1～0.2 MPa，終孔壓力為0.3 MPa。

3.2 注漿施工工藝

（1）造孔。在塌陷坑處呈“十”字形布置勘探孔，主要探查出斜槽準確位置，查明排水斜槽內(nèi)部情況。探明斜槽位置后，沿斜槽“之”字形布置注漿孔，兩側(cè)為封漿孔，中間為注漿孔，漿孔與注漿孔排距為2.0 m。鉆進采用?127 mm鉆具，提鉆速度應非常緩慢，在孔底施工時尤為注意。當鉆具鉆至排水斜槽上方時，先提鉆，后在孔內(nèi)下置套管，套管放置完成后，換?89 mm或?75 mm鉆具，穿透排水斜槽頂板。

（2）注漿。將直徑40 mm的注漿管下放至距孔底0.5 m處，并用膠球封閉孔口管，將兩種漿液分別按配合比配好，將注漿泵壓力調(diào)至設定值，開啟注漿泵，使?jié){液通過注漿管注入到土體中。漿液采用自下而上分段灌注，每段提升長度不超過1.0 m。先施工外側(cè)封漿孔，再施工內(nèi)側(cè)封漿孔［8］。

（3）效果檢查。封堵效果檢查主要通過兩種方式聯(lián)合完成：一種觀測封堵前后排水斜槽的出水量以及含砂量；另一種是布置檢測孔，通過壓水試驗檢測排水斜槽內(nèi)的灌漿充填程度。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查分析，對某尾礦庫排水斜槽的變形進行了計算，探明了該尾礦庫排水斜槽滲漏的原因是斜槽墻體變形隨上覆尾砂厚度增加而增加，最終破壞形成裂隙孔洞，并在水力作用下形成滲流通道。

（2）針對排水斜槽滲漏情況，選擇了套管注漿封堵方式，設計了有效的注漿封堵方案，對滲漏問題及時進行了處理，有效保障了尾礦庫安全。