金永超
(長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410000)
排滲管井降水在我國建筑、市政、路橋、礦山等各類工程中應用較為成熟,降水效果明顯,多數(shù)工程是為了降低地下水位,確保開挖邊坡的穩(wěn)定安全。礦山行業(yè)為存儲選礦廠排出的尾礦需修建尾礦庫,我國大多數(shù)尾礦庫均采用濕法堆存,故尾礦庫的浸潤線埋深是影響壩體穩(wěn)定安全的重要因素。從安全角度出發(fā)采取降水措施,可提高尾礦壩的抗滑穩(wěn)定安全;但從環(huán)保角度出發(fā),尾礦水下滲至周邊后,對周邊生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。本文結合某黃金礦山工程實例,旨在研究一種既能降低尾礦庫浸潤線埋深,保證尾礦壩穩(wěn)定安全,又能達到保護環(huán)境的排滲方案,即在尾礦庫周邊設置排滲管井。
某黃金礦山的尾礦庫位于沿海地區(qū),庫底的海砂層滲透性較強,庫內尾礦水能較快地通過該層下滲至庫周,在庫周尾礦滲水不能及時自動排出,既影響了尾礦壩穩(wěn)定安全,又抬高了周邊的地下水位,對周邊植物造成一定影響。排滲管井方案是指在尾礦庫下游修建排滲管井,通過排滲管井將尾礦滲水及時匯集并抽排至庫區(qū)以外,消除下滲尾礦滲水對周邊田地的影響,同時起到降低壩體浸潤線的效果,加快尾砂固結,保證尾礦庫壩體的穩(wěn)定安全。
在布置排滲管井時需考慮以下三個因素:
(1)排滲管井的間距應滿足影響半徑的要求;(2)排滲管井對地下水位的降深應滿足最小埋深的要求(3)排滲管井的出水量需大于壩體滲水量。
根據(jù)工勘報告和工程實際情況,文章建立尾礦庫壩體滲流有限元計算模型,采用達西滲透定律及水流連續(xù)性方程,考慮到土和水的壓縮性,采用二維有限元滲流計算得到各壩段的滲流量。
該尾礦庫45.0 m標高洪水工況水位線為44.2 m,尾礦庫東、西、南、北四個壩段典型剖面滲流量計算結果見表1。
表1 各壩段壩體滲流量表
備注: 單井出水量均為6.4×10-3m3/s,滿足要求。
該工程庫區(qū)地層從上至下分別為中砂(海砂)層、含有機質粉質粘土層、粉質粘土層、礫質粘性土層、強風化花崗巖層和中風化花崗巖層,其中中砂層分布于上層,滲透性較強,分布厚度變化較大0.6~8.7 m,下部其它各層滲透性較弱,其中粉質粘土層分布深度約4.0~12.0 m。
文章根據(jù)《給水排水設計手冊》(第03冊 城鎮(zhèn)給水)相關章節(jié)進行排滲管井的計算分析,排滲管井出水量采用下式計算(計算示意圖見圖1):
(1)
圖1 排滲管井出水量計算示意圖
通過上式可計算出地下水為潛水含水層的完整井出水量,適用于地下水流為層流,S≤0.5H,排滲管井遠離河流的情況。
文章考慮排滲管井之間相互影響,采用公式(1)進行排滲管井出水量計算,單井出水量為6.4×10-3m3/s。經計算,排滲管井內水位降深需大于5.35 m,不同影響范圍對應的水位降深見圖2。
圖2 排滲管井影響范圍和水位降深的關系曲線
根據(jù)壩體滲流量和排滲管井出水量,文章對設置的排滲管井能否將尾礦滲水及時排出進行復核,經計算均能達到預期的效果,具體結果見表1。
結合本工程實際情況和計算分析,排滲管井內水位降深需大于5.35 m,影響范圍內最小水位降深為2.0 m。尾礦庫四周共設35座排滲管井,每座井間距110 m,其中每個轉角布置1座,東壩段6座,西壩段8座,南壩段8座,北壩段9座。
排滲管井采用預制無砂混凝土管,井深H=10 m,內徑D=0.5 m,壁厚d=0.2 m。為防止細粒徑尾礦被滲水攜帶,導致壩體基礎沉降,文章考慮在排滲管井外包15 kN/m土工布兩層。
該工程尾礦庫周邊地勢平坦(南高北低,坡度約0.2%),且海砂層開挖埋管施工難度大,排滲管井的滲水不能靠自流排出。因此,要求每座排滲管井設置一臺潛水泵(流量20 m3/h、揚程15 m),井內水位降深要求大于5.35 m,將井內滲水自動抽至排水溝。潛水泵安裝時須垂直吊掛,進水口與井底距離不小于0.5 m,并加設過濾網;沿尾礦庫四周修建漿砌石排水溝,矩形斷面B×H=1.0×1.0 m,壁厚0.3 m,通過排滲管井和排水溝將尾礦滲水及時排至庫外。
本文經過計算分析,在尾礦庫四周設置排滲管井后,可有效地將地層中的尾礦滲水及時截排至庫外,起到了降低地下水位的效果,既能保護周邊的環(huán)境,消除下滲尾礦水對周邊田地的影響,又可提高尾礦壩的抗滑穩(wěn)定性,保證尾礦庫的穩(wěn)定安全。文章研究的排滲管井可應用于同類工程中,為解決類似問題提供參考。