尾礦堆積壩排滲技術(shù)的研究及應(yīng)用

趙靜

摘 要：對(duì)于尾礦壩而言，浸潤(rùn)線至關(guān)重要。隨著尾礦堆積壩的升高，其排滲設(shè)施的有效性成為浸潤(rùn)線控制的關(guān)鍵。因此，尾礦庫研究人員對(duì)尾礦壩排滲方式和浸潤(rùn)線的控制極其重視?；诖?，本文主要闡述了尾礦堆積壩排滲技術(shù)的研究及其應(yīng)用，并介紹了幾種高效的尾礦堆積壩排滲技術(shù)。

關(guān)鍵詞：堆積壩;浸潤(rùn)線;排滲技術(shù);尾礦庫

中圖分類號(hào)：TV649 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0114-03

Abstract： For tailings dams， the infiltration line is an extremely critical lifeline. As the tailings accumulation dam rises， the effectiveness of its drainage facilities has become the key to the control of the infiltration line. Therefore， researchers in the tailings pond Attaches great importance to the control of tailings dam drainage methods and infiltration lines. Based on this， this article mainly elaborates the research and application of tailings accumulation dam drainage technology， summarizes and analyzes several high-efficiency tailings accumulation dam drainage technology.

Keywords： accumulation dam;infiltration line;drainage technology;tailings pond

目前，我國(guó)共有7 000余座尾礦庫，其中25%左右的尾礦庫在安全性得不到保障的環(huán)境下運(yùn)行，影響下游設(shè)施和居民的安全。隨著選廠磨礦工藝的不斷提升，尾礦庫排出的尾礦越來越細(xì)，加之尾礦庫大多采用上游筑壩的方法，導(dǎo)致尾礦庫易出現(xiàn)浸潤(rùn)線位置較高而超出控制要求的問題，給尾礦庫的運(yùn)行帶來了一定的隱患。為保證尾礦庫安全運(yùn)行，可通過增設(shè)排滲設(shè)施來加速尾礦的排水固結(jié)，從而提高壩體的穩(wěn)定性。眾所周知，在尾礦庫運(yùn)行管理過程中，尾礦筑壩工藝非常重要，其排滲設(shè)施更是重中之重，因此對(duì)尾礦壩排滲技術(shù)的研究及應(yīng)用刻不容緩。筆者通過研究大量工程實(shí)例，結(jié)合自身工作實(shí)踐，對(duì)目前主要使用的幾種堆積壩排滲技術(shù)要點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析，希望能給尾礦庫設(shè)計(jì)人員和相關(guān)管理人員提供一定的幫助。

1 堆積壩排滲設(shè)施類型及其效果分析

根據(jù)大量尾礦庫工程實(shí)例及尾礦庫排滲技術(shù)研究現(xiàn)狀，目前降低尾礦庫浸潤(rùn)線的堆積壩排滲技術(shù)按其布置形式，主要有水平排滲、豎直排滲及水平+豎直聯(lián)合排滲3種類型。按照排滲方法，它主要包括排滲管排滲、土工席墊排滲、管井排滲、虹吸排滲、輻射井技術(shù)排滲以及豎向+水平聯(lián)合自流排滲等。

1.1 排滲管排滲

排滲管一般由濾水管和導(dǎo)水管組成。浸潤(rùn)線以下開孔為濾水管，浸潤(rùn)線以上不開孔為導(dǎo)水管。常見的排滲管有水平排滲管、軟式透水管和槽孔式弧形排滲管。

水平排滲管一般選用抗壓強(qiáng)度大于0.8 MPa、管外徑為63～90 mm的聚乙烯（Polyethylene，PE）管或聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）管。濾水管段開孔，呈梅花形布置。開孔直徑宜為6～12 mm，開孔率宜為8%～10%，濾水管外包200～400 g/m2的土工布。水平排滲管下游段為導(dǎo)水管段，長(zhǎng)度宜取5～15 m，排滲管垂直壩軸線傾向下游設(shè)置，坡比宜取2%～4%。水平排滲管的分布間距、長(zhǎng)度以及層數(shù)，可按照尾礦砂的滲透系數(shù)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值初步選取，具體設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)滲流和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果確定。這種排滲方式管理簡(jiǎn)便，施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但在細(xì)粒尾礦中容易造成堵塞而失效。

軟式透水管的盲溝排滲是在沉積灘面上預(yù)埋盲溝（碎石體外包土工布），盲溝內(nèi)設(shè)軟式透水管，滲水通過軟式透水管盲溝排至壩外排水溝。這種排滲方式施工簡(jiǎn)單，初期排滲效果較好，但后期易堵塞，導(dǎo)致排滲失效。

為解決普通排滲管容易淤堵的問題，研究人員提出了槽孔式弧形排滲管。這種排滲管由直線段和弧形曲線段組成，采用異形PE槽孔管。這種槽孔管一般外徑為75 mm，內(nèi)徑為51 mm，壁厚為6 mm，濾水管段沿管外壁縱向均勻開槽，槽寬10 mm，槽底打孔，孔徑8 mm，孔距100 mm，管外包裹白鋼網(wǎng)，如圖1所示。小于白鋼網(wǎng)孔徑的尾砂進(jìn)入滲流槽中，滲流槽代替普通排滲管中的圓孔直接和尾礦接觸，避免了堵塞;大于白鋼網(wǎng)孔徑的尾砂在槽孔管周圍形成新的反濾層，使得滲入到槽孔管中的水通過導(dǎo)水管排出壩外[1]?；⌒闻艥B管入口直線段長(zhǎng)度一般大于30 m，直線段坡比一般取1%～4%，弧形段最大彎曲率不宜大于每米0.8°。這種排滲管的間距、長(zhǎng)度、埋深以及層數(shù)，可根據(jù)壩體滲流和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果綜合確定。這種槽孔式弧形排滲管排滲效果明顯且持久，但施工存在一定的難度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)研究，高尚青提出可在尾礦庫的應(yīng)用中反向布置槽孔管，并在實(shí)際工程中取得了良好的效果。

1.2 土工席墊排滲

排滲管有效排滲面積較小且運(yùn)行過程中易堵塞，導(dǎo)致槽孔管施工存在困難。將排滲管改為土工席墊，不僅施工較方便，也顯著提高了排滲效果，同時(shí)可起到加筋作用，提高了尾礦壩邊坡的穩(wěn)定性。在每級(jí)子壩完成后，在平行于壩軸線距灘頂100 m左右的位置設(shè)一層土工席墊，單組席墊寬2 m、厚12 mm，外包500 g/m2土工布?？筛鶕?jù)實(shí)際情況設(shè)置若干組，每組席墊間距約2 m，席墊左右岸長(zhǎng)度可伸入兩岸的山坡[2]。席墊內(nèi)預(yù)埋DN100集滲盲管，外包土工布，垂直壩軸線方向每隔50 m設(shè)置一根排滲鋼管。集滲盲管與排滲鋼管采用三通相連，排滲鋼管出口接壩坡排水溝。梅聰?shù)妊芯咳藛T對(duì)尾礦壩土工席墊進(jìn)行了三維有限元模擬和效果分析[3]，結(jié)果表明土工席墊排滲設(shè)施可增大堆積壩浸潤(rùn)面埋深，從而有效控制浸潤(rùn)面。

1.3 管井排滲

當(dāng)尾礦堆積壩內(nèi)有厚層礦泥夾層時(shí)，僅用水平排滲效果稍差，因此提出了管井排滲，這種排滲方法是沿尾礦堆積壩軸線方向設(shè)置滲水豎井至浸潤(rùn)線以下，利用水泵抽排管井內(nèi)的滲水。管井由井口管、井壁管、濾水管及沉砂管段組成。管材根據(jù)尾礦庫特性可采用無砂混凝土管、鋼管或塑料管。井間距一般為10～20 m，井直徑為20～50 cm。濾水管有效長(zhǎng)度一般不宜超過30 m，沉砂管長(zhǎng)度不宜小于1 m。這種排滲方法一般適用于滲透系數(shù)較大的砂性尾礦和不具備自流排滲條件的情況，運(yùn)行時(shí)頻繁啟停水泵需專人維護(hù)管理且耗電，可作為臨時(shí)性排滲降水措施[4]。

1.4 虹吸排滲

虹吸排滲是應(yīng)用虹吸原理虹吸抽排滲水。這種排滲系統(tǒng)主要由水封槽、虹吸井、虹吸管路及觀測(cè)井組成。水封槽主要保障虹吸系統(tǒng)所要求的真空度，即在啟動(dòng)虹吸系統(tǒng)后確保排水管出口一直位于相應(yīng)的水位高度之下[5]。虹吸井是該系統(tǒng)關(guān)鍵的降水設(shè)施，對(duì)成井的質(zhì)量有一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求。虹吸井井深不宜大于15 m，多采用無砂混凝土管，管徑一般為200～300 mm，壁厚為50～100 mm。對(duì)控制浸潤(rùn)線埋深在4～8 m范圍內(nèi)且滲流量穩(wěn)定的堆積壩，適合采用此種方式排滲。在嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)采取防凍措施。這種排滲方式在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)“氣塞”斷流的情況，無法保障系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)性，會(huì)對(duì)運(yùn)行管理造成一定的影響。

1.5 輻射井技術(shù)排滲

輻射井技術(shù)排滲是在堆積壩體內(nèi)設(shè)置一層或多層輻射狀排滲管，利用排滲管將尾礦滲水自流匯集到集水豎井內(nèi)，再通過與豎井連接的導(dǎo)水管將滲水自流排出壩體。根據(jù)滲水流向，輻射井主要由輻射狀排滲管、豎向集水井及通向壩坡的導(dǎo)水管組成[6]，如圖2和圖3所示。集水井可位于堆積壩壩坡或尾礦沉積灘面，一般為圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑不宜小于3 m，井深不宜小于15 m，井間距不宜小于100 m，且井口設(shè)蓋板。排滲管以集水井為中心，在尾礦層內(nèi)呈輻射狀布置。排滲管以坡比2%～4%坡向集水井，排滲管長(zhǎng)度應(yīng)綜合考慮尾礦滲透特性、含水層厚度等因素，一般宜取30～100 m。排滲管結(jié)構(gòu)則可參照水平排滲管。導(dǎo)水管管徑一般可取90～130 mm，長(zhǎng)度為50～130 m，坡比2%～4%坡向壩坡排水溝。輻射井系統(tǒng)中，集水井?dāng)?shù)量、排滲管數(shù)量可依據(jù)堆積壩軸線長(zhǎng)度、滲流和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果綜合確定。

輻射井排滲技術(shù)能有效降低浸潤(rùn)線埋深，排滲效果好，維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)[7]，對(duì)尾礦壩的地層具有較好的適用性，便于施工工作的開展，尤其適用于尾礦壩滲透破壞治理工程。另外，輻射井施工速度快，通常只需十幾個(gè)小時(shí)就能夠完成1節(jié)沉井，深度大約在1 m，在24 h之內(nèi)就可完成大約60 m長(zhǎng)的一根輻射排滲管的施工工作[8]。目前，輻射井排滲技術(shù)已成功應(yīng)用于多座尾礦庫，尤其是對(duì)尾礦庫除險(xiǎn)加固的應(yīng)用，取得了良好的效果。

1.6 豎向+水平聯(lián)合自流排滲

隨著尾礦庫排滲設(shè)施的不斷改進(jìn)，尤其是對(duì)于尾礦顆粒較細(xì)的情況，尾礦庫排滲設(shè)施越來越傾向于使用豎向+水平聯(lián)合排滲的方式。這種排滲方式同時(shí)集水形成立體排滲，效果好，適用范圍廣。豎向排滲設(shè)施可選擇管井、砂礫井或塑料排水板。水平排滲設(shè)施可以是垂直于壩軸線的水平排滲管（縱向排滲管），也可以是平行于壩軸線的盲溝（橫向排滲盲溝）與垂直于壩軸線的水平排滲管（縱向排滲管）組合。這套排滲方式可在新建尾礦庫堆壩過程中預(yù)埋，也可用于尾礦庫排滲設(shè)施加固工程，可降排分布不均勻的多層滲水，對(duì)浸潤(rùn)線的降深幅度較大。江銅集團(tuán)銀山銅礦尾礦庫歷經(jīng)3次加高擴(kuò)容，隨著堆積壩壩體的不斷加高，原排滲逐漸失效，導(dǎo)致壩體浸潤(rùn)線埋深較淺，對(duì)壩體安全埋下了巨大隱患。采用豎向+水平聯(lián)合自流排滲技術(shù)后[9]，壩體沼澤化現(xiàn)象消失，浸潤(rùn)線埋深降幅較大，排滲效果理想。

2 結(jié)語

上游法尾礦庫堆積壩體的穩(wěn)定性與其壩體的固結(jié)程度和排滲設(shè)施密切相關(guān)，尤其是對(duì)含泥細(xì)粒尾礦庫，排滲設(shè)施的有效性是降低壩體浸潤(rùn)線埋深和提高壩體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

排滲設(shè)施類型眾多，其適用性、施工難易程度、造價(jià)及效果也各不相同。排滲設(shè)施的選擇應(yīng)根據(jù)尾礦特性和實(shí)際情況因地制宜，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上做出比較合理的選擇。

尾礦庫排滲設(shè)施應(yīng)盡可能預(yù)埋，以減小施工難度，節(jié)約工程資源。當(dāng)尾礦庫浸潤(rùn)線過高、滲流及壩體穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)通過增設(shè)可大幅度降低浸潤(rùn)線埋深的排滲設(shè)施，加速尾礦固結(jié)，以提高堆積壩的穩(wěn)定性。

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