排渗墙技术及排渗效果分析

宋 志

(中冶长天国际工程有限责任公司,湖南长沙 410007)

排渗墙技术及排渗效果分析

宋 志

(中冶长天国际工程有限责任公司,湖南长沙 410007)

对于初期坝为土坝的的尾矿库,后期随着尾矿的堆高,很容易造成坝坡渗水。现有的排渗设施——盲沟、管井、轻型井点、水平滤水孔、辐射井等可以起到一定效果,但不能大面积截断浸润线流线,没有解决悬挂水的影响,降水深度也不够理想。结合现有排渗措施提出排渗墙技术,经过工程实践表明,其有效性和可靠性均大幅提高。

排渗墙;初期坝;土坝;浸润线

尾矿库是一种特殊的工业建筑物,也是矿山三大控制性工程之一。它运行的好坏,不仅关系到矿山企业的经济效益,而且与库区下游居民的生命财产及周边环境息息相关。过去由于我国经济水平不高,矿山企业财力有限,因此造成大量尾矿库初期坝为土坝的现象。土坝渗透性差,不利于尾矿固结,对尾矿库的安全不利,因此需要采取相应工程措施对尾矿库进行降水处理。本文以金山店铁矿锡冶山尾矿库为例,针对国内尾矿库现有降水措施及其效果进行分析,结合工程实际情况,提出两种新型排渗墙技术处理措施,对排渗效果分别进行分析计算,并以浸润线观测孔实际观测结果进行验证,选定最为有效的降水措施,为类似工程处理提供参考。

1 工程概况

金山店铁矿锡冶山尾矿库原设计最终堆积标高75 m,总坝高45 m,总库容2 150万m3,为三等尾矿库。现尾矿库从标高75 m加高设计到100 m,新增库容955万m3,尾矿库总库容为3 105万m3。

锡冶山尾矿库由四座初期坝连接小山包围成尾矿库,各坝的技术特征参数见表1。

初期坝轴线总长度1 460 m,总坝轴线长度(包括山包)1 767 m。

由于尾矿库的初期坝为均质粘土坝,其透水性小于尾矿(尤其是粗粒尾矿)的透水性,所以尾矿堆积坝的渗透水从初期坝顶以上逸出。20世纪80年代末,整个初期坝顶透水,坝坡沼泽化,90年代初采用辐射井深层自流排渗固结技术进行治理,当时坝坡基本被疏干,但随着尾矿堆积高度的增大和库水位的上升,加上辐射井材料的老化,近几年部分坝段的初期坝顶又出现渗水和坝坡沼泽化,所以需要增设新的排渗措施。

表1 各坝技术特征参数

2 排渗墙排渗固结技术的提出

2.1 现有降水措施

国内通常采用的主要排渗降水措施见表2。

2.2 现有降水措施效果分析

排渗降水措施效果见表3。

3 深层自流排渗墙的思路及机理

3.1 要截断坝体浸润线的流线就必须形成排渗墙

截断坝体浸润线的流线可设防渗墙(或隔水墙),如挡水坝的心墙、斜墙,反过来考虑也可以建成透水墙,再将水排走也同样可截断坝体浸润线的流线。

表2 排渗降水措施

表3 主要排渗工程措施效果分析

据此研究两种排渗墙方案:

1.多层水平滤水管组合成排渗墙,每层滤水管选择在砂性尾矿层布置,避免布置在粘性尾矿层中,这就解决了主要渗流层的流线问题,随着时间的增长,粘粒层中的水也会有所疏干。

2.多座排渗井组合形成排渗墙,根据需要控制排渗井间距,排渗井的优点是可以贯穿粗细颗粒夹层,同时解决悬挂水的影响。但排渗井还可能要用泥浆护壁,井深较深时更有必要。

3.2 采用塑料插板解决悬挂水问题

在堆积尾矿内设垂直塑料插板连通堆积尾矿中的粗细粒夹层,让悬挂水穿过塑料插板垂直下流,从而消除悬挂水现象,提高降水效果。

3.3 以大口井集水,导流管实现自流排渗

与辐射式排渗井一样,所有水平滤水管的渗水自流至大口井集中,大口井同时又是所有水平滤水管的施工空间。

在大口井内向坝坡施工导流管,如果一条导流管的排水量不满足要求,可以施工2～3条。

锡冶山尾矿库目前堆积标高为70 m,已接近最终堆积标高75 m,为持续生产,拟在西侧扩容,但征地搬迁问题一时难以解决,被迫考虑最终堆积标高加高至100 m,经计算,2#、3#坝需要采取加固措施,原考虑块石压坡,但因征地问题难以实施,因此只得研究新的降水措施。

4 排渗墙组成型式

根据施工材料和工艺不同,排渗墙的型式也不相同,采用两种方式进行试验比较,两种排渗墙方式最大不同之处在于收集渗水方式不同。

4.1 通过排渗井形成排渗墙

4.1.1 集流设施

集流设施包括排渗井、集水管、集水井和塑料插板。排渗井井径大小可根据工程需要及施工条件确定,本工程采用直径为1 m的井。井内充填瓜米石及粗砂搀合料,使其有强透水功能。

排渗井的深度可根据降水需要确定,为便于施工和洗井,井内设两根分别为D=60 mm和D=100 mm的充水管及抽水管,充水管布于上游侧,抽水管布于下游侧,井内另设一根D=150 mm的下料管并长期保留。

排渗井的施工方法一般宜采用大口径钻机施工,并以泥浆护壁或套管护壁,排渗井间距为8 m。

功能:主要截断渗流流线,让尾矿库坝坡内渗流水进入碎石井。

集水管是将汇入排渗井的渗流水引入集水井。

采用内径为70 mm、壁厚为5 mm的UPVC管,在管壁上开孔,开孔率为15%,外壁设5 mm厚的螺旋型垫筋。垫筋外包2层80目不锈钢丝网或200 g/m2无纺布,再捆扎固定。

集水井是汇集渗流水的场所,集水井一般采用沉井法施工,内径为3 m。集水井为沉井,采用钢筋混凝土结构,内径为3 m,壁厚为0.3 m,考虑封底和施工要求,集渗井应比排渗井深3 m。

塑料插板连通堆积尾矿中的粗细粒夹层,让悬挂水穿过塑料插板垂直下流,从而消除悬挂水现象,提高降水效果。塑料插板宽度为100 mm,深度为15 m,间距2.5 m,塑料插板在集水管上下游两侧3 m处各布置一排。

4.1.2 导水管

导水管为自集水井穿透坝体至坝坡并引到坝坡排水沟的排水管,其施工方法采用水平钻机施工。采用钢管内套100 mm管径的UPVC管。

4.1.3 浸润线水位观测孔

在排渗墙两侧上下游分别设5个浸润线观测孔。

4.2 通过集水管形成排渗墙

4.2.1 集流设施

集流设施包括集水管、集水井和塑料插板。

集水管是将汇入排渗井的渗流水引入集水井。集水井两侧:在每座集水井内从井底以上1 m开始布置,每隔2 m布置一根,直至离井顶10 m距离为止,每根集水管长度为50 m。采用内径为70 mm、壁厚为5 mm的UPVC管,在管壁上开孔,开孔率为15%,外壁设5 mm厚的螺旋型垫筋。垫筋外包2层80目不锈钢丝网或200 g/m2无纺布,再捆扎固定。

集水井是汇集渗流水的场所,集水井一般采用沉井法施工,内径为3 m。集水井为沉井,采用钢筋混凝土结构,内径为3 m,壁厚为0.3 m,考虑封底和施工要求,集渗井应比排渗井深3 m。

塑料插板连通堆积尾矿中的粗细粒夹层,让悬挂水穿过塑料插板垂直下流,从而消除悬挂水现象,提高降水效果。塑料插板宽度为100 mm,深度为15 m,间距2.5 m,塑料插板在集水管上下游两侧3 m处各布置一排。

4.2.2 导水管

导水管为自集水井穿透坝体至坝坡并引到坝坡排水沟的排水管,其施工方法采用水平钻机施工。采用钢管内套100 mm管径的UPVC管。

4.2.3 浸润线水位观测孔

在排渗墙两侧上下游分别设5个浸润线观测孔。

5 排渗墙浸润线计算方法

将排渗墙视为减压沟,进入排渗渗墙的渗水全排出坝外,渗流计算简图如图1所示。

图1 渗流计算简图

5.1 减压沟上段AGCD部分的渗流计算

渗流量为:

式(1)～(2)中,H为计算水头/m;h0为排渗墙底水头/m;q1为单宽流量/m3·(d·m)-1;k为渗透系数/ m·d-1;L0为排渗墙到初期坝上游坡脚线的水平距离/m;L为渗透长度/m;x为计算点/m;y为浸润线高/m。

5.2 减压沟下游段CDEF部分的渗流计算

渗流量为:

浸润线在尾矿坝的逸出点高度为:

式(3)～(6)中,H为计算水头/m;h0为排渗墙底水头/m;q2为单宽流量/m3·(d·m)-1;k为渗透系数/ m·d-1;L0为排渗墙到初期坝上游坡脚线的水平距离/m;L为渗透长度/m;x为计算点/m;y为浸润线高/m。

6 排渗墙的降水效果分析

两种方式的排渗墙浸润线水位观测孔观测数据见表4、表5。

表4 排渗井形成的排渗墙浸润线水位观测表

根据排渗墙两侧浸润线观测孔观测的水位数据显示,尾矿坝采用多层集水管排渗墙方式排渗效果要明显好于排渗井排渗墙方式,浸润线埋深平均低2 m左右,更能提高坝体的稳定性。

表5 水平滤水管形成的排渗墙浸润线水位观测表

7 结 语

金山店铁矿锡冶山尾矿库通过排渗墙措施试验方法得出尾矿坝采用多层集水管排渗墙方式效果要明显好于排渗井排渗墙方式的结论,为尾矿库加高加固设计提供依据,并且可以为类似工程的处理提供参考。

[1] ZBJ-90,选矿厂尾矿设施设计规范[S].

[2] AQ2006-2005,尾矿库安全技术规程[S].

[3] 《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1980.

Abstract:For the tailings pond which has a earth dam as its primary dam,seepage in dam slope is likely to appear with the tailings pile high.Drainage facilities,such as blind ditch,tube well,light well point,horizontal filter hole, radiation well and so on,may well play a certain effect,but they can not cut off saturation line in a large area.It does not solve the impact of suspended water,and its precipitation depth is not ideal.Seepage wall technology is proposed combined with the existing seepage drainage measures,the validity and reliability of which are significantly improved through the verification in engineering practice.

Key words:seepage wall;primary dam;earth dam;saturation line

Seepage Wall Technology and Analysis of Seepage Effect

SONG Zhi
(Zhongye Changtian International Engineering Co.,Ltd,Changsha410017,China)

TD926.4+1

A

1003-5540(2012)01-0005-04

2011-12-16

宋志(1978-),男,工程师,主要从事尾矿库设计工作。