细粒尾矿坝槽孔管排渗机理及其计算方法

金松丽 徐宏达 张 伟 闫 浩 吴则祥

(1.北方工业大学建筑工程学院;2.中冶建筑研究总院有限公司)

细粒尾矿是金属或非金属矿山选矿磨矿产生的，其包含的固体颗粒粒径极小，绝大多数属于细粉粒组、黏土粒组和胶体粒组。因此尾矿颗粒间孔隙很小，细粒尾矿介质渗透性微弱，导致尾矿坝浸润线偏高，筑坝排渗困难。而浸润线位置的高低对尾矿坝稳定性影响甚大，堪称尾矿坝的生命线。因此人们设计了诸多排渗措施和方法以期浸润线得到有效控制，如管井法、虹吸管法、轻型井点法、垂直－水平排渗系统等。由于尾矿坝渗流场的复杂性，要想做到经济高效排渗并不容易。

槽孔管排渗系统是一种新兴的尾矿坝排渗技术，其优良的排渗效果已在实际工程(如辽宁弓长岭尾矿坝、云南镇沅斑毛沟尾矿坝)中得到验证，尤其在细粒尾矿坝工程中，槽孔管防淤堵特点更为突出。但是目前槽孔管排渗理论的研究还处于空白阶段。本研究基于达西渗流定律、反滤层排水降压原理、能量守恒定律通过理论分析和总结前人的研究成果，探讨槽孔管排渗机理及其计算方法。

1 槽孔管构造与排渗原理

1.1 槽孔管构造

槽孔管是特制的槽、孔结合的PE塑料管，管外径75 mm，壁厚6 mm，外裹白钢网。在管外径上，平行于管体的轴心方向均匀开有12个渗流槽，在渗水槽的底部间断开设与渗水管相通的 8 mm渗水孔，孔眼分布形状为螺旋形，孔间距150～200 mm。其构造如图1所示。实际工程中，根据尾矿颗粒组成和滤土、减压原理，选择相应孔隙直径的白钢网，如表1所示。

图1 槽孔管构造(单位:mm)

表1 不同尾矿P0.075含量时白钢网孔隙的选择

以弓选厂尾矿坝为例，在距坝面5、30、70 m处的取样分析结果见表2。

表2 弓选厂尾矿样品筛析结果

依据泰沙基反滤层设计准则要求:D15/d85≤4(滤土);D15/d85≥4(减压)。其中，D15为反滤层的特征粒径，D15、d85为保护土的特征粒径。

筛孔0.15 mm(100目)时，库内距离尾矿坝坝顶30 m处样品100目网筛上量为36.0%，70 m处样品100目网筛上量15.4%，过滤网的目数定为100目，对尾砂能起到比较好的过滤效果。

1.2 槽孔管渗流原理

排渗管渗水量与排渗管的管径并无直接相关性。同等条件下渗流量的大小取决于渗流面积大小。普通排渗管(构造图如图2所示)直径10 cm，排水孔1 cm，间距10 cm，每个断面8个渗水孔。每延米长渗流面积为10排×8孔×0.5 cm×0.5 cm×3.14=62.8 cm2。

图2 普通排渗管构造(单位:cm)

槽孔管直径7.5 cm，断面开12个渗流槽，槽宽1 cm。每延米长渗流面积为12个×100 cm×1 cm=1 200 cm2。渗流面积比=槽孔排渗管/普通排渗管=1 200 cm2/62.8 cm2=19.1(倍)。槽孔管的渗流槽代替普通排渗管中的圆孔直接和尾矿接触，扩大了渗流面积，提高了渗水效率。

排渗管的透水性能否持久与尾矿粒径和滤网孔径的匹配情况有直接关系，也是排渗体长期有效的重要环节。普通排渗管采用土工布作为过滤网，由于土工布表面纤维极细，尾矿中的细颗粒无法顺利通过，在短时间内淤积在排渗孔表面，致使排渗性能急剧降低，失去排渗能力。

图3 槽孔管断面

而槽孔管使用的过滤网是在对尾矿砂粒级分析后确定的滤网孔径，滤网四周80%的细尾矿顺排渗管流出，20%的粗尾砂在过滤网四周形成过滤层，扩大了透水面积，有效地保护了过滤网渗透性能，如图3所示。渗入到槽孔管中的水通过导水管排出坝外，尾矿固结沉降，减小了尾矿所占库容，浸润线降低;同时槽孔管兼作为尾矿坝加固拉锚，在一定程度上增加了尾矿坝的稳定性。这就是槽孔管排渗、降低浸润线、增加坝体稳定性的原理。

2 理论计算模型

尾矿坝排渗计算的目的是推求排渗设施的排渗量、估算水位降低效果，从而更合理地布置排渗系统［5］。槽孔管排渗计算的分析模型如图4所示。

图4 槽孔管排渗系统理论计算模型

取y=y0处d y长槽孔管作为研究对象，由于d y很小，因此渗流稳定后，假定作用在其上的水头为常数H(y0)。

2.1 坡降计算

如图5，把槽孔管方向长度记为L，渗流方向的长度记为r。槽孔管外压力水头相等，记为h1，流入槽孔管后水头最小，记为h2。各点水头差H相等，H=h1－h2。若把渗透距离r等分为5份，沿渗流方向各点的渗距依次为、r，各点的坡降Ii即为、H/r，在半径方向离槽孔管越近，渗距越小，坡降越大。当坡降大于尾矿的允许坡降，就会发生渗流破坏，直径小的颗粒被带走，形成新的反滤层。这种渗透破坏的类型属于接触流土破坏，渗流出口尺寸即白钢网直径。

2.2 等效反滤层直径

细粒尾矿的抗渗强度很低，而且抗渗比降大小与渗流方向、尾矿密度和渗流出口是否被淹没等因素有关。因此在槽孔管周围形成厚度不均、形状不规则的反滤层。要想用精确的数学表达式来描述反滤层的形状和厚度几乎是不可能的，也是没有必要的。在满足工程要求的精度范围内，不妨假设反滤层是规则的圆形，称其为等效反滤层。根据质量守恒定律和达西渗流定律，渗入反滤层外边缘的水量与渗入槽孔管外边缘的水量相等，即

式中，k1为原尾矿的渗透系数，k2为反滤层的渗透系数，D为等效反滤层直径，d为槽孔管直径，i1为反滤层外尾矿的水力坡度，i2为反滤层的水力坡度。

忽略渗流过程中的水头损失，则水头分布与静水情况下水头分布相同，因此认为i1=i2=1，由文献［3］知渗透系数的大小与土的等效粒径的平方成正比，即 k≈，由于部分土的细颗粒已经流失，剩余的较大的土颗粒组成反滤层，因此反滤层的渗透系数必然大于原尾矿的渗透系数。

即

其中，d20为细粒尾矿的等效粒径，可以从颗粒级配曲线得出;D20为反滤层的等效粒径，可以将细粒尾矿中小于白钢网粒径的颗粒去除后，重新绘制级配曲线得出。

2.3 槽孔管渗流量计算

2.3.1 d y段槽孔管渗流量

槽孔管渗流量计算，根据阿拉文·努明诺夫的河床水平暗渠流量计算公式［6］进行计算:

式中，d q为长度d y的槽孔管流量;H(y0)为反滤层上缘至自由水面水头值;hw为管中水头值;当管下集水层很厚时，

2.3.2 整根槽孔管的渗流量

对y轴积分，得整根槽孔管的渗流量为

其中h为槽孔管埋藏深度，d为等效反滤层直径。即

3 工程实例

镇沅金矿斑毛沟尾矿坝采用槽孔管排渗系统，其一期工程槽孔管布置，断面如图5所示。该期具体施工打孔深度73 m，其中导渗管长32 m，槽孔管长41 m。在1 177 m标高处设导渗管路24根。反折点安装有三通，其目的是向上加高和向后延伸槽孔管。由监测数据可知，在平均埋置深度为3.5 m的情况下，41 m槽孔管的渗流量平均约为2.5 m3/d。

图5 斑毛沟尾矿坝一期工程槽孔管布置

实验测得原尾矿的渗透系数k0=2.0×107cm/s=1.73×104m/d，根据原尾矿颗粒级配曲线和所选白钢网孔隙直径(－200目，即0.074 mm)，得知d20=0.009 mm、D20=0.09 mm。代入式(1)，得等效反滤层直径d=0.75 m。

将槽孔管埋设参数代入式(6)、式(7)，得41 m槽孔管的渗流量约为

与实测数据2.5 m3/d相比，相对误差为4.8%。由此验证了理论计算模型的合理性。由排出坝外的排渗量可以较准确地估计坝内浸润线降低程度，从而进一步分析尾矿坝的抗渗和抗滑稳定性。

4 结论

本研究依据达西渗流定律、反滤层排水降压原理、能量守恒定律、河床水平暗渠流量计算方法，研究了槽孔管渗流原理、等效反滤层计算、系统总渗流量计算等问题，提出了符合尾矿库排渗实际情况的槽孔管排渗系统理论计算模型，推导出等效反滤层半径、系统总渗流量计算公式。根据此次研究成果进行了斑毛沟尾矿坝的排渗系统渗流量计算，并与实测数据进行对比，验证了研究成果的合理性，为尾矿坝量化排渗设计提供了理论依据。

［1］ 徐宏达.细粒尾矿冲填筑坝的沉积规律初探［J］.中国矿山工程，2004，33(1):39-42.

［2］ 金松丽，徐宏达，张 伟.尾矿坝排渗技术的研究现状［J］.现代矿业，2012(7):35-38.

［3］ 刘 杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训［M］.北京:水利水电出版社，2005.

［4］ 延边华冶排渗工程有限公司．尾矿坝排渗技术:中国，200610163203.8［P］．2009-02-11．

［5］ 章臣平，张 雷.上游法尾矿坝垂直水平联合排渗系统量化设计初探［J］.金属矿山，2005(9):164-166.

［6］ 苑莲菊，李振栓，武胜忠，等.工程渗流力学及应用［M］.北京:中国建材工业出版社，2001.