杨家湾尾矿坝排渗加固实践

2018-11-30李超前李鹏飞

金属矿山 2018年11期

黄雯李超前李鹏飞刘曙

（武钢资源集团程潮矿业公司，湖北鄂州436501）

杨家湾尾矿库位于湖北省鄂州市泽林镇的杨家湾沟，1991年10月份建成投入运行，尾矿库的类型为山谷型尾矿库，初期坝为透水堆石坝，坝高17.4 m，坝长146.459 m，坝顶宽5 m，坝顶标高为50 m，上游边坡坡比1∶2，下游边坡1∶1.3～1∶1.75，最终堆积标高95 m，总库容1 880万m3，为三等库。

2006年杨家湾尾矿库在堆积坝上设3座钢筋混凝土辐射式排渗井，对尾矿堆积坝进行降低浸润线工程措施，该方法原理简单、效果明显、降低浸润线的范围较大、后期维护管理费用低，但建设施工费用高［1］。随着尾矿库堆积坝标高上升，辐射式排渗井排渗能力不足，2017年杨家湾尾矿库局部浸润线偏高，子坝外坡出现局部沼泽化，两侧坝肩截水沟出现渗水现象，存在安全隐患。经现场调查，同时查阅相关设计、施工及排渗设计资料，结合以往排除隐患的施工经验，采用辐射式排渗井多层敷设水平滤管和坝体表面水平滤管排渗联合工艺，降低坝体浸润线，控制实测浸润线不高于设计的控制浸润线，保证尾矿库安全运行。

1 尾矿堆积坝浸润线

1.1 设计的控制浸润线

国家标准《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）规定，尾矿堆积坝下游坡浸润线的最小埋深除应满足坝坡抗滑稳定的条件外，应满足表1的要求，且任意高度堆积坝的浸润线最小埋深可用插入法确定［2］。

杨家湾尾矿库最终堆积标高95 m，初期坝坝顶标高50 m，尾矿堆积坝高度H=45 m，根据插入法计算，杨家湾尾矿库堆积坝下游坡浸润线的最小埋深≥3 m。

1.2 浸润线现状

尾矿库的浸润线是尾矿库的“生命线”，是观测尾矿库安全运行的重要窗口，为了掌握尾矿库浸润线的埋深情况，一般需要埋置浸润线水位观测孔，量得浸润线的埋深，并与设计要求的控制浸润线进行比较，直观地反映实测浸润线是否满足设计要求。

杨家湾尾矿库浸润线监测分在线监测及人工监测：①在线监测，杨家湾尾矿库浸润线监测共设置20 个监测点，分布于垂直于坝轴线的A、B、C、D、E、G 6个监测断面上，采用振弦式孔隙水压力计测量，每个监测点根据浸润线人工监测实际深度钻孔，在各个钻孔中布置套管，并在管壁预设的高度预制渗流段，在相应的高度布置孔隙水压力计，测量坝体内孔隙水压力的分布情况，间接测量浸润线高度。②人工监测，使用自制测量钟现场对浸润线人工观测孔放线测量浸润线埋深。

浸润线监测数据可知，施工前，杨家湾尾矿库浸润线监测点A-1浸润线埋深为1.90 m、G-1浸润线埋深2.90 m，没有达到设计的控制浸润线埋深≥3 m的要求。

1.3 浸润线偏高原因

1.3.1 上游式筑坝问题

杨家湾尾矿库采用上游式筑坝，采用推土机筑子坝，人工修整边坡和铺土护坡。尾矿库坝体尾砂粒径组成水平和垂直2个方向均由粗变细，即坝前粗，库尾细，上部粗，下部细。

水平方向：靠近坝体的透水性强，由坝体向库内透水性逐渐减小，水下矿泥层透水性更小。随着堆积坝升高，库内积水区逐渐向库尾推移，所以透水性小的矿泥层也往库尾推移，其透水性的变化规律为K1＞K2＞K3＞K4（K为渗透系数），如图1所示。

垂直方向：坝前分散放矿，粗颗粒尾砂在坝前沉积，随着子坝升高，粗颗粒尾砂逐渐向库内推移，因此上部表层透水性强，由上向下透水性逐渐减弱，底部矿泥层透水性甚微。

大量勘察资料表明，尾矿沉积体内或多或少的会有细泥夹层，特别是一些较厚的矿泥夹层严重阻碍了水的垂直下渗，导致浸润线过高［3］。

1.3.2 尾矿坝放矿管理问题

（1）在尾矿排放过程中，由于矿浆在坝前滩面上形成摆动式的来回摆动流，形成较粗尾矿与细粒尾矿（或矿泥）互层，细粒尾矿层（或矿泥层）的厚度由不到1 mm至几个mm，成为薄层隔水层，在整个尾矿坝剖面上，存在很多这样的夹层。

（2）在尾矿排放过程中，以水为输送介质的矿浆沿沉积滩流动，矿浆的主要成分——水在流过有一定渗透性的沉积滩时，部分水进入尾矿的孔隙而渗入尾矿堆积体中，不断为尾矿库渗流补给。

1.3.3 尾矿库的地形问题

杨家湾尾矿库堆积坝原设计坝顶标高85 m，经2006年扩容设计坝顶标高加高至95 m，随着尾矿库子坝堆筑，出现堆积坝两侧外坡表面沼泽化问题：一是坝体内渗流量增加，原有3座辐射式排渗井排渗能力不足；二是杨家湾尾矿库堆积坝长度约865 m，原有3座辐射式排渗井水平滤管布置的范围有限，无法作用于尾矿坝两侧；三是杨家湾尾矿库两侧山体基岩阻挡，渗流路径变长，渗流无法顺畅排出，导致尾矿坝两侧A-1、G-1附近实际浸润线超出设计的控制浸润线。

2 排渗加固工程设计

2.1 方案选择

尾矿堆积坝排渗加固设施类型主要有贴坡排渗、排渗管排渗、管井排渗、垂直－水平联合排渗、虹吸排渗、辐射井排渗等［4］。由于杨家湾尾矿库实际浸润线高于设计的控制浸润线位置重点集中在堆积坝两侧局部范围，且堆积坝已有3座辐射式排渗井，根据杨家湾尾矿库的实际情况，为确保其生产期间和闭库后的坝体稳定性，经济技术比较后，认为采用排渗管排渗治理措施，较为经济合理。

2.2 工程布置

根据杨家湾尾矿库现场调查和浸润线数据分析结果，对整个尾矿坝的工程地质条件进行评估，确定杨家湾尾矿库排渗加固工程的重点范围，进行工程布置。

针对杨家湾尾矿库3座辐射式排渗井滤水管淤堵，排渗效果下降，采用辐射式排渗井多层敷设水平滤管：在辐射式排渗井现有水平滤管上1 m处新增1排水平滤管，现有导水管下新增1根导水管。

针对杨家湾尾矿库堆积坝两侧，因其超出辐射式排渗井作用范围，且两测山体基岩作为隔水边界阻碍渗流路径，采用水平滤管排渗方式，在堆积坝两侧一定范围内铺设水平滤管排渗，减少渗流路径，将坝体渗流直接引排至坝肩截水沟。杨家湾尾矿排渗加固工程平面图见图2。

2.3 工艺参数确定

根据施工水平，水平排渗管管深最长可达60 m，而水平排渗管间距一般按4～8 m布置，具体间距还必须根据现场渗流破坏程度、尾砂沉积规律（现场开挖探槽鉴定）、渗透特性以及实际排渗效果等因素综合确定［5］。

水平排渗管出口标高及钻孔倾角的确定，要考虑地下水位将要下降的幅度、坝体稳定性、尾砂的沉积特性以及渗流量等因素［6］。由于杨家湾尾矿库坝体两侧均为山体，坝体与山体间有坝肩截水沟，因此水平排渗管出口不应低于坝坡排水沟或坝肩截水沟底部，否则无法将坝体渗流引出。水平排渗管出口标高及坡度也不宜过高，否则进入尾矿坝内部的水平排渗管将会被埋设在已固结的黏粒尾砂层中，无法到达含水层，从而使滤水管不能充分发挥其排渗作用，达不到预期效果。因此根据实际情况，将孔口出口紧贴坝肩截水沟底部，坡度0.02，水平排渗管与坝轴线夹角75°，偏向两岸方向。塑料管壁厚度、滤网和滤料的选择根据经验结果而定，水平孔结构见图3。

3 排渗加固工程施工

3.4.1 辐射井内排渗管施工

井内排渗管需先在井内安装钢平台，钻机放置于钢平台之上，同时用钻机上的4根伸缩柱将钻机固定在井壁之上。吸砂泵放置于钢平台之下，在钢平台上开孔将吸砂管伸出井外。施工工艺为同步跟管取芯钻进法。钻进至设计深度后，拔回钻杆，洗净套管内尾砂，安装排渗管。

3.2 辐射井导水管施工

井内导水管施工前先将洗砂泵放入井底，将井内原滤水管排渗的水用泵抽至井外排水渠，封堵原导水管防止杂物进入管内，吊入钻机进行安装，开孔标高的调节由钻机底部的4根ϕ75 mm伸缩柱调节，钻进过程中前进后退产生的后座力由支撑在井壁上的4根伸缩柱传导至井壁固定。施工方法为同步跟管取芯钻进法。钻出坝体后，拔回钻杆，同时回拉ϕ120 mmPE管，PE管的连接采用热融焊接工艺。

3.3 水平排渗管施工

首先挖出3.0 m×2.0 m×1.0 m的基坑，后下入制作好的钢筋笼及预埋ϕ18 mm地脚螺丝，然后浇灌C25混凝土，凝固至规定的强度，构成钢筋混凝土墩基，以固定水平钻机。施工过程随时观测并确保钻机轴线的方位及孔位与设计一致，采用水星二号水平孔钻机施工。

施工工艺采用同步跟管钻进，清水排渣法施工，首先按照钻探工艺操作方法钻进，再顶管跟进护壁，在水平孔钻达设计深度后，先堵套管头，再清洗钻孔；用高压清水排渣，直至清洗干净为止；然后拔出钻杆，下入槽孔管，槽孔管的连接采用承叉方式安装，并用木螺丝固定，最后拔出套管。

4 排渗加固工程效果

4.1 渗流排量增加

渗流量的变化反映排渗设施排渗效果，在正常渗流条件下，渗流量变化不大或变化符合一定变化趋势。杨家湾尾矿库排渗加固工程实施，辐射排渗井渗流排量大幅度增加，具体渗流排量见表2。

根据现场测算数据，辐射排渗井渗流总排量由488 m3/d增加到981.09 m3/d，堆积坝右侧水平滤管排渗量500 m3/d，左侧水平滤管排渗量180 m3/d，排出坝体外水质清澈透明，不含尾砂，排渗效果显著提高，坝坡表面沼泽化部分已干涸，坝肩截水沟内壁渗水现象已经完全消失。

4.2 降低坝体浸润线

尾矿库的浸润线能直观地反映尾矿库的渗流状态，如图4所示。降低尾矿库的浸润线，可使尾矿库的堆积边坡最大限度地处在疏干状态，因此坝体内浸润线最小埋深即可反映排渗设施排渗效果。工程实施前后坝体观测孔浸润线的埋深数据见表3。

从表3可知，尾矿坝浸润线埋深在工程竣工后大幅度提高，浸润线埋深最大增加3.62 m，最小增加0.35 m，平均增加0.67 m，尤其是A-1和G-1监测点范围浸润线得到控制，A-1点浸润线埋深5.14 m，G-1点浸润线埋深4.27 m，达到《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）浸润线最小埋深规定。