某尾矿库排水斜槽渗漏分析及治理

丘永富

（新疆金宝矿业有限责任公司）

尾矿库不仅是矿产资源开发产业中的关键设施，同时也是重大的危险源之一［1］。尾矿库中的涵洞斜槽等排洪设施，多属于填埋式，根据尾矿库的容量大小，设置于尾砂下数十米甚至上百米深度处。由于上覆堆积尾砂厚度极大，库内水位较高，若排水斜槽局部发生坍塌损坏，库内饱和尾砂极有可能在水力作用下沿排水斜槽快速流失，造成尾矿库区或坝面塌陷，严重时甚至引发尾矿库溃坝事故，造成巨大损失［2］。因此确保尾矿库的排洪系统安全运行具有重大意义。本研究以国内某尾矿库为例，对其堆砌排水斜槽渗漏问题进行分析，并就应对技术方案进行讨论，供相关工程实践参考。

1 工程背景

某公司原有尾矿库于2005年投入使用。初期坝为碾压土石坝，内坡铺设防水土工膜，采用上游法尾矿筑坝，采用排水斜槽、涵洞作为排洪系统。初期坝坝顶标高为887.0 m，坝高22 m，坝顶宽5.0 m，在877.0 m处设置马道，宽度为2 m，初期坝外坡比为1∶1.75～1∶2.0，内坡比为1∶1.75。设计总坝高45 m，堆积坝最终标高910 m，设计总库容322万m3，为四等库。2009年，根据矿山生产需要，对该尾矿库进行了加高扩容方案设计。经加高扩容后，尾矿库的最终堆积高程为963.0 m，设计坝体总高度98 m，设计总库容2 084.6万m3。根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013），加高扩容后尾矿库等别上升到三等库。目前该尾矿库子坝堆筑至32级子坝，高程约951 m，堆积坝整体外坝比为1∶5，后期每级子坝按照高度2 m、外坡比1∶2堆积，坝体总高度已达86 m，超过总坝高的2/3，已进入后期管理阶段。

排水斜槽为尾矿库加高库容设计前的排洪系统中的斜槽，沿着自然沟谷布置，最终位于初期坝及尾砂下方。断面型式为圆拱直墙型式，钢筋混凝土槽身、钢筋混凝土预制圆拱盖板，断面净尺寸为1.2 m×1.8 m，长度为165 m。加高扩容设计中，子坝堆积至标高910.0 m以前，仍采用原设计斜槽作为排洪系统，堆筑至910.0 m以后采用新建的井—管（隧洞）式排洪系统。同时对原斜槽进行“柔性封堵”［2-3］，保留斜槽排水能力，作为排渗系统中的一条排水通道。斜槽进水口段及出水口段各10 m使用混凝土封堵，均预埋排水管包裹土工布作为排水通道；斜槽中段采用级配良好的碎石、块石充填；同时采用预制涵管将排水斜槽出水口延伸至初期坝外。

2 排水斜槽渗漏分析

2.1 排水斜槽渗漏情况调查

近年来，该尾矿库排水斜槽出水口处偶尔出现跑砂、跑浑现象，库区在固定位置处出现偶发性沉降、塌陷。每次库区发生塌陷现象，排水斜槽出水口处水流随即变得十分浑浊，跑砂量剧增。通过现场调查并测量塌陷区位置，发现塌陷区正位于排水斜槽上方，初步推测塌陷及沉降原因为排水斜槽局部钢筋混凝土出现损毁，形成裂隙或孔洞，形成渗流通道，造成局部尾砂流失而引发间歇性库区塌陷。

2.2 排水斜槽受力分析

当前，水工构筑物的排水斜槽结构计算方法主要有两种：以衬砌为计算对象的结构力学计算方法，周边尾砂的作用以弹性抗力的形式施加给混凝土结构；以隧洞整体为计算对象的弹性力学方法。本研究按照结构力学法的弹性中心法进行分析。根据前期勘察成果，尾矿库各土层单元的计算参数取值见表1。

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2.2.1 荷载分析

排水斜槽在正常使用情况下承受的荷载主要有尾砂压力、外水压力、混凝土自重及内水压力，以及施工过程中产生的混凝土凝固和硬化期间的自应力及使用中的温度应力。

（1）上覆尾砂压力。尾矿库内排水斜槽土压力是指斜槽上逐渐沉积的尾砂压力，计算公式为［4］：

式中，q为管顶均布垂直土应力，kN；Hw为尾矿堆高，m；HD为斜槽顶水深，m；γs为尾矿湿容重，kN/m3；γf为尾矿浮容重，kN/m3。

（2）侧向压力。当Hw>HD时，计算公式为

式中，ξ为侧向压力系数。

（3）水压力。水荷载是水工构筑物的主要荷载，有内水压力和外水压力两种。对于无压斜槽，内水压力即为水深；后者一般指直接作用在混凝土外边线的水压力。当斜槽内无压或低于地下水位时，地下水向洞内渗透，因渗透损失，衬砌外缘处的水头小于地下静水头，由此需要引入相应的折减系数βe。外水压力折减系数主要与围岩渗透系数和衬砌渗透系数的比值有关［5］。衬砌施工质量很好时，折减系数取1；当周边岩土体完整、节理不发育，而衬砌施工质量较差时，折减系数取0。另外，当采用有效的人工防渗和排水措施后，折减系数可适当降低。作用在结构上的外水压力按下式计算：

式中，pe为作用在衬砌结构外表面的地下水压力，kN/m2；βe为外水压力折减系数；γw为水的容重，kN/m3；He为地下水位线至斜槽中心的作用水头，m。

（4）地基反力。作用于管道基础底部的地基反力分布随管基刚度、形状及地基性质而变，尾矿库的排水管基础多为刚性基础，置于黏土地基上时，中央压力小而两端大，置于砂土地基上时，中央压力大而两端为0。

（5）温度应力。排水斜槽属于地下建筑物，埋深大，根据一般测试资料，地壳表层的温度与气温有关，地下25～30 m深度内，周边岩土体处于常温状态，其温度值等于年平均气温。超过这一深度，岩石温度随深度加大而升高。斜槽内外温度变化的产生使得钢筋混凝土体的体积发生变形，当变形受到外部或内部约束时便产生温度应力。温度应力主要在气温骤升骤降的情况下比较明显，如果气温比较恒定，温度应力表现得不太明显。由于斜槽内气温比较恒定，故本研究不考虑温度应力。

2.2.2 结构分析

充分考虑了不同覆盖尾砂层厚度的斜槽断面尺寸、配筋情况、周边岩土体、设计混凝土强度等因素，对该尾矿库排水斜槽结构进行分析，模拟计算了排水斜槽所受荷载。结果表明：底板及盖板顶部受到外力后根据上覆尾砂层厚度的不同会产生不同变形量。按照原设计的混凝土强度、厚度、配筋情况，排水斜槽强度满足原荷载要求，但由于该尾矿库进行了加高扩容，随着堆积高度不断增加，排水斜槽所受的荷载逐渐加大，当上覆尾砂层厚度超过42.3 m时，其变形达到极限值，结构强度不再满足安全要求。

通过现场调查及相关模拟计算，确定该尾矿库库区塌陷是由于排水斜槽结构受损所致，且目前斜槽内部已经形成渗透通道。若不及时治理，在渗流水的冲刷作用下，渗透通道直径将越来越大，尾矿坝内部尾砂将会随着水流持续泄露，致使库内或坝体发生大面积塌陷，最终甚至可能会导致溃坝事故。因此，针对排水斜槽渗漏需及时进行治理。

3 治理措施

深埋于尾矿库下的排水斜槽、排水管等排渗设施出现破坏后受制于施工场地的限制，一般采取的封堵方式有两种：一种作为应急措施的洞内封堵，该方式需要具备一定的洞内施工条件；另一种为永久性措施的注浆封堵，该方式适用范围较广［6］。针对该尾矿库的实际情况，在加高扩容设计时，在初期坝外坡采用了反压碎石护坡，使用预制涵管将排水槽延伸至坡外，因而不具备进入斜槽内部封堵施工的作业条件，故采用注浆封堵思路。

3.1 注浆方案设计

注浆孔布置在两处，一处为尾矿库内塌陷坑处；一处为初期坝内坡斜槽出口段。考虑水头作用下排水斜槽内出口段水流流速较大，动水作用下的注浆施工难度较大，可优先施工靠近斜槽进口段的库内塌陷坑处，减少上游进水量后再进行斜槽出口段处施工。

注浆材料采用水泥—水玻璃双液浆，水泥采用P.O42.5普硅水泥，水泥浆的水灰比为0.8∶1～1∶1；水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.6～1∶0.8；水玻璃的模数为2.5，波美度为40°Be′；早强剂（CaCl2·6H2O）用量为1%［7］。根据现场注浆效果，可适当调整。

虽然灌浆压力大可以增大扩散距离，减少注浆孔数量，而且可以提高浆液的可注性，但考虑到现场水位及坝体的实际情况，为防止压力过大导致坝基结构被破坏，本研究注浆工作压力设定为0.1～0.2 MPa，终孔压力为0.3 MPa。

3.2 注浆施工工艺

（1）造孔。在塌陷坑处呈“十”字形布置勘探孔，主要探查出斜槽准确位置，查明排水斜槽内部情况。探明斜槽位置后，沿斜槽“之”字形布置注浆孔，两侧为封浆孔，中间为注浆孔，浆孔与注浆孔排距为2.0 m。钻进采用ϕ127 mm钻具，提钻速度应非常缓慢，在孔底施工时尤为注意。当钻具钻至排水斜槽上方时，先提钻，后在孔内下置套管，套管放置完成后，换ϕ89 mm或ϕ75 mm钻具，穿透排水斜槽顶板。

（2）注浆。将直径40 mm的注浆管下放至距孔底0.5 m处，并用胶球封闭孔口管，将两种浆液分别按配合比配好，将注浆泵压力调至设定值，开启注浆泵，使浆液通过注浆管注入到土体中。浆液采用自下而上分段灌注，每段提升长度不超过1.0 m。先施工外侧封浆孔，再施工内侧封浆孔［8］。

（3）效果检查。封堵效果检查主要通过两种方式联合完成：一种观测封堵前后排水斜槽的出水量以及含砂量；另一种是布置检测孔，通过压水试验检测排水斜槽内的灌浆充填程度。

4 结论

（1）经过现场调查分析，对某尾矿库排水斜槽的变形进行了计算，探明了该尾矿库排水斜槽渗漏的原因是斜槽墙体变形随上覆尾砂厚度增加而增加，最终破坏形成裂隙孔洞，并在水力作用下形成渗流通道。

（2）针对排水斜槽渗漏情况，选择了套管注浆封堵方式，设计了有效的注浆封堵方案，对渗漏问题及时进行了处理，有效保障了尾矿库安全。