尾矿库初期坝顶坝坡渗水治理

摘　要：通过对尾矿库初期坝顶处堆积坝坡的渗水沼泽化原因分析，提出用水平集渗墙式大口排参井结合虹吸管的方式治理，解决了沼泽化问题，有效降低了浸润线，保证了堆积坝体的稳定安全。

关键词：初期坝顶 ， 坝坡渗水， 水平集渗墙 ， 虹吸管
1.尾矿库概况
　　某尾矿库位于湖南水口山矿区，初期坝位于沟口附近，属山谷形尾矿库。该库由矿山自行设计施工，1986年7月投入使用。初期坝为碾压透水堆石坝，上、下游边坡采用灰岩和泥灰岩护面，上游坝坡设有碎石反滤层，坝底有排水盲沟。初期坝顶标高103.0m，坝高20.8m，坝顶宽4.0m，上游坝坡 1:2.0，下游坝坡约 1:1.75。后期采用尾矿上游法筑坝，平均堆积边坡1:4.7，目前堆积坝顶标高 146.0m，滩顶标高约145.5m ,堆积坝高42.63m，总坝高64.0m。库尾水面标高约139.02m，沉积滩长约370.0m，沉积滩坡度约为1.75%。堆积坝坡采用山皮土护坡，表面植物较好。
    该库从1994始，堆积坝坡上逐渐出现渗水沼泽化现象，且局部出现塌陷。2000年采用两座大口辐射井的方式治理渗水。1#井位于130.0m标高平台，布置在坝坡左侧，2#井位于120.0m标高平台，布置在坝坡右侧。辐射井建成运行一段时间后，坝坡上渗水沼泽化现象逐渐消失。
　　2009年该库初期坝顶处的第一级子坝出现渗水沼泽化现象，沼泽化长度约45m，沼泽化高度2.5～5.5m，位置偏堆积坝体左侧坝坡。除靠近沼泽化区域的观测孔水位埋深为3.83m，堆积坝坡其余观测孔的浸润线埋深基本在6～13m。详见图1。

              图1  坝体已有排渗设施和浸润线简图
2. 渗水原因分析
　　根据矿山资料，该库初期坝为碾压透水堆石坝，石料为大理石块，内外坡及顶面均采用石灰岩和泥灰岩铺面。坝体建成初期，透水性强，渗水量大，渗流量为34.5m3/h，占总渗流量的73%，且水质清澈。但随着尾矿库的运行，堆积坝坡逐渐出现渗水沼泽化现象，初期坝的渗流量减小。目前，初期坝底渗水量小，坝的透水作用基本消失。说明随着尾矿库的运行，初期坝体的渗透性质正逐步发生改变。
　　根据2010年钻孔资料，坝体主要由块石、碎石混合10～20%的粘土组成。说明初期坝的性质相比建成初期确实有一定变化，透水性下降。且上游坝坡采用泥灰岩护面，长期浸水后泥灰岩逐渐变软，其中粘土逐渐堵塞堆石中的缝隙，造成上游坝坡原有反滤层逐渐变成防渗层。
　　该尾矿库堆积坝在粉砂层中的渗流主要表现为受重力流动引起的梯度控制。虽然两口辐射井排出大部分渗水，但120.0m标高平台的辐射井排渗管出口标高为107.0m，高于初期坝顶103.0m，所以107.0m标高以下的渗流水受重力作用逐渐向下流动，至初期坝处，反滤层性质改变为防渗层，水位逐步上升，最终导致初期坝顶处渗水、沼泽化，浸润线逸出。
3. 治理措施
3.1方法选择
　　尾矿库堆积坝体的渗水治理通常有水平排渗管、垂直—水位联合排渗和大口排渗井等方式。该库初期坝顶处渗水沼泽化，如果采用水平管，可以解决初期坝顶以上坝坡渗水现象，但初期坝顶以下的渗水则排不出库外，不能彻底解决初期坝上游坝坡处尾砂处于饱和的问题。而大口排渗井可以向下深入坝坡下一定深度，能排出堆积体内部的渗水，彻底解决初期坝前尾砂饱和的问题，所以选择大口排渗井的排渗方式。
3.2排渗方案
　　排渗系统由大口渗水收集井、水平集渗墙、排渗管组成，详见图2。

　　　　　　　　　　图2  排渗系统布置简图
3.2.1渗水收集井
　　收集井布置于坝坡112.0m标高，深度为17.0m，内径3.0m，井壁为钢筋混凝土结构，厚300mm。
　　底部设三向集渗管，收集底部的渗水。井底集渗管为四通三根，水平向三根集渗管四周开孔，外包土工布。
3.2.2集渗管
　　大口排渗井的集渗管一般情况采用辐射状布置（也称大口辐射井）。本工程排渗的目的要改善初期坝前尾砂的饱和状态，将水排出坝外，因此集渗管采用水平集渗墙的模式。中轴线平行于坝轴线，集渗管位于中轴线两侧，夹角5°，每层间隔0.5m，层、排间交错布置。集渗管为软塑PVC管，管壁开孔φ10mm，每周4个，梅花型布置，外包两层400g/m2土工布，并用铅丝扎紧，见图3。
　　　　　　
　　　　　　　图3  水平集渗墙式集渗管平面布置
3.2.3排渗管
　　（1）排渗管方案
　　一般情况下，排渗管采用自流模式。
　　但是该库排渗管需通过初期坝引出库外，初期坝为碾压堆石坝，碾压后的堆石体水平钻进难以进行，如果采用明挖方式埋设排渗管，部分处于尾砂内的排渗管，开挖后一旦尾砂坑处理不善，可能产生塌滑危险。而且经2010年的勘察资料来看，多年的运行使初期坝的材料性质发生一定改变，堆石坝中含有10～20%的粘土。如果排渗管从库内直接穿透上游坝坡反滤层即止，则井内渗水通过初期坝体排出，势必将坝体内的粘土管涌带出，将会造成严重后果。所以结合虹吸管的模式设置排渗管。排渗管斜向上从初期坝顶上穿出，然后沿坝坡向下排出。
　　（2）排渗管内径选择
　　排渗管采用钢管。管径根据下式计算：
　　　　
　　式中：d-虹吸管内径（m）；
　　      Q-相应于该管段的流量（m3/s）；
　　      v-虹吸管的允许流速（一般取0.5～0.7m/s）。
　　虹吸管内流速一般不超过0.7m/s，如果流速过大，则水内溶解的气体容易离析，本工程取0.7m/s。结合勘察实测的已有两座辐射井渗流量7.42L/s和7.29L/s，经计算，d=115mm,排渗管直径取108mm。
　　（3）出口设置
　　井内水位低于初期坝顶标高，才能使初期坝前浸润线有一定埋深，不从初期坝顶逸出。且井内水位与排渗管进口的高差需满足要求排出的水量。
　　虹吸管一般采用的允许真空高度为4～6m。本工程取5.5m，坝顶标高103.0m，结合渗流量，则排渗管进口标高98.5m，出口标高为97.5m。为保证淹没出流，出口处设水箱。水箱尺寸长宽高分别为2.0×0.8×1.5m，两格，出水口位于水箱底部，隔板顶部开0.5m的方孔溢流。
　　排渗管进入水箱前设阀门。
　　（4）排气装置
　　在坝顶虹吸管最高处的下游0.5m处设置排气管，长0.4m，管上设阀门。
3.3运行使用
　　（1）该工程施工完成后，关闭出口处阀门，打开排气管阀门和井内集渗管木塞。
　　（2）收集井内的水位逐渐上升，至通过排气管处的阀门向外溢出时，关闭排气管阀门。
　　（3）打开出口处阀门，虹吸开始。
　　如果运行过程中水位逐渐下降导致虹吸停止，则按上述步骤进行，排渗 系统可重新开始虹吸排水。
4.效果
　　该系统运行两个月后，渗水量逐渐趋于稳定，排渗管出口流量5.56～6.94l/s，初期坝顶的沼泽化逐渐消失。目前已运行一年，系统稳定。
　　通过浸润线观测孔观测水位，初期坝顶处浸润线埋深下降为7.78m，其他孔水位埋深也在6～13m。
5.结论
    尾矿库堆积坝体沼泽化是常见现象，必须及时治理，否则将会引起管涌、堆积坝体塌陷等，威胁堆积坝体的抗滑稳定安全。国内尾矿库一般为降低浸润线，初期坝大量采用碾压透水堆石坝型。本文针对初期坝为碾压堆石坝和排渗管不能采用常用的自流模式的工程特点，通过对初期坝顶处坝坡渗水原因的分析，采用水平集渗墙式大口排渗井和虹吸管结合的方式设置排渗系统，排渗效果好，操作简单，有效解决了初期坝顶处坝坡渗水沼泽化的问题，对同类型尾矿库有很大的借鉴意义。
参考文献：
[1] 《给水排水设计手册》（第3册 城市给水）[M].北京：中国建筑工业出版社，1986年
[2] 胡平安. 大口辐射井排渗法降低尾矿库浸润线的实践[Z]. 中国有色金属学会安全学术委员会第四届学术年会,2001.