排管的施工工艺(降蒸渗流排) 重力排水技术的应用
随着矿山的发展和矿山尾矿库服务年限的延长，库容不断扩大，尾矿坝不断加高，坝体浸润线不断抬升，其坝体安全稳定问题逐渐暴露出来。首先表露出的现象是浸润线局部沿坝体溢出并出现渗漏点；进而发展为坝体呈局部沼泽化乃至大面积沼泽化现象，长满水生植物；继续发展则呈现出局部管涌或坝体产生一定的不均匀位移；最终演化发展为坝体的整体滑移或形成泥石流从而溃坝造成灾难性后果。究其原因，主要是水土相互作用降低坝体抗剪强度的结果：原已稳定的尾矿坝坝体在逐年增高的水位浸润作用下，坝体位于浸润线下的土体处于饱水状态，其勃聚力及内摩擦角等抗剪强度降低，而高浸润线（水头值）下的主动土、水压力在不断增加，从而导致坝体稳定性下降。为维持矿山尾矿坝的稳定，保持矿山正常生产，各矿山都要投人较大资金对坝体进行加固，加固方案虽多，但绝大多数的加固方案的加固效果及加固措施的运行时间等均不是很理想，出现年年在治理，年年还要治的不良局面。为寻求一种更为经济合理且能有效降低坝体浸润线的坝体加固，中冶集团武汉勘察研究院在相关单位的支持配合下于1987年成功完成了有色冶金系统“七五”技术攻关项目－“竖直井－水平孔联合自流排渗体”（以下简称排渗体），并于1989年6月21日获准国家“实用新型”第26641号专利。实用新型专利名称：垂直排渗竖井与水平排渗管联合排渗体。 该技术自研发成功以来，经过近20a来的工程实践和不断的技术改进，已在20多个矿山尾矿坝的排渗加固工程中得到成功应用，坝体加固取得了非常理想的效果，有效地排除子矿山尾矿坝的安全隐患。 一、排渗体降低浸润线加固坝体的原理 排渗体结构参见图1，它由竖直井和水平排渗管组成，二者必须准确地对接形成一个有机的完整体才能有效地发挥其排渗作用。 ![]()
图1排水与加固示意图
图2 排渗体施工示意图 水平排渗管是排渗体的主体，它与水平方向向上呈一定夹角，其坡度为1%～4％，是通过水平钻机在坝坡处向坝体内钻探成孔（φ150mm），然后在孔内安放水平滤管（DN70～90mm）而成。它具有集水和导、排水双重功能。 竖直井是在位于接近于水平排渗管终点的坝体表面沿垂直方向施工的一组竖直孔，然后向内充填入透水性能较好的滤料或安装透水滤管而成，其表面布置形式多样，主要样式如图3所示，它主要是将各层透水性不同的尾矿体在竖直方向上联系起来而增加垂直渗透效果，让上部被透水性较弱的尾矿泥所阻隔的水能顺利沿竖直井下渗到水平排渗管而排出坝外。其关键技术是要求竖直井与水平排渗管必需准确对接。 图3 坚直井平面布置示意图 当排渗体建成后，坝内水体必然沿水力阻力小的排渗体流出，同时坝体浸润线下降，在坝面形成一定距离的干坡段，从而达到增加坝身土体抗剪强度（增加土体C、φ值）、降低作用在坝身上的水土压力并加固坝体的目的。 二、排渗体参数的选取 （一）排渗体间距的确定 1、铁矿尾矿粉的颗粒度较粗，其透水性一般较好，其渗透系数一般在10－3 cm/s，其间夹渗透系数小于10－5cm/s的尾矿泥夹层，对于这类透水性好的地层，根据施工经验排渗体间距一般取值为16～20m。 2、对于铬及铅锌矿、钥矿、铜矿，其尾矿颗粒度稍细，渗透性在10－4 cm/s左右，一般排渗体间距取值在12～16m区间。 3、对于硫铁矿、金矿等化选工艺的矿，其尾矿极细，渗透系数在10－5 cm/s左右，一般排渗体间距取10～14m为宜。 4、对于铝厂赤泥坝，其母矿为黏土矿，排放的尾矿颗粒在尾矿库内随着时间的推移而具有逐渐胶结的性能，由于其胶结程度的不同导致其排渗加固较为复杂，工程实例相对较少且排渗量差异较大，武汉勘察研究院在河南焦作中州铝厂赤泥坝和郑州铝厂赤泥坝尾矿的排渗加固治理中引进应用了此工艺并获得成功，其排渗设计需结合其采选工艺和尾矿的松散程度、颗粒大小等的不同而采用不同的排渗体间距。 （二）排渗体水平排渗管长度的确定 从理论上讲，排渗体水平排渗管长度越长，其排渗效果越好，但长度过长，其施工难度也成倍增加，造价也相应呈倍数上升，因此需寻求一个费效比较高的管长值。可根据为维持坝体稳定所需干滩面长度估算，若一坝体需坝前50m干滩面才能保证坝体稳定，则水平管长以大于60m为宜，设计一般取值60～70m。目前已施工工程中单管长最长已达到142m（中州铝厂赤泥坝加高治理工程）。根据多年施工经验，建议尾矿渗透系数大于10－4 cm/s的坝体取值70～80m为宜，小于该值的建议取值大于90m。 （三）水平排渗管开孔率的选择 水平排渗管除本身具备集水和自流排渗的功能外，还对具有集水功能的竖井起导流排水作用，以形成另一个更大范围的降落漏斗，从而达到更有效的排渗效果。因此，水平排渗管就应有一个经济合理的开孔率。 理论上开孔率愈大排水条件应愈好，但实验结果表明，开孔率从7%增加到15%时，其综合渗透系数几乎不变（见表1），水平管对被保护的尾矿砂无阻水作用。因此，从既满足水平排渗管有良好的排渗能力，又保证其具有足够的承受送管荷载（20～30MPa）和拉压强度（最大顶推力36kN，最大拉管力100MPa）的作用下，最后选择开孔率8%左右较合适。水平排渗管的下游端部5～10m为无孔管，便于管外封孔堵渗。 表1 水平排渗管开孔率对渗透系数的影响*过滤器的开口数×孔径/毫米| 开放孔隙率/% | 过滤器综合平均渗透系数/(厘米/秒) | 9×φ107.1 | 1.38×10-2 | 11×φ109.1 | 1.46×10-2 | 11×φ1111.0 | 2.21×10-2 | 13×φ1115.5 | 2.24×10-2 |
*实验以DN90mm×6mm塑料管材为研究对象。 （四）土工布的选择 排渗体在该项目的攻关过程初期，先后试验过麻棕、尼龙网等几种材料，效果不太理想，出水含砂量较大，均不能满足要求，最后选择了土工布。经河海大学对各种规格土工布材料在不同荷载下的渗透试验及淤堵实验等相关试验数据显示，选用400B2型材料较为合适，实际施工过程中发现300g/m2土工布对排渗也有非常有利的一面，故在实际施工过程中往往采用300g/m2或400g/m2的土工布，又以300g/m2作为过滤器包扎材料的居多。 土工布的老化（强度随时间的增长而降低）问题是客观存在的，然而在尾矿砂覆盖的情况下其强度的降低不大，据资料介绍Valcros坝采用聚酯纤维土工布，其直接暴露在光照下两年，强度损失率50%以上，而置于堆石下面的土工布，使用6年后强度损失甚微。 （五）竖直井参数的选择 因竖直井起着将各向异性的尾矿体内的水体上下联系起来的作用，为将尾矿上层水导入水平排渗管内，竖直井必需与水平管相切，其底部标高要求必须小于相切时水平排渗管所处位置的标高，一般深度超长取值为1～3m，因竖直井施工时不可避免地会产生一部分沉淀堆积物，故超长部分起竖直井施工时的沉淀槽作用。竖直井坝面位置位于离水平排渗管终端5m范围内。 三、排渗体施工工艺及技术要求 （一）排渗体施工工艺 排渗体施工工艺流程见图4。图4 排渗体施工工艺流程图 （二）施工技术要求 1、排渗体是以排水、降低坝体浸润线为目的，因此在钻探施工过程中严禁采用泥浆护壁，需完全清水或干孔作业。 2、竖直井与水平排渗管必需严格对接，对接是该工程的关键技术之一；一般可采用测量放线加经验估算法找准竖井点位或先采用高精度数字水平测斜仪对水平孔进行精确测量，然后结合测量放线进行施工竖井定位。 3、水平孔施工时应严格控制施工设备仰角，水平孔向上仰角为1%～4%，严禁水平管向下倾斜。 4、施工过程中下人孔、井内的充填材料必需洁净：土工布无污染且不得有破损（若有破损需及时修复），充填滤料需清水冲洗干净，以确保建成后的排渗体的排渗效果，并控制排渗的含砂量。 5、建议施工前在坝体布置一定量的观测孔，观测孔尽量设置在排渗体之间，排渗体终点处也需设置相应的观测孔。及时观测水位，判断浸润线的变化情况，掌握地下水浸润线的动态变化规律，形成系统的地下水位观测资料，以进一步指导、优化设计。 6、单组排渗体施工完毕后应定时测量单孔排水量并做好记录，观测排渗量变化情况，必要时应对排出水进行含砂量分析，以确定排渗体对坝体的影响。 8、整个排渗工程完工后，应及时对坝面进行恢复。 四、典型工程实例 近年来，中冶集团武汉勘察研究院在各种矿山施工了不少水平排渗体，取得了大量的第一手资料并积累了宝贵的工程实践经验，其典型工程实例见表2。 表2 典型排渗工程实例统计表序列号| 我的名字 | 建造时间 | 出血体数量(组) | 水平管道长度/米 | 垂直井形式 | 评论 | 一个安徽省狮子山铜矿 | 1988.4~1989 | 26 | 50 | ф800大直径井 | | 2云南大姚铜矿 | 1994.11~1995.1 | 10 | 65~73 | 沙袋井 | | 三江西新余梁山铁矿 | 1996.7~1996.9 | 五 | 65 | 塑料过滤管 | - | 2000.10~12七 | 65 | 塑料过滤管 | - | 四宜春钽铌矿 | 1996.10~12 | 五 | 65~80 | 沙袋井 | | 五湖南七宝山硫铁矿 | 1997.7~11 | 六 | 40~65 | 沙袋井 | | 六辽宁本溪歪头山铁矿 | 1996.7~9 | 六 | 65 | 沙袋井 | - | 1998.10~12九 | 65 | 沙袋井 | - | 2004.5~917 | 70 | 沙袋井 | - | 2006.5~1024 | 70 | 沙袋井 | | 七河南三门峡黄金冶炼厂 | 1998.10~12 | 五 | 75 | 排水盲沟 | - | 2004.5~7五 | 75 | 排水盲沟 | - | 八本钢南芬铁矿 | 1998.11~1999.3 | 九 | 70~95 | 沙袋井 | 图书馆现在关门了。 | 九河南南阳大河铜矿 | 1999.1~3 | 五 | 75 | 沙袋井 | 关闭旧仓库，处理新仓库局部坍塌，加固。 | 10南京冶山铁矿 | 2003.4~7 | 七 | 70 | 沙袋井 | | 11浙江朱莉铁矿 | 2003.7~2004.1 | 15 | 70 | 沙袋井 | | 12河南焦作中州铝厂 | 2003.7~11 | 五 | 80 | PVC管式过滤器 | 赤泥坝加固 | 2007.1~4五 | 142 | 镀锌管过滤器 | 13江西银山铅锌矿 | 2004.10~12 | 21 | 70 | 沙袋井 | - | 14河南郑州 | 2007.3~5 | 24 | 45 | 大直径井 | 赤泥坝加固 |
各矿山尾矿坝在进行施工前，坝体均有不同程度的沼泽化现象，坝面长满水生植物，甚至有些坝体已出现了管涌和坝体局部垮塌巫待抢险加固的现象，通过在坝面设计施工排渗体后，坝体险情均得到了根除，取得了较为满意的效果。 五、结语 尾矿坝加固的方法很多，常用的有预设盲沟法，贴坡反滤加固，挡土墙，排桩等。在降低浸润线的施工方法中，也有很多种工艺可选，如机械井抽排水法、虹吸井法、辐射井、轻型井点等，这些工艺在不同矿山尾矿坝的治理中均有过应用，而且也取得了一定成果。水平－竖直联合自流排渗体的施工工艺有排渗效果好、浸潤线降幅大、投资省、建成后无需专业维护等优点，适合于在老尾矿库闭库及坝体加高增容综合加固治理。 免责声明：本网部分内容来自互联网媒体、机构或其他网站的信息转载以及网友自行发布，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考，不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之，本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者，视为自愿接受本网站声明的约束。
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