細粒尾礦壩槽孔管排滲機理及其計算方法

金松麗 徐宏達 張 偉 閆 浩 吳則祥

(1.北方工業大學建筑工程學院;2.中冶建筑研究總院有限公司)

細粒尾礦是金屬或非金屬礦山選礦磨礦產生的，其包含的固體顆粒粒徑極小，絕大多數屬于細粉粒組、黏土粒組和膠體粒組。因此尾礦顆粒間孔隙很小，細粒尾礦介質滲透性微弱，導致尾礦壩浸潤線偏高，筑壩排滲困難。而浸潤線位置的高低對尾礦壩穩定性影響甚大，堪稱尾礦壩的生命線。因此人們設計了諸多排滲措施和方法以期浸潤線得到有效控制，如管井法、虹吸管法、輕型井點法、垂直－水平排滲系統等。由于尾礦壩滲流場的復雜性，要想做到經濟高效排滲并不容易。

槽孔管排滲系統是一種新興的尾礦壩排滲技術，其優良的排滲效果已在實際工程(如遼寧弓長嶺尾礦壩、云南鎮沅斑毛溝尾礦壩)中得到驗證，尤其在細粒尾礦壩工程中，槽孔管防淤堵特點更為突出。但是目前槽孔管排滲理論的研究還處于空白階段。本研究基于達西滲流定律、反濾層排水降壓原理、能量守恒定律通過理論分析和總結前人的研究成果，探討槽孔管排滲機理及其計算方法。

1 槽孔管構造與排滲原理

1.1 槽孔管構造

槽孔管是特制的槽、孔結合的PE塑料管，管外徑75 mm，壁厚6 mm，外裹白鋼網。在管外徑上，平行于管體的軸心方向均勻開有12個滲流槽，在滲水槽的底部間斷開設與滲水管相通的 8 mm滲水孔，孔眼分布形狀為螺旋形，孔間距150～200 mm。其構造如圖1所示。實際工程中，根據尾礦顆粒組成和濾土、減壓原理，選擇相應孔隙直徑的白鋼網，如表1所示。

圖1 槽孔管構造(單位:mm)

表1 不同尾礦P0.075含量時白鋼網孔隙的選擇

以弓選廠尾礦壩為例，在距壩面5、30、70 m處的取樣分析結果見表2。

表2 弓選廠尾礦樣品篩析結果

依據泰沙基反濾層設計準則要求:D15/d85≤4(濾土);D15/d85≥4(減壓)。其中，D15為反濾層的特征粒徑，D15、d85為保護土的特征粒徑。

篩孔0.15 mm(100目)時，庫內距離尾礦壩壩頂30 m處樣品100目網篩上量為36.0%，70 m處樣品100目網篩上量15.4%，過濾網的目數定為100目，對尾砂能起到比較好的過濾效果。

1.2 槽孔管滲流原理

排滲管滲水量與排滲管的管徑并無直接相關性。同等條件下滲流量的大小取決于滲流面積大小。普通排滲管(構造圖如圖2所示)直徑10 cm，排水孔1 cm，間距10 cm，每個斷面8個滲水孔。每延米長滲流面積為10排×8孔×0.5 cm×0.5 cm×3.14=62.8 cm2。

圖2 普通排滲管構造(單位:cm)

槽孔管直徑7.5 cm，斷面開12個滲流槽，槽寬1 cm。每延米長滲流面積為12個×100 cm×1 cm=1 200 cm2。滲流面積比=槽孔排滲管/普通排滲管=1 200 cm2/62.8 cm2=19.1(倍)。槽孔管的滲流槽代替普通排滲管中的圓孔直接和尾礦接觸，擴大了滲流面積，提高了滲水效率。

排滲管的透水性能否持久與尾礦粒徑和濾網孔徑的匹配情況有直接關系，也是排滲體長期有效的重要環節。普通排滲管采用土工布作為過濾網，由于土工布表面纖維極細，尾礦中的細顆粒無法順利通過，在短時間內淤積在排滲孔表面，致使排滲性能急劇降低，失去排滲能力。

圖3 槽孔管斷面

而槽孔管使用的過濾網是在對尾礦砂粒級分析后確定的濾網孔徑，濾網四周80%的細尾礦順排滲管流出，20%的粗尾砂在過濾網四周形成過濾層，擴大了透水面積，有效地保護了過濾網滲透性能，如圖3所示。滲入到槽孔管中的水通過導水管排出壩外，尾礦固結沉降，減小了尾礦所占庫容，浸潤線降低;同時槽孔管兼作為尾礦壩加固拉錨，在一定程度上增加了尾礦壩的穩定性。這就是槽孔管排滲、降低浸潤線、增加壩體穩定性的原理。

2 理論計算模型

尾礦壩排滲計算的目的是推求排滲設施的排滲量、估算水位降低效果，從而更合理地布置排滲系統［5］。槽孔管排滲計算的分析模型如圖4所示。

圖4 槽孔管排滲系統理論計算模型

取y=y0處d y長槽孔管作為研究對象，由于d y很小，因此滲流穩定后，假定作用在其上的水頭為常數H(y0)。

2.1 坡降計算

如圖5，把槽孔管方向長度記為L，滲流方向的長度記為r。槽孔管外壓力水頭相等，記為h1，流入槽孔管后水頭最小，記為h2。各點水頭差H相等，H=h1－h2。若把滲透距離r等分為5份，沿滲流方向各點的滲距依次為、r，各點的坡降Ii即為、H/r，在半徑方向離槽孔管越近，滲距越小，坡降越大。當坡降大于尾礦的允許坡降，就會發生滲流破壞，直徑小的顆粒被帶走，形成新的反濾層。這種滲透破壞的類型屬于接觸流土破壞，滲流出口尺寸即白鋼網直徑。

2.2 等效反濾層直徑

細粒尾礦的抗滲強度很低，而且抗滲比降大小與滲流方向、尾礦密度和滲流出口是否被淹沒等因素有關。因此在槽孔管周圍形成厚度不均、形狀不規則的反濾層。要想用精確的數學表達式來描述反濾層的形狀和厚度幾乎是不可能的，也是沒有必要的。在滿足工程要求的精度范圍內，不妨假設反濾層是規則的圓形，稱其為等效反濾層。根據質量守恒定律和達西滲流定律，滲入反濾層外邊緣的水量與滲入槽孔管外邊緣的水量相等，即

式中，k1為原尾礦的滲透系數，k2為反濾層的滲透系數，D為等效反濾層直徑，d為槽孔管直徑，i1為反濾層外尾礦的水力坡度，i2為反濾層的水力坡度。

忽略滲流過程中的水頭損失，則水頭分布與靜水情況下水頭分布相同，因此認為i1=i2=1，由文獻［3］知滲透系數的大小與土的等效粒徑的平方成正比，即 k≈，由于部分土的細顆粒已經流失，剩余的較大的土顆粒組成反濾層，因此反濾層的滲透系數必然大于原尾礦的滲透系數。

即

其中，d20為細粒尾礦的等效粒徑，可以從顆粒級配曲線得出;D20為反濾層的等效粒徑，可以將細粒尾礦中小于白鋼網粒徑的顆粒去除后，重新繪制級配曲線得出。

2.3 槽孔管滲流量計算

2.3.1 d y段槽孔管滲流量

槽孔管滲流量計算，根據阿拉文·努明諾夫的河床水平暗渠流量計算公式［6］進行計算:

式中，d q為長度d y的槽孔管流量;H(y0)為反濾層上緣至自由水面水頭值;hw為管中水頭值;當管下集水層很厚時，

2.3.2 整根槽孔管的滲流量

對y軸積分，得整根槽孔管的滲流量為

其中h為槽孔管埋藏深度，d為等效反濾層直徑。即

3 工程實例

鎮沅金礦斑毛溝尾礦壩采用槽孔管排滲系統，其一期工程槽孔管布置，斷面如圖5所示。該期具體施工打孔深度73 m，其中導滲管長32 m，槽孔管長41 m。在1 177 m標高處設導滲管路24根。反折點安裝有三通，其目的是向上加高和向后延伸槽孔管。由監測數據可知，在平均埋置深度為3.5 m的情況下，41 m槽孔管的滲流量平均約為2.5 m3/d。

圖5 斑毛溝尾礦壩一期工程槽孔管布置

實驗測得原尾礦的滲透系數k0=2.0×107cm/s=1.73×104m/d，根據原尾礦顆粒級配曲線和所選白鋼網孔隙直徑(－200目，即0.074 mm)，得知d20=0.009 mm、D20=0.09 mm。代入式(1)，得等效反濾層直徑d=0.75 m。

將槽孔管埋設參數代入式(6)、式(7)，得41 m槽孔管的滲流量約為

與實測數據2.5 m3/d相比，相對誤差為4.8%。由此驗證了理論計算模型的合理性。由排出壩外的排滲量可以較準確地估計壩內浸潤線降低程度，從而進一步分析尾礦壩的抗滲和抗滑穩定性。

4 結論

本研究依據達西滲流定律、反濾層排水降壓原理、能量守恒定律、河床水平暗渠流量計算方法，研究了槽孔管滲流原理、等效反濾層計算、系統總滲流量計算等問題，提出了符合尾礦庫排滲實際情況的槽孔管排滲系統理論計算模型，推導出等效反濾層半徑、系統總滲流量計算公式。根據此次研究成果進行了斑毛溝尾礦壩的排滲系統滲流量計算，并與實測數據進行對比，驗證了研究成果的合理性，為尾礦壩量化排滲設計提供了理論依據。

［1］ 徐宏達.細粒尾礦沖填筑壩的沉積規律初探［J］.中國礦山工程，2004，33(1):39-42.

［2］ 金松麗，徐宏達，張 偉.尾礦壩排滲技術的研究現狀［J］.現代礦業，2012(7):35-38.

［3］ 劉 杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓［M］.北京:水利水電出版社，2005.

［4］ 延邊華冶排滲工程有限公司．尾礦壩排滲技術:中國，200610163203.8［P］．2009-02-11．

［5］ 章臣平，張 雷.上游法尾礦壩垂直水平聯合排滲系統量化設計初探［J］.金屬礦山，2005(9):164-166.

［6］ 苑蓮菊，李振栓，武勝忠，等.工程滲流力學及應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2001.