尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)土建設(shè)計與施工

韓志磊，蘇 軍，李小軍，郭利杰

（1．北京礦冶研究總院，北京102600；2．金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京102600）

目前，尾礦庫在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，系統(tǒng)建設(shè)較為普遍。尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程，涉及的監(jiān)測項目、監(jiān)測點眾多，因此，為保證系統(tǒng)的質(zhì)量需要對系統(tǒng)進行統(tǒng)籌考慮、綜合設(shè)計。其中，土建設(shè)計與施工是系統(tǒng)設(shè)計中很重要的一環(huán)，但由于研究設(shè)計人員對其認識不足和對工程應(yīng)用研究較少，使得建成后的系統(tǒng)較為脆弱，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及后續(xù)數(shù)據(jù)分析的可靠性。更有甚者，部分系統(tǒng)集成商只重視設(shè)備硬件及系統(tǒng)本身的技術(shù)，認為設(shè)計、施工均由自己公司承擔，只要能施工就行，忽視規(guī)范化的土建設(shè)計與施工，為系統(tǒng)運行埋下了隱患。

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)土建設(shè)計涉及到供電通信線路、混凝土基礎(chǔ)、監(jiān)測鉆孔和現(xiàn)場防雷的施工等一系列內(nèi)容。目前，在線監(jiān)測土建設(shè)計的突出問題是沒有明確的規(guī)范作指導(dǎo)，雖然《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQ 2030－2010）對土建施工給出了相關(guān)要求，但并不是十分明確，難以精確地指導(dǎo)并規(guī)范施工［1］。尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)許多技術(shù)內(nèi)容仍然是參考水庫大壩方面的規(guī)范，但尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)有其獨特性，不能完全照搬照抄水利規(guī)范。本文從尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)涉及的土建問題出發(fā)，結(jié)合工程實際對土建設(shè)計與施工中的細節(jié)進行闡述，以期指導(dǎo)尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)范化建設(shè)，不斷提高尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)工程的質(zhì)量和技術(shù)水平。

1 線纜敷設(shè)

供電、通信系統(tǒng)是在線監(jiān)測系統(tǒng)中重要的輔助系統(tǒng)，雖然太陽能、風能供電和無線通信在技術(shù)上已經(jīng)可以實現(xiàn)，但由于尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程，監(jiān)測范圍廣，涉及到的監(jiān)測項目和監(jiān)測點較多，建立大量的本地供電和無線通信點還不現(xiàn)實。因此，很大程度上有線供電和通信仍然是主要的方式，而有線的方式就涉及到線路的敷設(shè)與防護問題［2］。

1．1 敷設(shè)方式

根據(jù)工程實際，對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)來說，地埋穿管是更適合的線纜敷設(shè)方式。一般情況下，現(xiàn)場線路盡可能設(shè)計為地埋敷設(shè)方式，不具備條件的可采用架空方式。穿管的材料可選擇鍍鋅材料，鍍鋅鋼管可起到防腐蝕、防蟲鼠破壞和電磁屏蔽的作用。線纜直接埋地敷設(shè)的深度不應(yīng)小于700mm，在寒冷地區(qū)，直接埋地敷設(shè)的電纜應(yīng)埋設(shè)于凍土層以下［3］。當受條件限制不能深埋時，應(yīng)采取防止電纜受到損傷的措施。線纜埋設(shè)時，供電和信號線應(yīng)該分開敷設(shè)，保持一定的間隔距離。地埋線纜敷設(shè)的電纜溝剖面圖見圖1。

圖1 電纜溝剖面圖（單位：mm）

線纜敷設(shè)應(yīng)設(shè)計取消或減少線路施工接頭，通信線路應(yīng)考慮線纜的檢修問題，線纜敷設(shè)線路接頭和檢修處應(yīng)設(shè)置線纜檢修孔，檢修孔施工圖見圖2。檢修孔設(shè)計采用混凝土蓋板，防止雨水進入或其他破壞。

不具備埋地敷設(shè)條件（如壩體為堆石壩或混凝土壩）的，可以采用壩面穿管敷設(shè)方式。

圖2 電纜檢修孔施工圖（單位：mm）

1．2 線路防護

線路容易遭受的破壞主要有人為和外力作用的破壞，如冬季凍脹拉斷、受剪力切斷以及雷電引起的破壞等。施工時應(yīng)視現(xiàn)場情況對管線進行加固，預(yù)埋線纜需要留有一定的余量。直埋線纜在有白蟻危害的地段敷設(shè)時，可采用防蟻護層，也可采用其他防蟻處理，有鼠害等災(zāi)害的地區(qū)應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施，在寒冷地區(qū)應(yīng)針對不同氣候特點和凍土情況采取防凍措施［4］。

2 混凝土基礎(chǔ)

位移、降雨量監(jiān)測墩及設(shè)備安裝桿基礎(chǔ)是在線監(jiān)測系統(tǒng)中主要的土建基礎(chǔ)形式，這些基礎(chǔ)的施工質(zhì)量直接影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確可靠性。位移監(jiān)測墩需要保證能夠反映壩體位移，其施工質(zhì)量的重要性不言而喻。規(guī)范要求監(jiān)測點和基準點與被測體應(yīng)牢固結(jié)合，底座埋入土層（壩體）內(nèi)的深度不應(yīng)小于0．5m，冰凍區(qū)應(yīng)深入冰凍線以下［5］。在線監(jiān)測系統(tǒng)位移監(jiān)測通常采用GPS和全站儀監(jiān)測方式，需要在固定測點處安裝GPS接收機或監(jiān)測棱鏡。GPS及棱鏡需要固定在監(jiān)測墩上，《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQ 2030－2010）對監(jiān)測墩的尺寸及施工要求并未明確規(guī)定，設(shè)計中可參考《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 551－2012）中的相關(guān)要求并結(jié)合尾礦庫工程特點，確定混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)尾礦壩筑壩形式的不同，監(jiān)測墩的形式也有所不同，對于壩體為堆石壩、混凝土壩或基巖上的監(jiān)測墩，監(jiān)測墩形式見圖3。對于堆積壩為尾礦筑壩的監(jiān)測墩，其形式見圖4。

圖3 尾砂堆積壩位移監(jiān)測墩施工圖（單位：mm）

圖4 基巖位移監(jiān)測墩施工圖（單位：mm）

此外，對位移監(jiān)測墩來說，不同的位移監(jiān)測技術(shù)對監(jiān)測墩防護的要求不同，GPS監(jiān)測墩由于需要給設(shè)備供電通信，因此除了固定設(shè)備，還需要考慮防雷問題，需要做好防雷接地。

3 監(jiān)測鉆孔

監(jiān)測鉆孔是內(nèi)部位移和浸潤線監(jiān)測中常見的土建形式，其施工質(zhì)量的好壞直接影響到監(jiān)測的有效性。浸潤線鉆孔在壩高或埋深小于10m的壤土層中埋設(shè)測壓管時，可采用人工取土器鉆孔。深度大于l0m應(yīng)采用鉆機造孔。為有足夠空隙填充封孔材料，裝單管時鉆孔直徑不宜小于100mm。埋設(shè)多管時，應(yīng)根據(jù)裝管數(shù)量及其直徑，自下向上逐級擴徑，原則上每增加一根測管相應(yīng)孔徑至少擴大一級。自上而下逐級成孔。不論何種土質(zhì)，造孔均宜采用巖芯管沖擊法干鉆，并嚴禁用泥漿固壁。

浸潤線監(jiān)測通常是在鉆孔內(nèi)埋設(shè)測壓管，測壓管的埋設(shè)深度即鉆孔深度是個關(guān)鍵。淺了測不到水位，深了測得的水位往往低于實際浸潤線。因此，鉆孔深度的確定需要事先了解尾礦庫設(shè)計者為確保壩體穩(wěn)定所需的浸潤線深度，這些可以從初步設(shè)計文件的壩體穩(wěn)定計算剖面圖中查到。通常情況下，鉆孔深度為設(shè)計浸潤線深度以下2m［6］。浸潤線鉆孔施工圖見圖5，孔口保護裝置施工圖見圖6。

圖5 浸潤線鉆孔施工圖（單位：mm）

圖6 孔口保護裝置施工圖（單位：mm）

內(nèi)部位移監(jiān)測通常采用鉆孔內(nèi)安裝測斜管的方式，內(nèi)部位移鉆孔要求直徑不小于150mm，傾斜度小于1°。鉆孔回填，應(yīng)使回填料與孔周介質(zhì)符合反濾及密度要求。

4 現(xiàn)場防雷

尾礦庫大多處于現(xiàn)場環(huán)境惡劣的山區(qū)，多數(shù)地區(qū)雷電活動頻繁?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及觀測房盡管高度不是很高，但是在野外也是位于相對高處。因此，這些監(jiān)測設(shè)施極易成為雷擊的重點對象。例如庫水位、干灘、視頻監(jiān)測點大多采用架桿安裝設(shè)備，涉及到安裝桿的防雷施工?，F(xiàn)場實踐表明，許多自動化監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障或損壞，均是防雷設(shè)施施工不當所致。因此，需要結(jié)合尾礦庫工程現(xiàn)場實際，做好防雷設(shè)計與施工。在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷需要考慮供電通信線路、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備以及值班室的防雷等。

4．1 線路防雷

對于架空線路的直擊雷防護，多采用避雷線的方式。隨線路在供電線上方約20cm高度與供電線路平行布設(shè)一條鋼絞線，每隔一段距離由接地引線接地。

對于地埋的線路多采用線纜穿鋼管保護，鋼管既可以保護電纜不受人為及動物破壞，同時可以起到屏蔽防雷作用，鋼管應(yīng)采取良好的接地方式。對于埋設(shè)于浸潤線鉆孔中的傳感器也應(yīng)采用與之相匹配的防雷器，同時要求防雷器良好接地。

光電纜線路應(yīng)盡量繞避雷暴危害嚴重地段的孤立大樹、桿塔、高聳建筑、樹林等易引雷目標。無法避開時，應(yīng)采取避雷針等措施對線纜進行保護。電纜金屬屏蔽層的線路兩端必須接地，接地點可在引上桿、終端桿或其附近。光電纜線路通過架空進入值班室等監(jiān)測設(shè)施之前需要地埋穿管敷設(shè)接入，敷設(shè)距離不小于15m［7－8］。

4．2 設(shè)備防雷

在線監(jiān)測系統(tǒng)各種設(shè)備在數(shù)百米至數(shù)千米不等的區(qū)域離散分布，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)“聯(lián)合接地”難度很大，可將系統(tǒng)看作由多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)內(nèi)部遵循“聯(lián)合接地原則”，子系統(tǒng)接地匯集點就近接地。接地體埋設(shè)于地下與引下線相連接，雷擊電流由此泄入大地。接地體可采用專用模塊或碳棒，也可采用鍍鋅角鋼、圓鋼組成接地網(wǎng)［9］。

現(xiàn)場監(jiān)測點處防雷接地采用基礎(chǔ)下部埋設(shè)接地體的方式，接地體采用50×50×5的鍍鋅角鋼，長度為2．5m，垂直打入地下。接地體用－40×4的鍍鋅扁鋼連接，接地體間距為5m，接地體的數(shù)量根據(jù)要求的接地電阻確定。

此外，監(jiān)測設(shè)備防雷應(yīng)充分利用現(xiàn)場條件制作接地體，如果現(xiàn)場條件不滿足要求，可用鍍鋅扁鋼將各接地體連接起來組成接地網(wǎng)。如壩體位移、安裝桿基礎(chǔ)和浸潤線監(jiān)測項目中，一般有結(jié)構(gòu)鋼筋或其他金屬管深入壩體內(nèi)部，這些金屬結(jié)構(gòu)與大地接觸非常好，將這些金屬外殼作為接地引下線的接地體，整個系統(tǒng)的接地電阻將會大大降低。庫水位、滲水池和水泵房都處在水體附近，接地體建設(shè)可以參考有水體處的接地制作，應(yīng)該很容易達到要求的接地電阻。

4．3 值班室防雷

值班室防雷接地設(shè)計獨立的接地網(wǎng)，接地電阻要求小于4Ω。接地網(wǎng)采用鍍鋅扁鋼（－40×4）作為水平接地體，長2．5m的鍍鋅角鋼（L50×50×5）作為垂直接地體，垂直接地體埋設(shè)間距5m，接地網(wǎng)四個角要形成圓角。水平接地體距離值班室散水坡外1m以上，埋設(shè)深度大于0．5m，進入值班室的所有金屬管路（金屬保護管、入室水管、其他電纜保護管等）進入前分不同點與接地網(wǎng)連接。垂直接地體（2．5m長的角鋼）打入地下很難，可以先用鋼釬打孔，然后再埋入。

值班室接地網(wǎng)的電阻一般很難做到4Ω，可以借助庫區(qū)接地網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。如果實現(xiàn)不了，可以通過將垂直接地體（鍍鋅角鋼）換成石墨接地電極、填加降阻劑、增加離子電極等方式進行降阻［10］。

5 結(jié) 語

在尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中，土建設(shè)計與施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否長期可靠運行。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程實踐對通信供電線路、混凝土基礎(chǔ)、監(jiān)測鉆孔及現(xiàn)場防雷土建設(shè)計與施工細節(jié)進行了闡述，主要得到以下結(jié)論。

1）地埋穿管是尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)更適合的線纜敷設(shè)方式，線纜敷設(shè)應(yīng)設(shè)計取消或減少線路施工接頭，并設(shè)置線纜檢修孔。

2）位移監(jiān)測墩應(yīng)與被測壩（山）體應(yīng)牢固結(jié)合，不同形式壩體監(jiān)測墩的結(jié)構(gòu)不同，不同監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測墩需要采取針對性的防護措施。

3）浸潤線監(jiān)測孔深度應(yīng)參考初步設(shè)計文件，鉆孔施工嚴禁泥漿固壁。

4）現(xiàn)場設(shè)備的防雷應(yīng)充分利用現(xiàn)場條件，采用獨立接地體、接地網(wǎng)、更換接地材料等多種方式使接地電阻滿足要求。

經(jīng)過幾年的應(yīng)用實踐，該設(shè)計施工方法已在十幾個尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)工程項目上取得了滿意的效果，值得進一步推廣應(yīng)用。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．AQ 2030－2010．尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．2010．

［2］ 馬艷霞，彭凱忠，郭強．大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)土建設(shè)計與施工［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2005（4）：51－53．

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50054－2011．低壓配電設(shè)計規(guī)范［S］．2011．

［4］ 中華人民共和國工業(yè)和信息化部．YD 5102－2010．通信線路工程設(shè)計規(guī)范［S］．2010．

［5］ 中華人民共和國水利部．SL 551－2012．土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．2012．

［6］ 田文旗，薛劍光．尾礦庫安全技術(shù)與管理［M］．煤炭工業(yè)出版社，2006．

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50057－2010．建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］．2010．

［8］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50343－2004．建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］．2004．

［9］ 王利崗．尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)防雷接地技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2012（8）：93－96．

［10］ 蘇軍，張達，韓志磊，等．尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷設(shè)計［J］．金屬礦山，2013（11）：126－129．