反濾準則在尾礦壩設計中適用性探討

陳寶峰 李蓮蓮

(1.西安有色冶金設計研究院；2.西安市浐灞河發展有限公司)

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反濾準則在尾礦壩設計中適用性探討

陳寶峰1李蓮蓮2

(1.西安有色冶金設計研究院；2.西安市浐灞河發展有限公司)

為盡可能減少尾礦庫初期壩上游單一土工織物反濾層發生淤堵和“跑渾”，影響尾礦庫的正常運行，根據尾礦土工程特性，在已有5座尾礦庫尾礦粒度分析數據基礎上，通過不同反濾準則設計方法分別對其砂礫料反濾層及土工織物反濾層進行計算，對比分析各反濾準則在尾礦壩反濾層設計中的適用性并給出各反濾層控制粒徑等參數，提出細粒尾礦庫初期壩設計中宜采用砂礫料和土工織物共同作用的復合反濾層結構，建議在反濾層迎水面增設一層滲透性較為均勻的材料，將水流集中流入改為均勻滲入并控制其滲流量。反濾準則對尾礦壩設計具有積極的指導意義。

反濾準則 尾礦壩設計 砂礫料反濾層 土工織物反濾層

隨著礦石品位下降，選礦技術及裝備不斷發展和提高，尾礦粒度也越來越細，導致很多單一采用土工織物反濾層設計的透水初期壩在尾礦庫使用期出現淤堵和“跑渾”的主要問題。對于淤堵，一些是由于水流帶動細粒土沉積在過濾體中，嚴重減小了過濾體的透水能力；一些是由于選礦藥劑或尾礦中某種鹽類物質沉淀而引起的化學淤堵。淤堵將嚴重影響初期壩透水性，抬高堆積壩體浸潤線，影響壩體安全，導致堆積壩排滲工程費用增加。“跑渾”是指尾礦壩中極細顆粒不能被土工織物反濾層所阻隔而隨滲流水排至壩外的一種現象，嚴重時造成壩面坍塌，引發環境污染及安全事故。本文根據5座尾礦庫尾礦土粒度分析數據，采用不同反濾設計準則對砂礫料反濾層及土工織物反濾層進行分析計算，以期探索更加適合較細尾礦粒度的復合反濾層的設計方法及結構形式。

1 尾礦土的類型及工程特性

1.1 尾礦土的類型

根據顆粒組成特性，自然界中的土可以歸納為三類：一類是無黏性土，包括砂土和砂礫石；第二類是黏性土，也稱細粒土；第三類是黏粒含量小于10%，含砂、砂礫石和卵石的礫質土[1]。本文選取的5座尾礦庫入庫尾礦土的特點是全尾礦顆粒較細(d<0.075 mm占60%～80%)，各尾礦土均屬于黏性土，其分類標準為<0.005 mm含量(質量)大于3%，塑性指數IP大于3%，顆粒具有黏結性的土。5種尾礦土的粒度分析曲線見圖1。

圖1 各尾礦土的粒度分析曲線

1.2 工程特性

尾礦土的粒度分析曲線是反映尾礦土的工程性質的常用方法[2-3]。控制粒徑、等效粒徑是尾礦土的代表性粒度，是選擇反濾層設計準則的基礎和依據。目前反濾層涉及的控制粒徑有d50、d60、d70和d85，即土中小于該粒徑的土質量占50%、60%、70%和85%；等效粒徑有d10、d15和d20，即土中小于該粒徑的土質量占10%、15%和20%；對于土工程中常用的參數還有不均勻系數Cu(d60/d10)，Cu≤5的土稱均勻土，Cu>5的土稱不均勻土。5種尾礦土的各控制粒徑、等效粒徑及不均勻系數匯總見表1。

2 滲透破壞類型判定和反濾分型

反濾層設計在確定被保護土控制粒徑前需要先明確尾礦土的滲透破壞類型。本文滲透破壞類型按照不均勻系數Cu=d60/d10來判定[2]。當Cu≤5，屬于流土破壞。當Cu>5，再由細粒含量P判定，P>35%，則判定為流土破壞；P<25%，則判定為管涌破壞；25%

表1 各尾礦土粒度相關參數匯總

注：①d10顆粒直徑是指小于該粒徑的土質量占10%的顆粒直徑，其他類推；②Cu為不均勻系數。

根據尾礦庫初期壩反濾層布置形式，反濾層位于保護土的下部，滲流方向由上向下，屬于Ⅰ型反濾。各尾礦庫滲透破壞類型判定和反濾分型匯總見表2。

表2 滲透破壞類型及反濾分型計算匯總

3 反濾準則及其適應性

反濾層是尾礦壩控制滲透破壞的關鍵工程，隨著尾礦壩反濾層設計方法的不斷完善，砂礫石與土工織物組成的復合型反濾層越來越多的應用到實際工程中。砂礫石反濾層與土工織物反濾層在不同的規范或推薦公式中反濾準則也各有不同，選擇反濾準則，首先應考慮反濾準則的應用范圍，其次是反濾準則與要解決的問題的關聯性，另外是其權威性。

在砂礫料反濾層設計方法上首選《碾壓式土石壩設計規范》[4]，其針對所研究的土類有明確的方法，1987年被列入美國墾務局的設計標準，1994年美國《國家工程手冊》以謝拉德等人1989年反濾料設計準則為基礎，總結了以往的試驗研究和實踐經驗，提出了比較完整的砂礫料反濾層級配設計，同期國際大壩委員會出版的《土石壩砂礫料反濾排水》也編入這個方法，所以這個方法在國際上也是通用的。《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》[5]規定的反濾層設計方法對尾礦壩設計有參考價值，主要是灰渣壩和尾礦壩的堆筑工藝相似，反濾層工作條件類似。上世紀50年代的美國水道試驗公式在美國早已廢止，但我國一些滲流方面的專家還在使用或推薦，本次也是試用。選擇中國水利水電科學研究院劉杰方法的依據主要是他在總結使用公式的試驗資料中的水力坡度較大，和尾礦庫初期運行有相似之處。

土工布反濾層設計準則主要應用《土工合成材料應用技術規范》[6]和《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》的公式，2個規范都是推薦標準，不是強制標準，前者為國標，后者是行標。無論是保土還是透水，后者計算數值均小。從使用安全性來看，以保土角度出發，采用后者是安全的。行標比國標嚴格也是合理的。透水性結論則相反。淤堵要用梯度比來衡量，必須通過試驗確定，對極細粒尾礦來說，目前用到的土工布滿足計算要求。

4 砂礫料反濾準則計算

4.1 《碾壓式土石壩設計規范》設計準則

4.1.1 保土要求

根據黏土小于0.075 mm顆粒的含量的百分數不同而采用不同方法。

對于小于0.075 mm顆粒含量大于85%的土，其反濾層計算公式為

(1)

式中，D15為反濾料的粒徑，小于該粒徑的土質量占總質量的15%，mm；d85為被保護土的粒徑，小于該粒徑的土質量占總質量的85%，mm。

若9d85<0.2 mm，取D15=0.2 mm。

對于小于0.075 mm顆粒含量為40%～85%的土，其反濾層D15≤0.7 mm。

4.1.2 排水要求

根據公式

(2)

式中,d15為被保護土的粒徑，小于該粒徑的土質量占總質量的15%，mm。

當4d15<0.1 mm，應取D15≥0.1 mm。計算結果4d15均小于0.1 mm，所以各尾礦土D15≥0.1 mm。

通過以上計算得出尾礦土2的0.1 mm≤D15≤0.603 mm,其他各尾礦土的0.1 mm≤D15≤0.7 mm。

4.1.3 計算結果調整

兩邊界值相除應不大于5，如果小值不動，變大的，則各尾礦庫全部調整為0.1 mm≤D15≤0.5 mm。反濾層的不均勻系數Cu宜取6，最后可適當調整為5～6。

4.2 《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》設計準則

4.2.1 保土準則

反濾層的顆粒不應穿過粒徑較大的相鄰層，即要求滿足D15/d85≤(4～5)。

4.2.2 排水準則

反濾層有良好的透水性，D15/d15≥5。

從安全角度出發，排水準則宜取大，保土準則宜取小，各尾礦土的控制指標見表3。

表3 《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》砂礫料反濾層計算匯總

4.3 美國水道試驗公式

4.3.1 保土性要求

對于被保護土的反濾料，要求滿足D15/d85<5，D15/d15<20；D50/d50<25(不均勻系數Cu=6時，D50/d50=25)。

4.3.2 透水性要求

D15/d15>(4～5)，該項要求同上述2個準則，計算均小于0.1 mm，以用0.1 mm為宜。

4.3.3 控制指標選取

透水性要求取0.1 mm，保土性選小的安全，各尾礦土控制指標見表4。

表4 美國水道試驗公式砂礫料反濾層計算匯總

通過以上計算，各尾礦庫尾礦土滿足透水性要求的D15=0.1 mm，滿足保土性準則的D15=0.062～0.14 mm。

4.4 水科院劉杰黏土反濾層公式

黏性土的反濾層設計一般分為分散土和非分散土，由于尾礦水中含有大量K+、Ca2+、Mg2+離子，因此，不考慮土的分散性，劉杰[7]提出公式

(3)

(4)

(5)

式中，eL為土體處于液限狀態的孔隙比；GS為土粒密度，g/m3；WL為液限含水率，以小數計；J為抗滲強度與反濾層反濾料粒徑間的關系。

各尾礦庫尾礦土的液限含水量可查相關資料，WL均值、最大值、最小值見表5。

表5 各尾礦土的液限含水量 %

以液限含水率均值查表6，反濾層D20見表7。

表6 劉杰提供D20建議值

表7 各尾礦土反濾層D20統計

5 土工織物反濾準則計算

5.1 《土工合成材料應用技術規范》設計準則

5.1.1 保土性

保土性計算公式為

(6)

式中,O95為土工織物等效孔徑,mm；B為系數，按工程經驗確定。

當d≤0.075 mm含量>50%，無紡織物B=1.8，所以O95≤1.8D85。

5.1.2 透水性

透水性計算公式為

(7)

式中,Kg為土工織物的滲透系數，cm/s；Ks為被保護土的滲透系數，cm/s;A為系數，不宜小于10，當來水量、水力梯度高時取大值。

5.1.3 防堵性

防堵性計算公式為

(8)

式中，符號意義同前。

5.1.4 其他要求

(1)被保護土易管涌，具分散性，水力梯度高，流態復雜,Ks≥1.0×10-5cm/s時，應以現場土料作試樣和擬選土工布進行淤堵試驗，應得到梯度比GR≤3。

(2)對于大中型工程及被保護土Ks≤1.0×10-5cm/s的工程，應以擬用土工織物和堆場土料進行室內的長期淤堵試驗，驗證其防堵有效性。

(3)遇往復水流且水量較大時，應選擇較厚土工織物或采用砂礫料與土工織物的復合反濾層。

各尾礦土的土工織物O95匯總見表8。

表8 各尾礦土的土工織物O95控制范圍匯總

5.2 《火力發電廠灰渣筑壩設計規范》設計準則

規范要求

(9)

(10)

Kg>25Ks,

(11)

(12)

利用已知數據即可確定O95(表9)。

表9 各尾礦土的土工織物O95控制范圍匯總

由于土工織物產品O95=0.07～0.2 mm，滿足透水準則。

6 結果分析

(1)各公式滿足反濾層排水的粒度D15計算結果均小于0.1 mm，《碾壓式土石壩設計規范》建議不小于0.1 mm，取0.1 mm是安全的。從排水角度來看，反濾層的粒度愈小，排水效果愈差，且容易淤堵。

(2)根據《碾壓式土石壩設計規范》計算滿足保土要求的反濾層粒度D15=0.603～0.7 mm；按《火力發電廠灰渣壩設計規范》計算D15=0.268～0.7 mm，美國水道試驗公式計算D15=0.062～0.14 mm，中國水科院劉杰公式計算D15=0.5 mm。由上述結果統計看，有的尾礦庫保土計算的D15甚至比上述排水要求0.1 mm還小，這顯然不合理；從保土的角度出發，D15愈小愈安全，應根據各尾礦庫的入庫尾礦粒度情況具體運用。

(3)土工織物反濾層淤堵梯度比GR≤3，土工織物等效孔徑O95=0.07～0.2 mm，土工織物反濾層是滿足透水準則的，主要是滿足保土要求。

7 結 語

(1)根據已有5座尾礦庫尾礦特征參數采用不同的反濾準則對砂礫料反濾層及土工織物反濾層控制指標進行計算分析，從實際運行看，按照上述設計準則計算是安全的。在設計反濾層時一定要進行充分的試驗研究和論證。

(2)對于細粒尾礦庫初期壩的反濾層設計，為防止單一土工織物反濾層淤堵及“跑渾”，建議在設計中采用砂礫料和土工織物復合反濾層，反濾層按多種反濾準則綜合分析確定。

(3)由于尾礦壩初期壩開始運行，庫前積水，礦漿在自重及水壓力的作用下由軟松狀態逐漸壓密，在此變化過程中，強度很低，而承受的水力坡度又最大，為了降低水力坡度，建議在反濾層迎水面增設一層滲透性較為均勻的材料，例如無砂混凝土板、尾砂層等，將集中水流改為均勻滲入，并控制其滲流量。

[1] 劉 杰，謝定松.礫石土滲透穩定特性試驗研究[J].巖土力學，2012，33(9):2632-2638.

[2] 毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 酈能惠.灰壩工程[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[4] 黃河水利委員會勘測規劃研究院.SL 274—2001碾壓式土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[5] 電力行業電力規劃設計標準化技術委員會.DL/T 5045—2006火力發電廠灰渣壩筑壩設計規范[S].北京：中國電力出版社,2006.

[6] 水利部水利水電規劃設計總院，中國水利水電科學研究院.GB/T 50290—2014土工合成材料應用技術規范》[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[7] 劉 杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

2016-09-23)

陳寶峰(1981—),男，工程師,710001 陜西省西安市。