楊家灣尾礦壩排滲加固實踐

黃 雯 李超前 李鵬飛 劉 曙

（武鋼資源集團程潮礦業公司，湖北鄂州436501）

楊家灣尾礦庫位于湖北省鄂州市澤林鎮的楊家灣溝，1991年10月份建成投入運行，尾礦庫的類型為山谷型尾礦庫，初期壩為透水堆石壩，壩高17.4 m，壩長146.459 m，壩頂寬5 m，壩頂標高為50 m，上游邊坡坡比1∶2，下游邊坡1∶1.3～1∶1.75，最終堆積標高95 m，總庫容1 880萬m3，為三等庫。

2006年楊家灣尾礦庫在堆積壩上設3座鋼筋混凝土輻射式排滲井，對尾礦堆積壩進行降低浸潤線工程措施，該方法原理簡單、效果明顯、降低浸潤線的范圍較大、后期維護管理費用低，但建設施工費用高［1］。隨著尾礦庫堆積壩標高上升，輻射式排滲井排滲能力不足，2017年楊家灣尾礦庫局部浸潤線偏高，子壩外坡出現局部沼澤化，兩側壩肩截水溝出現滲水現象，存在安全隱患。經現場調查，同時查閱相關設計、施工及排滲設計資料，結合以往排除隱患的施工經驗，采用輻射式排滲井多層敷設水平濾管和壩體表面水平濾管排滲聯合工藝，降低壩體浸潤線，控制實測浸潤線不高于設計的控制浸潤線，保證尾礦庫安全運行。

1 尾礦堆積壩浸潤線

1.1 設計的控制浸潤線

國家標準《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）規定，尾礦堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深除應滿足壩坡抗滑穩定的條件外，應滿足表1的要求，且任意高度堆積壩的浸潤線最小埋深可用插入法確定［2］。

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楊家灣尾礦庫最終堆積標高95 m，初期壩壩頂標高50 m，尾礦堆積壩高度H=45 m，根據插入法計算，楊家灣尾礦庫堆積壩下游坡浸潤線的最小埋深≥3 m。

1.2 浸潤線現狀

尾礦庫的浸潤線是尾礦庫的“生命線”，是觀測尾礦庫安全運行的重要窗口，為了掌握尾礦庫浸潤線的埋深情況，一般需要埋置浸潤線水位觀測孔，量得浸潤線的埋深，并與設計要求的控制浸潤線進行比較，直觀地反映實測浸潤線是否滿足設計要求。

楊家灣尾礦庫浸潤線監測分在線監測及人工監測：①在線監測，楊家灣尾礦庫浸潤線監測共設置20 個監測點，分布于垂直于壩軸線的A、B、C、D、E、G 6個監測斷面上，采用振弦式孔隙水壓力計測量，每個監測點根據浸潤線人工監測實際深度鉆孔，在各個鉆孔中布置套管，并在管壁預設的高度預制滲流段，在相應的高度布置孔隙水壓力計，測量壩體內孔隙水壓力的分布情況，間接測量浸潤線高度。②人工監測，使用自制測量鐘現場對浸潤線人工觀測孔放線測量浸潤線埋深。

浸潤線監測數據可知，施工前，楊家灣尾礦庫浸潤線監測點A-1浸潤線埋深為1.90 m、G-1浸潤線埋深2.90 m，沒有達到設計的控制浸潤線埋深≥3 m的要求。

1.3 浸潤線偏高原因

1.3.1 上游式筑壩問題

楊家灣尾礦庫采用上游式筑壩，采用推土機筑子壩，人工修整邊坡和鋪土護坡。尾礦庫壩體尾砂粒徑組成水平和垂直2個方向均由粗變細，即壩前粗，庫尾細，上部粗，下部細。

水平方向：靠近壩體的透水性強，由壩體向庫內透水性逐漸減小，水下礦泥層透水性更小。隨著堆積壩升高，庫內積水區逐漸向庫尾推移，所以透水性小的礦泥層也往庫尾推移，其透水性的變化規律為K1＞K2＞K3＞K4（K為滲透系數），如圖1所示。

垂直方向：壩前分散放礦，粗顆粒尾砂在壩前沉積，隨著子壩升高，粗顆粒尾砂逐漸向庫內推移，因此上部表層透水性強，由上向下透水性逐漸減弱，底部礦泥層透水性甚微。

大量勘察資料表明，尾礦沉積體內或多或少的會有細泥夾層，特別是一些較厚的礦泥夾層嚴重阻礙了水的垂直下滲，導致浸潤線過高［3］。

1.3.2 尾礦壩放礦管理問題

（1）在尾礦排放過程中，由于礦漿在壩前灘面上形成擺動式的來回擺動流，形成較粗尾礦與細粒尾礦（或礦泥）互層，細粒尾礦層（或礦泥層）的厚度由不到1 mm至幾個mm，成為薄層隔水層，在整個尾礦壩剖面上，存在很多這樣的夾層。

（2）在尾礦排放過程中，以水為輸送介質的礦漿沿沉積灘流動，礦漿的主要成分——水在流過有一定滲透性的沉積灘時，部分水進入尾礦的孔隙而滲入尾礦堆積體中，不斷為尾礦庫滲流補給。

1.3.3 尾礦庫的地形問題

楊家灣尾礦庫堆積壩原設計壩頂標高85 m，經2006年擴容設計壩頂標高加高至95 m，隨著尾礦庫子壩堆筑，出現堆積壩兩側外坡表面沼澤化問題：一是壩體內滲流量增加，原有3座輻射式排滲井排滲能力不足；二是楊家灣尾礦庫堆積壩長度約865 m，原有3座輻射式排滲井水平濾管布置的范圍有限，無法作用于尾礦壩兩側；三是楊家灣尾礦庫兩側山體基巖阻擋，滲流路徑變長，滲流無法順暢排出，導致尾礦壩兩側A-1、G-1附近實際浸潤線超出設計的控制浸潤線。

2 排滲加固工程設計

2.1 方案選擇

尾礦堆積壩排滲加固設施類型主要有貼坡排滲、排滲管排滲、管井排滲、垂直－水平聯合排滲、虹吸排滲、輻射井排滲等［4］。由于楊家灣尾礦庫實際浸潤線高于設計的控制浸潤線位置重點集中在堆積壩兩側局部范圍，且堆積壩已有3座輻射式排滲井，根據楊家灣尾礦庫的實際情況，為確保其生產期間和閉庫后的壩體穩定性，經濟技術比較后，認為采用排滲管排滲治理措施，較為經濟合理。

2.2 工程布置

根據楊家灣尾礦庫現場調查和浸潤線數據分析結果，對整個尾礦壩的工程地質條件進行評估，確定楊家灣尾礦庫排滲加固工程的重點范圍，進行工程布置。

針對楊家灣尾礦庫3座輻射式排滲井濾水管淤堵，排滲效果下降，采用輻射式排滲井多層敷設水平濾管：在輻射式排滲井現有水平濾管上1 m處新增1排水平濾管，現有導水管下新增1根導水管。

針對楊家灣尾礦庫堆積壩兩側，因其超出輻射式排滲井作用范圍，且兩測山體基巖作為隔水邊界阻礙滲流路徑，采用水平濾管排滲方式，在堆積壩兩側一定范圍內鋪設水平濾管排滲，減少滲流路徑，將壩體滲流直接引排至壩肩截水溝。楊家灣尾礦排滲加固工程平面圖見圖2。

2.3 工藝參數確定

根據施工水平，水平排滲管管深最長可達60 m，而水平排滲管間距一般按4～8 m布置，具體間距還必須根據現場滲流破壞程度、尾砂沉積規律（現場開挖探槽鑒定）、滲透特性以及實際排滲效果等因素綜合確定［5］。

水平排滲管出口標高及鉆孔傾角的確定，要考慮地下水位將要下降的幅度、壩體穩定性、尾砂的沉積特性以及滲流量等因素［6］。由于楊家灣尾礦庫壩體兩側均為山體，壩體與山體間有壩肩截水溝，因此水平排滲管出口不應低于壩坡排水溝或壩肩截水溝底部，否則無法將壩體滲流引出。水平排滲管出口標高及坡度也不宜過高，否則進入尾礦壩內部的水平排滲管將會被埋設在已固結的黏粒尾砂層中，無法到達含水層，從而使濾水管不能充分發揮其排滲作用，達不到預期效果。因此根據實際情況，將孔口出口緊貼壩肩截水溝底部，坡度0.02，水平排滲管與壩軸線夾角75°，偏向兩岸方向。塑料管壁厚度、濾網和濾料的選擇根據經驗結果而定，水平孔結構見圖3。

3 排滲加固工程施工

3.4.1 輻射井內排滲管施工

井內排滲管需先在井內安裝鋼平臺，鉆機放置于鋼平臺之上，同時用鉆機上的4根伸縮柱將鉆機固定在井壁之上。吸砂泵放置于鋼平臺之下，在鋼平臺上開孔將吸砂管伸出井外。施工工藝為同步跟管取芯鉆進法。鉆進至設計深度后，拔回鉆桿，洗凈套管內尾砂，安裝排滲管。

3.2 輻射井導水管施工

井內導水管施工前先將洗砂泵放入井底，將井內原濾水管排滲的水用泵抽至井外排水渠，封堵原導水管防止雜物進入管內，吊入鉆機進行安裝，開孔標高的調節由鉆機底部的4根?75 mm伸縮柱調節，鉆進過程中前進后退產生的后座力由支撐在井壁上的4根伸縮柱傳導至井壁固定。施工方法為同步跟管取芯鉆進法。鉆出壩體后，拔回鉆桿，同時回拉?120 mmPE管，PE管的連接采用熱融焊接工藝。

3.3 水平排滲管施工

首先挖出3.0 m×2.0 m×1.0 m的基坑，后下入制作好的鋼筋籠及預埋?18 mm地腳螺絲，然后澆灌C25混凝土，凝固至規定的強度，構成鋼筋混凝土墩基，以固定水平鉆機。施工過程隨時觀測并確保鉆機軸線的方位及孔位與設計一致，采用水星二號水平孔鉆機施工。

施工工藝采用同步跟管鉆進，清水排渣法施工，首先按照鉆探工藝操作方法鉆進，再頂管跟進護壁，在水平孔鉆達設計深度后，先堵套管頭，再清洗鉆孔；用高壓清水排渣，直至清洗干凈為止；然后拔出鉆桿，下入槽孔管，槽孔管的連接采用承叉方式安裝，并用木螺絲固定，最后拔出套管。

4 排滲加固工程效果

4.1 滲流排量增加

滲流量的變化反映排滲設施排滲效果，在正常滲流條件下，滲流量變化不大或變化符合一定變化趨勢。楊家灣尾礦庫排滲加固工程實施，輻射排滲井滲流排量大幅度增加，具體滲流排量見表2。

根據現場測算數據，輻射排滲井滲流總排量由488 m3/d增加到981.09 m3/d，堆積壩右側水平濾管排滲量500 m3/d，左側水平濾管排滲量180 m3/d，排出壩體外水質清澈透明，不含尾砂，排滲效果顯著提高，壩坡表面沼澤化部分已干涸，壩肩截水溝內壁滲水現象已經完全消失。

4.2 降低壩體浸潤線

尾礦庫的浸潤線能直觀地反映尾礦庫的滲流狀態，如圖4所示。降低尾礦庫的浸潤線，可使尾礦庫的堆積邊坡最大限度地處在疏干狀態，因此壩體內浸潤線最小埋深即可反映排滲設施排滲效果。工程實施前后壩體觀測孔浸潤線的埋深數據見表3。

從表3可知，尾礦壩浸潤線埋深在工程竣工后大幅度提高，浸潤線埋深最大增加3.62 m，最小增加0.35 m，平均增加0.67 m，尤其是A-1和G-1監測點范圍浸潤線得到控制，A-1點浸潤線埋深5.14 m，G-1點浸潤線埋深4.27 m，達到《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）浸潤線最小埋深規定。

5 結語

（1）楊家灣尾礦庫采用輻射式排滲井多層敷設水平濾管和壩體表面水平濾管聯合排滲工藝，提高了尾礦庫排滲能力，降低了浸潤線，實現了實際浸潤線不高于設計的控制浸潤線的要求。

（2）采用輻射式排滲井多層敷設水平濾管后，3座輻射排滲井滲流總排量由488 m3/d增加到981.09 m3/d，排出壩體外水質清澈透明，不含尾砂，排滲效果顯著提高。

（3）堆積壩兩側采用水平濾管排滲工藝后，降低了浸潤線，A-1點浸潤線埋深5.14 m，G-1點浸潤線埋深4.27 m，達到《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）浸潤線最小埋深規定。

（4）楊家灣尾礦庫排滲設施加固后，堆積壩兩側壩肩截水溝滲水的現象已基本消除，堆積壩兩側外坡表面沼澤化問題已經得到解決，尾礦庫壩體的安全得到有效保證。