尾矿库在线监测中渗流量监测探讨

李小军，苏 军，韩志磊，郭利杰，张继辉，孙东亮

（1.北京矿冶研究总院，北京102600；2.陕西久盛矿业投资管理有限公司，陕西 商洛711503）

截至2013年全国共有11025座，其中二等库164座，三等库715座，四等库2165座，五等库7981座，90%以上的尾矿库采用上游式筑坝［1］，尾矿库渗流量是综合反映尾砂堆坝工作状态的重要参数，在尾矿库在线监测工程分析中有着很大的作用。目前，尾矿库建设主要采用上游法进行筑坝，具有坝高、浸润线高、坝基的绕坝渗流大等特点［2－7］，更为特殊的是尾矿库坝体渗流量大，主要是由于坝底、岸坡与尾矿的渗透系数不一致所造成，这对整个坝体的安全造成了很大的影响，对尾矿库坝体渗流量进行监测、分析、研究其对坝体稳定性的影响，保障尾矿库安全运行是必要的。

1 堰槽渗流量计算

目前尾矿库主要采用上游法湿排的方式，在库内形成一定范围的水域，蓄水后的尾矿坝产生了渗漏，渗流量的的大小取决于尾矿库内尾矿的透水性及其影响范围和上下游水位差。渗流量由三部分构成：①通过坝体的渗流量；②通过尾矿库坝基的渗流量；③通过尾矿库两岸绕渗或两岸地下水补给的渗流量。为了监测各部分的渗流量，就要精确做到量测。国外主张设置基岩观测，这种装置使渗流量不受地面径流和降雨的影响，可知渗流量的变化来自何处。若渗流量发生较大变化，意味着渗流场内发生了变化。目前多数尾矿库的渗流量一般不大，大都采用三角堰或矩形堰来观测，将量水堰设置在尾矿库初期坝坡脚或初期坝附近。根据《尾矿库安全监测技术规范》中6.4.2要求：①当流量小于1L/s时宜采用容积法；②当流量在1～300L/s之间时宜采用量水堰法；③当流量大于300L/s或受落差限制不能设量水堰时，应将渗漏水引入排水沟中，采用测流速法。

图1 三角堰堰槽观测断面

如图1所示，通过三角堰顶取基准面0－0，在堰上游（3～4）H出取渐变流断面1－1，过基准面与水舌中线的交点取过水断面2－2，对断面1－1、2－2列能量方程（式（1））。

整理后得式（3）。

设断面2－2的水舌厚度为kH0，k为与水舌垂向收缩情况有关的系数，溢流宽度为B，则过水断面2－2的面积为A＝kH0B，。通过堰的流量见式（4）。

三角形薄壁堰小水头时宽度小，流量的微小变化将引起较大的水头变化，根据规范要求当时，可以测得过堰槽的水量，当堰口夹角θ一定时，三角堰的溢流水舌宽度B与水头H成比例，引入比例系数C，可得B＝CH，带入得式（6）。

同时根据汤普森试验得θ＝90°，C的近似值为1.4，带入得式（7）。

2 尾矿库坝体渗流理计算

某矿山企业尾矿库位于某市中心偏东位置，尾矿库下游靠近生活区，最终坝顶高程为130m，2000多万m3，目前坝高为130m，为二等库；初期坝坝顶标高为67.5m，坝外坡比为1：2.0，内坡比为1∶2.5，初期坝为粘土不透水坝，堆积坝采用上游法水力冲积尾砂人工堆筑，尾砂渗透系数为3.2～6.0×10－6cm/s，在坝体标高84m设置有辐射井。目前尾矿库坝面局部有沼泽化现象，具体见图2。

图2 尾矿库现状

尾矿库沉积滩是由尾砂堆积而成的，可以近似认为为均质坝，沿冲积坡或趁机坡向内渗透性逐渐减小，在尾矿冲积过程中有水平矿泥夹层存在，致使垂直渗透性较水平方向渗透性小，可以采用平面的渗流计算。

非透水地基上相同排水型式均质土坝的单宽渗流量见式（8）。

图3 非透水地基上的渗透计算图

其中：q为坝体单宽渗流量；k为坝体渗透系数；H为上游水深；a为下游坡处逸出高度；L为化引渗透长度；m为坝体下游坡坡度；m0为坝体上游坡坡度。

根据尾矿库参数：内坡坝高H＝62.5m，a＝16.5m，m＝2.5，m0＝2，渗透系数k＝4.5×10－6cm/s，并将其带入公式（8）和（9）中可得式（10）。

计算过程中考虑坝体为均质坝体，坝体主要为粘土挡水材料，尾矿库库内沉积的尾砂主要为细颗粒和粗颗粒的混合体，尾砂渗透系数基本一致。由于尾矿库采用坝前放矿，尾砂沉积在坝前，尾矿水聚集在坝后，水不是直接作用于坝体，而是直接作用在尾砂沉积的沉积滩上，与目前计算的模型有不同，由于尾砂的渗透系数大于坝体的渗透系数，致使理论计算的结果偏小。

3 尾矿库在线监测实时监测

现阶段在坝体标高75m的位置设置了一个三角形量水堰，监测坝体排渗设施辐射井和坝体导渗设施的渗漏量。堰槽尺寸为3.4×2.2×1.7m，将该坝体上的横向导渗盲管通过规则的沟渠将渗透的水引到堰槽内，在堰槽顶端安装超声波液位计，监测水面到超声波液位计堰板的距离，计算出有效水头，带入三角堰计算公式（7）中可得到实时监测的渗漏水量，即渗流量，三角堰槽和监测设备见图4。

图4 三角堰槽

根据监测结果，可查询超声波液位计实时监测的的渗流量为2.85L/s，与理论计算偏差为10%（如图5和图6在线监测系统实时监测结果）。

图5 渗流量监测数据

图6 在线监测系统实时监测结果

在式（7）对H0求导，计算其变化量，可得式（11）。

由于采用的监测设备为超声波液位计，其灵敏度为0.2%PS，设备满量程为3m，三角堰槽的堰槽高度为0.3m，带入（11）式中得式（12）。

从图5中监测结果可以看出渗流量在监测允许的变化范围内，满足监测要求。但与理论计算有偏差，渗流量的比较分析：将尾矿库在线监测工程实时监测的渗流量与根据坝体渗漏理论计算的渗流量进行比较得，二者计算渗流量接近，实际监测的渗流量与理论计算的渗流量有一定的偏差，主要原因如下所示。

1）实时监测模型为原型测试，主要利用水工建筑物现场对液体运动进行观测，获得有关数据和资料，由于理论分析成果的局限性，使得有些实际的工程问题得不到可靠地理论支持，使得实际监测数值和理论计算的数值有偏差。

2）渗流量监测采用的是超声波液位计，利用的是声波技术，由于声波是机械波，可以在气体、液体、固体中传播，当穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强衰减最大，液体次之同时声波穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射时会有一定的能量损失。另外液位计长期暴露于露天，加上尾矿库的灰尘很大，严重的灰尘聚集会衰减超声波发射信号，会影响监测的数据。

3）尾矿堆积的尾矿库不是均质坝体，在冲积和沉积的过程中也有分层现象：粗尾砂、细尾砂、其他土质等，尾砂的渗透系数不一致，致使在线监测系统监测的渗流量偏小。

4）根据尾矿库渗透性特点，同时考虑渗透水的渗出点在目前设置的三角形堰槽前面，渗透出来的水补给了其他或者直接渗透到下滤层了，致使在线监测系统监测的渗流量偏小。

4 结论

尾矿库渗流量计算采用了理论计算和尾矿库在线监测系统实时监测，综合认为，两种结果基本接近，真实地反映了尾矿库的实际渗漏状态，同时尾矿库渗流量监测是尾矿库在线监测工程中的一个重要内容。

本文在根据渗流量观测的特点，综合考虑了尾矿库的渗漏特征，利用三角堰槽进行计算，对尾矿库渗流量进行了理论计算，通过在线监测系统实时监测的渗流量值，两者进行比较，分析理论值与在线监测系统实时监测值的原因，说明在尾矿库在线监测系统中采用堰槽法实时监测渗流量是可行的，可以在尾矿库在线监测系统工程中运用。

［1］ 侯兴玉.我国尾矿库现状及问题分析［J］.现代矿业，2013（10）.

［2］ 谢旭阳，田文旗，王云海.我国尾矿库安全现状分析及管理对策研究［J］.中国安全生产科学技术，2009，（02）：5－9.

［3］ 欧阳琛.尾矿库安全监测信息管理系统的设计［J］.有色冶金设计与研究，2013（3）.

［4］ 张达，张晓朴，杨小聪.尾矿库在线监测及应急指挥系统关键技术及工业应用［J］.矿冶，2011年02期.

［5］ 赵志仁.大坝安全监测设计［M］.黄河水利出版社，2003.

［6］ 杨小聪，袁子清，周汉民.尾矿库安全在线监测系统在铜矿峪矿尾矿库的应用［J］.金属矿山，2010，（04）：70－72.

［7］ 李全明，谢旭阳，陈守仁.尾矿库安全监测关键点［J］.劳动保护，2008，（12）：97－99.