尾矿库排渗设施类型归纳

郭金宏，黄辰龙

(1.黑龙江省冶金设计规划院，哈尔滨150040;2.大庆油田水务公司水文地质公司，黑龙江大庆163000)

1 概述

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。

尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源。尾矿设施一般包括尾矿初期坝、尾矿后期坝、排洪设施、排渗设施、尾矿输送与排放设施、回水设施、观测设施等。

尾矿库一旦失事，将给周围环境及下游人民的生命财产造成巨大灾害和损失。一定保证尾矿库的安全，其中排渗设施占有举足轻重的地位[1]。

上游式尾矿堆积坝的稳定性，取决于沉积滩面的颗粒组成，及其固结程度。随着尾矿库内的尾矿不断积聚，坝体内的水沿尾矿颗粒间的孔隙向坝体下游方向不断渗透形成渗流，稳定渗流的自由水面线称为浸润线。

坝体内的浸润线若长期处于过高状态，会导致出现坝面、坝前沼泽化、管涌或流土等现象。尾矿坝是否设排渗设施，应通过渗流计算和稳定性分析确定。

排渗设施应尽可能预先埋设，以节省工程投资。对于已运行的尾矿库浸润线过高，渗透稳定性和抗滑稳定性不符合规定要求时，应考虑增设排渗设施，大幅度、大面积降低尾矿库的浸润线，使尾矿库的堆积边坡最大限度地处于疏干状态或适当增加尾矿库的干滩长度，加速尾矿的排水固结，从而提高坝体的稳定性。

2 排渗设施类型

2.1 初期坝排渗设施

初期不透水坝排渗一般设有反滤层、排渗斜墙、底部褥垫或导水管及排渗棱体。

2.2 堆积坝排渗设施

2.2.1 水平排渗设施

在坝基范围内或在不同高程沉积滩面上、堆积子坝顶、马道上预埋水平盲管及滤管、碎石盲沟及导水管、滤管盲沟结合形式、双向槽孔管等。

2.2.2 垂直排渗设施

在不同高程沉积滩面上、截积子坝顶、马道上补设机械抽水管井、虹吸井、轻型井点、碎石盲井、袋装砂井或塑料插板等。

2.2.3 垂直水平联合自流排渗

由水平排渗和垂直排渗联合组成水平管—砂袋井、辐射井、双向槽孔管、水平滤管与塑料插板结合形式等联合排渗[2]。

3 水平管排渗

水平管排渗多用于不透水地基的不透水坝尾矿库底部排渗的尾矿库中。水平排渗管伸入库内50～70 m，渗流水通过初期坝底的不透水导水管排至坝脚排水沟。

水平管结构主要是无砂混凝土管、钢花管、高分子塑料花管外包土工布作为反滤层，接通纵向排水管道，把坝体内渗水排向坝体下游。其排水过程是采用重力“漏滴”的原理汇水，管壁外包的土工布直接与尾矿砂接触，细小颗粒容易附着在土工布上，时间久了导致土工布过滤功能失效，发生排水不良的后果[3]。

4 软式透水管盲沟排渗

软式透水管盲沟排渗多运用于新建尾矿库的堆积坝排渗。

软式透水管是一种具有倒滤透(排)水作用的新型管材，以防锈弹簧圈支撑管体，形成高抗压软式结构，无纺布内衬过滤，具有很好的全方位透水功能，渗透水能顺利渗入管内，而泥沙杂质被阻挡在管外，利用“毛细”现象和“虹吸”原理、集吸水、透水、排水为一气呵成，能够满足工程设计要求的耐压能力及透水性和反滤作用[4－6]。

软式透水管盲沟排渗结构，采用土工布反滤层包碎石体，碎石体内设置软式透水管。主排渗盲沟距滩顶50～60 m，平行于坝轴线，由两侧坡向中间的排渗盲沟呈“W”型布置，与软式透水集渗管相接排至坝外排水沟。排渗盲沟与集渗管铺设坡度均为1.0%左右。

软式透水管盲沟排渗施工简单，初期排渗效果良好，随着尾矿的排水沉降固结，反滤层周围会结垢发生堵塞，导致排渗效果逐渐降低，甚至失去排渗作用。

5 机械抽水管井排渗

机械抽水管井排渗是在尾矿坝上埋设较深的垂直排渗管井集渗，需采用泵抽水降低井内水位达到降水目的。

由于尾矿渗透性小，致使管井的泵水系统不能适应细水长流的要求，就要频繁启动和关闭水泵，保证渗井周围形成降水漏斗，实现降水。

井管可用钢管、铸铁管、高分子聚合材料管钻孔，无砂混凝土管、钢筋混凝土管等，管井的滤水管周围填以粗砂、碎石滤料或外包土工合成材料作为滤层。

井外径一般为350～550 mm，井间距为5～20 m。

每眼排渗井需单独配置抽水泵，运行时需频繁启动和关闭水泵，维护管理不便，特别冬季比较寒冷的地区，容易冻结。

6 轻型井点排渗

轻型井点是由地表上的真空射流泵强制抽水，造成负压通过总管或井点管传至埋入坝体下端的管状过滤器，并使其负压扩散到井点周围一定的范围，形成稳定的负压带，使坝内含水层中的水沿着重力和负压合力的矢量方向流动，源源不断汇入井点滤管。

每个井点滤管均形成一个负压影响范围，将平行于坝轴线的一排井点连接起来，形成一道真空墙，起截断坝体水和降低坝体水位的作用。

轻型井点抽水由于采用强迫抽水，如果射流泵的真空度控制不当，压力过大，加大细粒物料进入滤孔的机会，压力差过小、达不到预定的效果。

7 虹吸井排渗

虹吸井排渗系统是利用虹吸原理降低尾矿坝浸润线的方法。主要由虹吸井、水封槽虹吸管和观测井等组成。

虹吸井是关键的降水设施，虹吸井的管材、管径、制作方法、布置间距同机械抽水管井排渗。水封槽的作用在虹吸系统启动后，应保证排水管出口始终位于一定的水位高度以下，在于保证虹吸系统要求的真空度。

观测井主要用来观测虹吸排渗系统的降水效果。

虹吸管应尽量采用整根的PE管，以免降低虹吸管的真空度。

8 水平管—砂袋井联合排渗

水平管—砂袋井排渗体:水平管由水平排渗花管与实管组成，水平管倾角1°～3°，水平花管集水并导流，实管导流，竖直砂袋井集水。

竖直砂袋井与水平管在一定位置对接形成联合排渗体。

排渗体的排渗效果主要与集水体系有关，管井为竖向集水井，而水平管—竖直砂袋井联合排渗体以水平管集渗为主、竖直砂袋井为辅。

9 辐射井排渗

9.1 辐射井的结构

辐射井由主井、多条辐射滤管和通向坡坡的导水管等组成。

主井封底完成并达到一定强度后即作为导水管和滤水管的施工场所，辐射井投入使用后，主井汇集辐射滤管的渗水。

辐射滤管伸入尾矿库内集取库内渗透水，然后将水汇集到主井。

导水管的作用是将汇集到主井的渗水排出尾矿库。

9.2 辐射井的设计参数

9.2.1 主井井深和井径的确定

井深的确定主要综合考虑辐射滤管的出口标高，堆积坝总高度和沉井施工技术水平。主井井径的大小取决于钻孔设备的大小，内径应能满足井下施工的操作空间。

9.2.2 辐射滤水管参数的确定

辐射滤水管主要确定出水口标高、管径、滤眼孔径和开孔率。

辐射滤管的坡度一般采用3%，出水口标高一旦确定，即确定了滤水管在尾矿库渗流场中的位置，要保证设计中让最上层滤水管标高低于该处浸润线的标高。

管材一般选用PE管Φ 56 mm或Φ 75 mm的居多，钢管则选用Φ 89 mm，开孔直径12～15 mm，开孔率12%～13%。

9.3 辐射井的平面布置

辐射井的平面布置主要是指主井的位置设计，主要考虑坝轴线的长度和治理范围、水位高低、坝体渗透破坏情况及导水管排水路径等因素。

辐射井的作用半径大致等同于滤水管的长度，根据坝轴线的长度确定布置几眼井较为合适。关于辐射井布置在哪一级子坝还是布置在库内，首先要找到渗透破坏范围及破坏较严重的地方，其次要看水位的高低，同时还要考虑辐射井的布置位置容易找到便于施工的导水管路径的位置[7－9]。

辐射滤水管呈扇形布置，水平滤水管每层8～9支，两孔间夹角为20°～22.5°。

9.4 辐射井的排渗技术特点

辐射井的排渗技术有以下7个特点:

1)适合尾矿库渗透破坏治理工程，能较好的适应尾矿库的地层，施工相对复杂。

2)水平滤水孔的设计走向不受任何限制，滤水管辐射面广，集水范围大，排渗量大。

3)辐射井为自流排水，不受人为因素干扰，使用寿命长，能够长期保证稳定渗流，维护费用低。

4)可在一口竖井中敷设多层水平滤管增大排渗水量，起到迅速降低坝体浸润线的目的。

5)一旦辐射井有问题，可以关闭全部辐射滤水管，抽干竖井内的水，人到竖井内检修即可。水平辐射滤管可以冲洗，也可以更换。

6)水平滤管均以辐射井为中心，向外辐射，井壁附近的滤管分布过密，未能充分利用。

7)辐射井排渗对粗颗粒尾矿降水效果特别好，对细粒且沉积较均匀的尾矿降水效果也较好，但对存在较厚的水平矿泥夹层的尾矿库要差一些。

10 槽孔管排渗

槽孔管排渗是针对普通排渗管容易淤堵而新兴的一种排渗方法。

槽孔管制作及铺设方式不同于普通的水平管排渗，也不同于软式透水管排渗。反向预埋槽孔管排渗用于新建尾矿库的排渗。双向槽孔管排渗用于尾矿坝排渗治理工程中。

10.1 槽孔管结构

槽孔管就是在管壁的外侧纵向均匀的开出渗流槽，槽宽1 cm，并且每隔10～15 cm，打Φ 8 mm或打Φ 10 mm的孔。

10.2 过滤层

槽孔管的过滤层采用白钢网，过滤网的选择是在对尾砂粒级分析后确定的滤网孔径，使滤网四周80%的细尾砂顺水流出，20%的粗尾砂在过滤网四周又形成新的过滤层，扩大了透水面积，有效的保护了过滤网的渗透性能，提高排渗体功效。

10.3 槽孔排渗管的特点

槽孔排渗管有如下特点:

1)排渗管的排渗效果取决于渗透面积。槽孔管的特殊结构加大了渗透面积是同管径普通排渗管的渗透面积的20倍左右。

2)白钢网过滤层将微小颗粒随渗流水过滤出去，周围的粗砂成为滤料对排渗体进行保护，使排渗管更有效、长久的保持渗水功能。

10.4 敷设形式

由尾矿坝的总坝高及渗流情况确定分期预埋的层数，由尾矿细度确定每层排渗管的间距及过滤网目。10.4.1 反向预埋槽孔管排渗

步骤如下:

1)根据槽孔管从滩顶伸入库内的长度(一般伸入库内50 m)及俯角敷设坡度(敷设坡度为5%左右)确定集水管位置，然后平行于坝体轴线方向挖出集水管沟敷设集水管。

2)仰角敷设导水管，并与平行于坝轴线的集水管相接，后期导水管续接。

3)顺干滩方向铺设槽孔管，确保排渗管铺设路线与预计增高的浸润线相交，可提前对浸润线的升高起到抑制作用，并插入预计浸润线以下一定深度，使槽孔管与集水管相接。

4)排渗管的周围放入20～30 cm的粗砂作为滤料。

10.4.2 双向槽孔管排渗

双向槽孔管分为坝前盲管段与库内滤水管段。盲管段一般长约30 m左右，滤水管长50～150 m，滤水管段仰角敷设角度为1°～3°。双向槽孔管通过钻机根管钻进一次成型，滤水管径越粗越长施工顶进越困难，合理确定滤水管的长度，达到最佳经济排渗效果。

根据初定排渗间距实施后通过浸润线观测结果，确定浸润的高度是否达到规范规定要求，调整排渗管的深度和长度，进一步确定是否需要加密，达到最佳的排渗效果。

11 排渗设施效果分析

11.1 水平排渗设施效果分析

水平排渗设施多为新建筑坝阶段的预埋，可采用正向水平排渗管、盲沟与排渗管结合形式、反向预埋槽孔管排渗等。

排渗效果的好坏及持久性关键在于滤层的施工质量，防止渗水结垢堵塞。如采用砂石结构滤层，则砂石料的颗粒级配应严加控制。如采用土工织物滤层，施工时严防损伤和开缝。

反向预埋槽孔管独特结构克服了其他水平管排渗的弊端，增大了渗透面积、反滤层防淤塞、滤水管俯角铺设，能够保证排渗设施长久有效。但排渗设施渗流计算、渗流稳定后浸润线的位置确定有待进一步研究。

坝外水平管在堆积坝排渗治理工程中也有应用，但有一定的局限性，在粗颗粒均匀的尾矿堆积坝中排渗效果较好。

但在细粒、黏性尾矿或有矿泥夹层存在的尾矿堆积坝中，排渗效果不良。

11.2 垂直排渗设施效果分析

机械抽水井、虹吸井、轻型井点等排渗设施成井眼数多，后期维护管理不便，且不适用于北方寒冷地区。

11.3 水平垂直联合排渗自流设施效果分析

水平垂直联合自流排渗设施主要用于尾矿堆积坝排渗治理工程。

具有代表性的辐射井排渗及新兴双向槽孔管排渗。

辐射井几乎适用于各种地形，采用面状截水方式，拦排范围大，排渗效果较好，并能够保证长期稳定渗流，但施工工艺复杂，初期建设费用高，后期维护管理方便。

双向槽孔管排渗最显著的特点布置范围决定了降水范围，埋置深度基本为降水深度，并且能够穿透矿泥夹层，改变坝体垂直方向的渗透性。治理过程中预计浸润线的降深位置，即双向槽孔管铺设位置，一旦按设计角度埋设好，排渗效果立竿见影，可长期保证稳定渗流，且不需日常维护。

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