李小軍，蘇 軍，韓志磊，郭利杰，張繼輝，孫東亮

（1.北京礦冶研究總院，北京102600；2.陜西久盛礦業(yè)投資管理有限公司，陜西 商洛711503）

截至2013年全國(guó)共有11025座，其中二等庫(kù)164座，三等庫(kù)715座，四等庫(kù)2165座，五等庫(kù)7981座，90%以上的尾礦庫(kù)采用上游式筑壩［1］，尾礦庫(kù)滲流量是綜合反映尾砂堆壩工作狀態(tài)的重要參數(shù)，在尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)工程分析中有著很大的作用。目前，尾礦庫(kù)建設(shè)主要采用上游法進(jìn)行筑壩，具有壩高、浸潤(rùn)線高、壩基的繞壩滲流大等特點(diǎn)［2－7］，更為特殊的是尾礦庫(kù)壩體滲流量大，主要是由于壩底、岸坡與尾礦的滲透系數(shù)不一致所造成，這對(duì)整個(gè)壩體的安全造成了很大的影響，對(duì)尾礦庫(kù)壩體滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、研究其對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，保障尾礦庫(kù)安全運(yùn)行是必要的。

1 堰槽滲流量計(jì)算

目前尾礦庫(kù)主要采用上游法濕排的方式，在庫(kù)內(nèi)形成一定范圍的水域，蓄水后的尾礦壩產(chǎn)生了滲漏，滲流量的的大小取決于尾礦庫(kù)內(nèi)尾礦的透水性及其影響范圍和上下游水位差。滲流量由三部分構(gòu)成：①通過(guò)壩體的滲流量；②通過(guò)尾礦庫(kù)壩基的滲流量；③通過(guò)尾礦庫(kù)兩岸繞滲或兩岸地下水補(bǔ)給的滲流量。為了監(jiān)測(cè)各部分的滲流量，就要精確做到量測(cè)。國(guó)外主張?jiān)O(shè)置基巖觀測(cè)，這種裝置使?jié)B流量不受地面徑流和降雨的影響，可知滲流量的變化來(lái)自何處。若滲流量發(fā)生較大變化，意味著滲流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生了變化。目前多數(shù)尾礦庫(kù)的滲流量一般不大，大都采用三角堰或矩形堰來(lái)觀測(cè)，將量水堰設(shè)置在尾礦庫(kù)初期壩坡腳或初期壩附近。根據(jù)《尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中6.4.2要求：①當(dāng)流量小于1L/s時(shí)宜采用容積法；②當(dāng)流量在1～300L/s之間時(shí)宜采用量水堰法；③當(dāng)流量大于300L/s或受落差限制不能設(shè)量水堰時(shí)，應(yīng)將滲漏水引入排水溝中，采用測(cè)流速法。

圖1 三角堰堰槽觀測(cè)斷面

如圖1所示，通過(guò)三角堰頂取基準(zhǔn)面0－0，在堰上游（3～4）H出取漸變流斷面1－1，過(guò)基準(zhǔn)面與水舌中線的交點(diǎn)取過(guò)水?dāng)嗝?－2，對(duì)斷面1－1、2－2列能量方程（式（1））。

整理后得式（3）。

設(shè)斷面2－2的水舌厚度為kH0，k為與水舌垂向收縮情況有關(guān)的系數(shù)，溢流寬度為B，則過(guò)水?dāng)嗝?－2的面積為A＝kH0B，。通過(guò)堰的流量見(jiàn)式（4）。

三角形薄壁堰小水頭時(shí)寬度小，流量的微小變化將引起較大的水頭變化，根據(jù)規(guī)范要求當(dāng)時(shí)，可以測(cè)得過(guò)堰槽的水量，當(dāng)堰口夾角θ一定時(shí)，三角堰的溢流水舌寬度B與水頭H成比例，引入比例系數(shù)C，可得B＝CH，帶入得式（6）。

同時(shí)根據(jù)湯普森試驗(yàn)得θ＝90°，C的近似值為1.4，帶入得式（7）。

2 尾礦庫(kù)壩體滲流理計(jì)算

某礦山企業(yè)尾礦庫(kù)位于某市中心偏東位置，尾礦庫(kù)下游靠近生活區(qū)，最終壩頂高程為130m，2000多萬(wàn)m3，目前壩高為130m，為二等庫(kù)；初期壩壩頂標(biāo)高為67.5m，壩外坡比為1：2.0，內(nèi)坡比為1∶2.5，初期壩為粘土不透水壩，堆積壩采用上游法水力沖積尾砂人工堆筑，尾砂滲透系數(shù)為3.2～6.0×10－6cm/s，在壩體標(biāo)高84m設(shè)置有輻射井。目前尾礦庫(kù)壩面局部有沼澤化現(xiàn)象，具體見(jiàn)圖2。

圖2 尾礦庫(kù)現(xiàn)狀

尾礦庫(kù)沉積灘是由尾砂堆積而成的，可以近似認(rèn)為為均質(zhì)壩，沿沖積坡或趁機(jī)坡向內(nèi)滲透性逐漸減小，在尾礦沖積過(guò)程中有水平礦泥夾層存在，致使垂直滲透性較水平方向滲透性小，可以采用平面的滲流計(jì)算。

非透水地基上相同排水型式均質(zhì)土壩的單寬滲流量見(jiàn)式（8）。

圖3 非透水地基上的滲透計(jì)算圖

其中：q為壩體單寬滲流量；k為壩體滲透系數(shù)；H為上游水深；a為下游坡處逸出高度；L為化引滲透長(zhǎng)度；m為壩體下游坡坡度；m0為壩體上游坡坡度。

根據(jù)尾礦庫(kù)參數(shù)：內(nèi)坡壩高H＝62.5m，a＝16.5m，m＝2.5，m0＝2，滲透系數(shù)k＝4.5×10－6cm/s，并將其帶入公式（8）和（9）中可得式（10）。

計(jì)算過(guò)程中考慮壩體為均質(zhì)壩體，壩體主要為粘土擋水材料，尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)沉積的尾砂主要為細(xì)顆粒和粗顆粒的混合體，尾砂滲透系數(shù)基本一致。由于尾礦庫(kù)采用壩前放礦，尾砂沉積在壩前，尾礦水聚集在壩后，水不是直接作用于壩體，而是直接作用在尾砂沉積的沉積灘上，與目前計(jì)算的模型有不同，由于尾砂的滲透系數(shù)大于壩體的滲透系數(shù)，致使理論計(jì)算的結(jié)果偏小。

3 尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)階段在壩體標(biāo)高75m的位置設(shè)置了一個(gè)三角形量水堰，監(jiān)測(cè)壩體排滲設(shè)施輻射井和壩體導(dǎo)滲設(shè)施的滲漏量。堰槽尺寸為3.4×2.2×1.7m，將該壩體上的橫向?qū)B盲管通過(guò)規(guī)則的溝渠將滲透的水引到堰槽內(nèi)，在堰槽頂端安裝超聲波液位計(jì)，監(jiān)測(cè)水面到超聲波液位計(jì)堰板的距離，計(jì)算出有效水頭，帶入三角堰計(jì)算公式（7）中可得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的滲漏水量，即滲流量，三角堰槽和監(jiān)測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖4。

圖4 三角堰槽

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可查詢超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的的滲流量為2.85L/s，與理論計(jì)算偏差為10%（如圖5和圖6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果）。

圖5 滲流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

在式（7）對(duì)H0求導(dǎo)，計(jì)算其變化量，可得式（11）。

由于采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備為超聲波液位計(jì)，其靈敏度為0.2%PS，設(shè)備滿量程為3m，三角堰槽的堰槽高度為0.3m，帶入（11）式中得式（12）。

從圖5中監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出滲流量在監(jiān)測(cè)允許的變化范圍內(nèi)，滿足監(jiān)測(cè)要求。但與理論計(jì)算有偏差，滲流量的比較分析：將尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的滲流量與根據(jù)壩體滲漏理論計(jì)算的滲流量進(jìn)行比較得，二者計(jì)算滲流量接近，實(shí)際監(jiān)測(cè)的滲流量與理論計(jì)算的滲流量有一定的偏差，主要原因如下所示。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型為原型測(cè)試，主要利用水工建筑物現(xiàn)場(chǎng)對(duì)液體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，獲得有關(guān)數(shù)據(jù)和資料，由于理論分析成果的局限性，使得有些實(shí)際的工程問(wèn)題得不到可靠地理論支持，使得實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值和理論計(jì)算的數(shù)值有偏差。

2）滲流量監(jiān)測(cè)采用的是超聲波液位計(jì)，利用的是聲波技術(shù)，由于聲波是機(jī)械波，可以在氣體、液體、固體中傳播，當(dāng)穿過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)被吸收而產(chǎn)生衰減，氣體吸收最強(qiáng)衰減最大，液體次之同時(shí)聲波穿過(guò)不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，反射時(shí)會(huì)有一定的能量損失。另外液位計(jì)長(zhǎng)期暴露于露天，加上尾礦庫(kù)的灰塵很大，嚴(yán)重的灰塵聚集會(huì)衰減超聲波發(fā)射信號(hào)，會(huì)影響監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。

3）尾礦堆積的尾礦庫(kù)不是均質(zhì)壩體，在沖積和沉積的過(guò)程中也有分層現(xiàn)象：粗尾砂、細(xì)尾砂、其他土質(zhì)等，尾砂的滲透系數(shù)不一致，致使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的滲流量偏小。

4）根據(jù)尾礦庫(kù)滲透性特點(diǎn)，同時(shí)考慮滲透水的滲出點(diǎn)在目前設(shè)置的三角形堰槽前面，滲透出來(lái)的水補(bǔ)給了其他或者直接滲透到下濾層了，致使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的滲流量偏小。

4 結(jié)論

尾礦庫(kù)滲流量計(jì)算采用了理論計(jì)算和尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，綜合認(rèn)為，兩種結(jié)果基本接近，真實(shí)地反映了尾礦庫(kù)的實(shí)際滲漏狀態(tài)，同時(shí)尾礦庫(kù)滲流量監(jiān)測(cè)是尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)工程中的一個(gè)重要內(nèi)容。

本文在根據(jù)滲流量觀測(cè)的特點(diǎn)，綜合考慮了尾礦庫(kù)的滲漏特征，利用三角堰槽進(jìn)行計(jì)算，對(duì)尾礦庫(kù)滲流量進(jìn)行了理論計(jì)算，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的滲流量值，兩者進(jìn)行比較，分析理論值與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值的原因，說(shuō)明在尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用堰槽法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滲流量是可行的，可以在尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程中運(yùn)用。

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