辐射井自流排渗技术在尾矿坝治理加固上的应用

1/5辐射井自流排渗技术在尾矿坝治理加固上的应用崔良忠马文李小忠安徽地矿建设工程有限责任公司（安徽合肥230011）摘要：本文结合工程实例介绍了辐射井自流排渗技术在尾矿坝治理加固方面的应用，包括沉井、水平辐射管和穿坝导水管的设计，以及施工工艺等。这项技术具有适应地层广、浸润线降幅大、运行管理方便和工程寿命长等优点，解决了尾矿坝（电厂灰坝）的排渗、降水难题。在数十项尾矿坝（电厂灰坝）除险加固工程实践中，已取得了良好的工程治理效果，使病险尾矿库（电厂灰库）坝体的安全稳定性达到了国家安全技术规程的要求。关键词：尾矿坝治理；浸润线；除险加固；辐射井自流排渗技术；水平排渗管1、引言早期国内尾矿库和电厂灰库初期坝多采用粘土筑坝，透水性较差；后期坝（子坝）多采用上游法构筑，利用尾矿砂、尾粉煤灰填筑碾压而成。尾矿库（电厂灰库）运行中后期，由于排水排渗设施的缺乏或失效，或者由于原矿和生产工艺的差异，各类尾矿和粉煤灰的颗粒组成和渗透性差别较大，以及矿泥等软弱夹层的存在，随着库区堆积面的不断升高，坝体浸润线也就随之抬高。在长期饱和水的作用下，坝体填筑土物理力学性质开始恶化，表现在在初期坝半坡和子坝坝脚开始出现渗水、成片沼泽化，继而坝面出现不同程度的沉陷或隆起，局部出现管涌等状况。由于浸润线超高，在坝体抗滑稳定性验算时最小安全系数也就不足，从而被判定为病坝、险坝及危坝。至于如何治理此类病坝、险坝及危坝，如何降低浸润线，传统的办法就是预设排渗盲沟、排渗褥垫以及预埋透水管等办法，但这类预埋排渗设施完工后当时并不见效，只有等到浸润线超过排渗设施后才能起作用，而且这类预埋排渗设施还有一个致命的缺点，就是排渗设施必须在坝体增容加高施工前进行预埋，预埋设施的安装好后，经过随后的堆载、碾压等扰动后，再经过后期固结排水作用，极容易造成预埋排渗设施失效或堵塞，这种现象是非常普遍的，再者对于已存在浸润线过高现象的大坝，传统的办法也就无能为力了。辐射井自流排渗是近年来新兴的降低坝体浸润线的工程措施，具有适应性强、排渗效果显著、运行时间长以及运行成本低等特点，且无传统手段排渗效率低、容易失效和堵塞等缺点。其基本工作原理：将大口径钢筋混凝土井筒沉入地下，在井内向尾矿库（灰场）施工水平滤水管，收集渗水，利用长距离导水管将渗水排出，实现自流，达到长期、稳定的降水效果。2、辐射井自流排渗系统的构成及施工工艺如图，辐射井自流排渗系统由竖井、水平滤水管和水平导水管三部分组成。根据不同的坝体浸润线上升高度、坝内积水、多级子坝坝面沼泽化的程度、坝体总长度和总高度以及各级子坝的具体情况，综合尾矿（粉煤灰）的物理及化学成分构成之间的差异，以及水在坝内渗透性的各项参数和其它因素等，决定辐射井的平面布置和深度以及水平滤水管的各项技术参数。一般辐射井布置于2~3级子坝上，间距80~100m为宜。深度可达到初期坝底部。2/52.1竖井辐射井井筒的作用是将水平滤水孔渗入的水集中到井内，然后通过水平导水孔排出坝外。竖井井筒由钢筋混凝土现场浇筑而成，采用沉井法施工，分节制作，逐模下沉，在达到设计深度后封底。因为尾砂（灰）具有松散、易液化流动及液化后强度急剧降低的特点，辐射井的沉井方法，就需要针对这些特点来确定。在浸润线以上，沉井方法采用人工掏挖为主，在浸润线以下，则采用不排水沉井法施工，以“冲吸法”（亦称井底液化法）为主。在沉井深度达到20m以上时，或针对复杂地层时，则采用绞吸法沉井，沉井深度偏差一般不得不超过100mm。封底则采用注浆二次封底施工工艺，即在沉井稳定后，注浆固定井周，并不排水掏挖井底，露出刃脚部分，再次注浆密封整个底板以下部分。该封底工艺比以往所采用的超沉法封底可减少超沉部分材料浪费，也使封底成功率达到100%。设计深度20m的辐射井，工期在40天内完成全部沉井施工。2.2水平滤水管水平辐射滤水管的作用是将坝体内的水渗出，并引入到竖井中，从而达到降低坝内水位和坝体浸润线的目的，是整个排渗系统的关键。首先用比顶进的套管大一径级的合金钻头钻穿井壁，然后用带有堵砂逆止阀钻头的钻具钻进。钻进时钻头部分需超前套管。钻进中泵入的冲洗液一部分通过钻头排出，在一定范围内液化灰砂并携带管前一部分被液化的灰砂进入套管，造成堵砂钻进和套管跟进的良好条件。进入套管的灰砂又可由逆止阀分流接头的侧向通水孔所排出的另一部分冲洗液带出孔外。若泵入的冲洗液全部通过钻头排出，将使套管前端的灰砂大范围液化而不断地流入套管内，阻塞了冲洗液的回路，致使钻进和跟管中的阻力增加，影响套管跟进的速度。实践证明：顶进套管时阻力的大小，取决于冲洗液是否通畅和钻头的扩展效果，在上述两方面均正常的情况下，在尾灰中顶管所需要的顶力和进入孔内的管长之比，顶进φ108mm套管时一般为8-12KN/10m。顶进φ127mm套管时，一般为12-18KN/10m。顶进φ140mm套管时一般为22-35KN/10m。要使排渗滤水管顺利地下入孔内而过滤布又不损坏，则在下排渗滤水管以前，套管内灰砂必须清除干净。清砂前必须在套管前端堵塞砂源，堵砂钻头在跟管钻进达到设计长度后，应缓慢试一下效果；在确认堵砂钻头到位后，才可操作后动力头分离堵砂钻头，然后大泵量冲洗套管内余砂后，方可安装排渗滤水管。当滤水管长度达到设计要求后，起拔外套管前一定要先开泵，当泵压升到一定值时（PHDY法）才能逐步起拔套管，每卸一根外套管都要重复该做法，防止灰砂涌入套管，造成“抱死”现象，因此导致拔断水平排渗管、撕裂损坏水平管外包土工布，进而造成该管及孔的报废。3/5上述工艺为安徽地矿集团水利水电工程公司所独创的“TBYH跟管钻进法”、“PHDY水平滤水管安装法”组合应用，该工艺不但施工进度迅速，而且质量优良，安装成功率100%，每班工作效率可完成水平滤水管施工30m。2.3水平导水管水平导水管的作用是将井内水平滤水管的渗水引到坝外，实现自流排渗。导水管从井内施工，需要穿越尾砂（灰）段和初期坝段，不同的介质，其物理、力学性质天差地别，需要不同的钻进方法。水平导水管铺设施工除需结合上述水平排渗滤水管的施工方法外，还必须注意以下几个问题：1、施工能力。导水管一般较长，根据不同坝体的排渗要求，需将辐射井布设于库内足够远的位置，以增大辐射井排渗范围，这样才能达到更佳的排渗效果。2、施工精度。为了排水通畅和渗水集中收集外排，导水管必须保持一定的坡度，出口必需到达指定位置，这就要求导水管的轨迹在高程和平面上都必须达到设计精度。3、扰动微小。由于初期坝安全储备较小，较少扰动和减小钻进环状间隙，防止施工期造成管涌和坝体失稳事故。因此在钻进尾砂（灰）段时，宜采用与钻进滤水孔相同的办法，顶进比导水管大2径级的套管，到达坝体段以后，改用导航仪定向钻进方法钻穿坝体，然后利用钻进的钻杆将导水管从坝外拖进井筒内。为了减少对坝体的扰动，钻孔直径比管材直径小1~2级别，强力回拉，挤压铺管，最后管壁外注浆完成导水管铺设。3、工程运用实例及治理效果现在辐射井自流排渗系统已在多处尾矿坝以及灰场大坝上成功运用，其排渗效果一般可直接用肉眼观察到，并可通过监测浸润线数据加以量化，笔者参加的项目都取得了理想的降渗效果，解决了许多业主单位的后顾之忧，获得了业主的一致好评，并创造了良好的社会效益和社会影响。如平顶山姚孟电厂程寨沟灰场二级子坝辐射井排渗工程，本工程由10口辐射井构成，井深33m，设计竖井采用钢筋混凝土结构，砼强度C25，内径3600mm，壁厚400mm。井内布设4层水平滤水管，每层9根，按“半圆形”或“扇形”布设；指向库内，滤水管长50m。滤水管采用UPVC花管，开孔率11％，外包裹400g/m2规格的土工布。水平导水管布置于辐射井偏底部，出水口按坝外坡脚高程控制；导水管一般采用φ127mm钢管，导水管水力坡度为2.5%。2001年4月开工，2002年8月完工。根据对坝面布设的测压管进行跟踪监测，如初期坝顶0+350桩号位置地面高程为224m，01年4月该处测压管水位221m，01年9月15日4#井开始排水，实测水位-时间曲线见下图：20020521021522022501年4月01年6月01年8月01年10月01年12月02年2月02年4月02年6月02年8月时间水位高程m初期坝顶0+350桩5#孔辐射井系统运行后，可明显观察到，原有出渗点消失，坝面沼泽潮湿区域逐渐干燥，测压管水位迅速下降至警戒浸润线以下，达到了安全验算要求。再如内蒙古宏大矿业公司尾矿库辐射井排渗工程，该工程施工前，坝面渗漏严重，尤其堆积子坝，流土流砂现象随处可见，子坝严重变形，应急施工设置了2口辐射井，4/5井径4400mm，深井深22.3m，水平滤水管2层，每层11根，单根80m共3500m，采用UPVC花管，开孔率9％，300g/m2规格的土工布，水平滤水管头塑料排水板4290m，导水管一般采用φ146mm钢管。2006年11月10日辐射井运行后，坝面积水当天就迅速疏干，流土现象消失，原来无法修筑的坝顶道路现在已可通行，浸润线平均下降了8.2m，取得了满意的效果。实测水位-时间曲线见下图：60060561061562006年9月06年10月06年11月06年12月时间水位高程m二级子坝顶2#管另外下表列举了笔者参与的部分辐射井排渗系统工程实例及应用治理效果：项目名称设计单位主要工程特征排水量（m3）应用治理效果淮南洛河电厂上窑灰场辐射井排水加固工程陕西省电力设计院辐射井16口，井深16m，水平滤水管6964m，坝下排渗管6080m日出水量9273m3平地型灰场坝，浸润线高，局部坍塌，经辐射井排渗加固后，浸润线下降5~8m，目前已正常运行12年平顶山姚孟电厂程寨沟灰场二级子坝辐射井排渗工程河南省电力勘测设计院辐射井10口，井深33m，水平滤水管10256m，导水管1550米，最长160m日出水量10457m3山谷型灰场坝，多处出现沼泽化，浸润线高，一级子坝脚有出渗现象，经辐射井排渗加固后，浸润线下降7~9m，目前库容加高至3级，运行良好，该项目获2006年安徽省科技进步二等奖罗寺沟尾矿坝初期坝渗漏治理工程北京有色冶金设计总院辐射井2口，井深12m，水平滤水管1500m单井出水量798m3山谷型尾矿坝，坝面出渗现象严重，多处出现沼泽化，经辐射井排渗加固后，坝面沼泽化迅速消失，浸润线下降5~6m，经安监机构评测安全储备满足规范要求。辽宁华电铁岭发电厂二期扩建工程贮灰场二级子坝地基处理工程东北电力设计院辐射井6口，井深21m，水平滤水管6946m，塑料排水板16406m，帏幕灌浆5028m2单井出水量1198m3山谷型灰场坝，混排粉煤灰地层，坝面经干砌块石贴坡后，依然有明显出渗现象，浸润线高位运行，经辐射井排渗加固后，浸润线下降12.7m，获得了超预期的效果。四川会理锌矿豹子沟尾矿库尾砂坝新增排渗工程中钢马鞍山设计院辐射井1口，井深22m，水平滤水管1650m，导水管长100m，垂直排渗插排108组日出水量1056m3山谷型尾矿坝，库内地形复杂，辐射井下沉难度大，辐射井系统完工后，排渗效果良好，浸润线下降5.6m内蒙古宏大矿业公司尾矿库辐射井排渗工程安徽工程勘察院辐射井2口，井深22.3m，水平滤水管3500m，塑料排水板4290m日出水量5256m3山坡型尾矿坝，施工前坝面渗漏严重，子坝严重变形，辐射井运行后，当天就迅速疏干坝面积水，浸润线下降8.2m。从上述应用实例中可以看出，相对传统降渗手段或其它坝体加固技术，辐射井自流5/5排渗技术在大坝降渗方面具有无可比拟的优势。4、结语1、辐射井自流排渗应用于尾矿坝（电厂灰坝）的降水加固，可有效降低坝体的浸润曲线，效果显著，能够长期保持稳定渗流，后期管理工作简单。2、沉井深度和水平导水管长度施工能力的发展，使辐射井可以自由地布置于坝区和库区，增强了辐射井自流排渗系统的适应性，扩大了排渗范围3、水平滤水管的走向不受任何限制，滤水管辐射面广，集水范围大，排渗量大。每口竖井中可以敷设多层水平滤水管，对于库容大、堆积高、浸润线高的坝体能增大排水量，起到迅速降低坝体浸润线的效果。4、为增强排渗效果，可以采用垂直排