尾礦庫在線監(jiān)測中滲流量監(jiān)測探討

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

1 堰槽滲流量計算

目前尾礦庫主要采用上游法濕排的方式，在庫內形成一定范圍的水域，蓄水后的尾礦壩產生了滲漏，滲流量的的大小取決于尾礦庫內尾礦的透水性及其影響范圍和上下游水位差。滲流量由三部分構成：①通過壩體的滲流量；②通過尾礦庫壩基的滲流量；③通過尾礦庫兩岸繞滲或兩岸地下水補給的滲流量。為了監(jiān)測各部分的滲流量，就要精確做到量測。國外主張設置基巖觀測，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自何處。若滲流量發(fā)生較大變化，意味著滲流場內發(fā)生了變化。目前多數尾礦庫的滲流量一般不大，大都采用三角堰或矩形堰來觀測，將量水堰設置在尾礦庫初期壩坡腳或初期壩附近。根據《尾礦庫安全監(jiān)測技術規(guī)范》中6.4.2要求：①當流量小于1L/s時宜采用容積法；②當流量在1～300L/s之間時宜采用量水堰法；③當流量大于300L/s或受落差限制不能設量水堰時，應將滲漏水引入排水溝中，采用測流速法。

圖1 三角堰堰槽觀測斷面

如圖1所示，通過三角堰頂取基準面0－0，在堰上游（3～4）H出取漸變流斷面1－1，過基準面與水舌中線的交點取過水斷面2－2，對斷面1－1、2－2列能量方程（式（1））。

整理后得式（3）。

設斷面2－2的水舌厚度為kH0，k為與水舌垂向收縮情況有關的系數，溢流寬度為B，則過水斷面2－2的面積為A＝kH0B，。通過堰的流量見式（4）。

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

同時根據湯普森試驗得θ＝90°，C的近似值為1.4，帶入得式（7）。

2 尾礦庫壩體滲流理計算

某礦山企業(yè)尾礦庫位于某市中心偏東位置，尾礦庫下游靠近生活區(qū)，最終壩頂高程為130m，2000多萬m3，目前壩高為130m，為二等庫；初期壩壩頂標高為67.5m，壩外坡比為1：2.0，內坡比為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，尾砂滲透系數為3.2～6.0×10－6cm/s，在壩體標高84m設置有輻射井。目前尾礦庫壩面局部有沼澤化現象，具體見圖2。

圖2 尾礦庫現狀

尾礦庫沉積灘是由尾砂堆積而成的，可以近似認為為均質壩，沿沖積坡或趁機坡向內滲透性逐漸減小，在尾礦沖積過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算。

非透水地基上相同排水型式均質土壩的單寬滲流量見式（8）。

圖3 非透水地基上的滲透計算圖

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

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

計算過程中考慮壩體為均質壩體，壩體主要為粘土擋水材料，尾礦庫庫內沉積的尾砂主要為細顆粒和粗顆粒的混合體，尾砂滲透系數基本一致。由于尾礦庫采用壩前放礦，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，與目前計算的模型有不同，由于尾砂的滲透系數大于壩體的滲透系數，致使理論計算的結果偏小。

3 尾礦庫在線監(jiān)測實時監(jiān)測

現階段在壩體標高75m的位置設置了一個三角形量水堰，監(jiān)測壩體排滲設施輻射井和壩體導滲設施的滲漏量。堰槽尺寸為3.4×2.2×1.7m，將該壩體上的橫向導滲盲管通過規(guī)則的溝渠將滲透的水引到堰槽內，在堰槽頂端安裝超聲波液位計，監(jiān)測水面到超聲波液位計堰板的距離，計算出有效水頭，帶入三角堰計算公式（7）中可得到實時監(jiān)測的滲漏水量，即滲流量，三角堰槽和監(jiān)測設備見圖4。

圖4 三角堰槽

根據監(jiān)測結果，可查詢超聲波液位計實時監(jiān)測的的滲流量為2.85L/s，與理論計算偏差為10%（如圖5和圖6在線監(jiān)測系統實時監(jiān)測結果）。

圖5 滲流量監(jiān)測數據

圖6 在線監(jiān)測系統實時監(jiān)測結果

在式（7）對H0求導，計算其變化量，可得式（11）。

由于采用的監(jiān)測設備為超聲波液位計，其靈敏度為0.2%PS，設備滿量程為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)測結果可以看出滲流量在監(jiān)測允許的變化范圍內，滿足監(jiān)測要求。但與理論計算有偏差，滲流量的比較分析：將尾礦庫在線監(jiān)測工程實時監(jiān)測的滲流量與根據壩體滲漏理論計算的滲流量進行比較得，二者計算滲流量接近，實際監(jiān)測的滲流量與理論計算的滲流量有一定的偏差，主要原因如下所示。

1）實時監(jiān)測模型為原型測試，主要利用水工建筑物現場對液體運動進行觀測，獲得有關數據和資料，由于理論分析成果的局限性，使得有些實際的工程問題得不到可靠地理論支持，使得實際監(jiān)測數值和理論計算的數值有偏差。

2）滲流量監(jiān)測采用的是超聲波液位計，利用的是聲波技術，由于聲波是機械波，可以在氣體、液體、固體中傳播，當穿過介質時會被吸收而產生衰減，氣體吸收最強衰減最大，液體次之同時聲波穿過不同介質的分界面時會產生反射，反射時會有一定的能量損失。另外液位計長期暴露于露天，加上尾礦庫的灰塵很大，嚴重的灰塵聚集會衰減超聲波發(fā)射信號，會影響監(jiān)測的數據。

3）尾礦堆積的尾礦庫不是均質壩體，在沖積和沉積的過程中也有分層現象：粗尾砂、細尾砂、其他土質等，尾砂的滲透系數不一致，致使在線監(jiān)測系統監(jiān)測的滲流量偏小。

4）根據尾礦庫滲透性特點，同時考慮滲透水的滲出點在目前設置的三角形堰槽前面，滲透出來的水補給了其他或者直接滲透到下濾層了，致使在線監(jiān)測系統監(jiān)測的滲流量偏小。

4 結論

尾礦庫滲流量計算采用了理論計算和尾礦庫在線監(jiān)測系統實時監(jiān)測，綜合認為，兩種結果基本接近，真實地反映了尾礦庫的實際滲漏狀態(tài)，同時尾礦庫滲流量監(jiān)測是尾礦庫在線監(jiān)測工程中的一個重要內容。

本文在根據滲流量觀測的特點，綜合考慮了尾礦庫的滲漏特征，利用三角堰槽進行計算，對尾礦庫滲流量進行了理論計算，通過在線監(jiān)測系統實時監(jiān)測的滲流量值，兩者進行比較，分析理論值與在線監(jiān)測系統實時監(jiān)測值的原因，說明在尾礦庫在線監(jiān)測系統中采用堰槽法實時監(jiān)測滲流量是可行的，可以在尾礦庫在線監(jiān)測系統工程中運用。

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