反滤准则在尾矿坝设计中适用性探讨

2016-12-02陈宝峰李莲莲

现代矿业 2016年10期

关键词：砂砾设计规范尾矿库

陈宝峰李莲莲

(1.西安有色冶金设计研究院；2.西安市浐灞河发展有限公司)

反滤准则在尾矿坝设计中适用性探讨

陈宝峰1李莲莲2

(1.西安有色冶金设计研究院；2.西安市浐灞河发展有限公司)

为尽可能减少尾矿库初期坝上游单一土工织物反滤层发生淤堵和“跑浑”，影响尾矿库的正常运行，根据尾矿土工程特性，在已有5座尾矿库尾矿粒度分析数据基础上，通过不同反滤准则设计方法分别对其砂砾料反滤层及土工织物反滤层进行计算，对比分析各反滤准则在尾矿坝反滤层设计中的适用性并给出各反滤层控制粒径等参数，提出细粒尾矿库初期坝设计中宜采用砂砾料和土工织物共同作用的复合反滤层结构，建议在反滤层迎水面增设一层渗透性较为均匀的材料，将水流集中流入改为均匀渗入并控制其渗流量。反滤准则对尾矿坝设计具有积极的指导意义。

反滤准则尾矿坝设计砂砾料反滤层土工织物反滤层

随着矿石品位下降，选矿技术及装备不断发展和提高，尾矿粒度也越来越细，导致很多单一采用土工织物反滤层设计的透水初期坝在尾矿库使用期出现淤堵和“跑浑”的主要问题。对于淤堵，一些是由于水流带动细粒土沉积在过滤体中，严重减小了过滤体的透水能力；一些是由于选矿药剂或尾矿中某种盐类物质沉淀而引起的化学淤堵。淤堵将严重影响初期坝透水性，抬高堆积坝体浸润线，影响坝体安全，导致堆积坝排渗工程费用增加。“跑浑”是指尾矿坝中极细颗粒不能被土工织物反滤层所阻隔而随渗流水排至坝外的一种现象，严重时造成坝面坍塌，引发环境污染及安全事故。本文根据5座尾矿库尾矿土粒度分析数据，采用不同反滤设计准则对砂砾料反滤层及土工织物反滤层进行分析计算，以期探索更加适合较细尾矿粒度的复合反滤层的设计方法及结构形式。

1 尾矿土的类型及工程特性

1.1 尾矿土的类型

根据颗粒组成特性，自然界中的土可以归纳为三类：一类是无黏性土，包括砂土和砂砾石；第二类是黏性土，也称细粒土；第三类是黏粒含量小于10%，含砂、砂砾石和卵石的砾质土[1]。本文选取的5座尾矿库入库尾矿土的特点是全尾矿颗粒较细(d<0.075 mm占60%～80%)，各尾矿土均属于黏性土，其分类标准为<0.005 mm含量(质量)大于3%，塑性指数IP大于3%，颗粒具有黏结性的土。5种尾矿土的粒度分析曲线见图1。

图1 各尾矿土的粒度分析曲线

1.2 工程特性

尾矿土的粒度分析曲线是反映尾矿土的工程性质的常用方法[2-3]。控制粒径、等效粒径是尾矿土的代表性粒度，是选择反滤层设计准则的基础和依据。目前反滤层涉及的控制粒径有d50、d60、d70和d85，即土中小于该粒径的土质量占50%、60%、70%和85%；等效粒径有d10、d15和d20，即土中小于该粒径的土质量占10%、15%和20%；对于土工程中常用的参数还有不均匀系数Cu(d60/d10)，Cu≤5的土称均匀土，Cu>5的土称不均匀土。5种尾矿土的各控制粒径、等效粒径及不均匀系数汇总见表1。

2 渗透破坏类型判定和反滤分型

反滤层设计在确定被保护土控制粒径前需要先明确尾矿土的渗透破坏类型。本文渗透破坏类型按照不均匀系数Cu=d60/d10来判定[2]。当Cu≤5，属于流土破坏。当Cu>5，再由细粒含量P判定，P>35%，则判定为流土破坏；P<25%，则判定为管涌破坏；25%

表1 各尾矿土粒度相关参数汇总

注：①d10颗粒直径是指小于该粒径的土质量占10%的颗粒直径，其他类推；②Cu为不均匀系数。

根据尾矿库初期坝反滤层布置形式，反滤层位于保护土的下部，渗流方向由上向下，属于Ⅰ型反滤。各尾矿库渗透破坏类型判定和反滤分型汇总见表2。

表2 渗透破坏类型及反滤分型计算汇总

3 反滤准则及其适应性

反滤层是尾矿坝控制渗透破坏的关键工程，随着尾矿坝反滤层设计方法的不断完善，砂砾石与土工织物组成的复合型反滤层越来越多的应用到实际工程中。砂砾石反滤层与土工织物反滤层在不同的规范或推荐公式中反滤准则也各有不同，选择反滤准则，首先应考虑反滤准则的应用范围，其次是反滤准则与要解决的问题的关联性，另外是其权威性。

在砂砾料反滤层设计方法上首选《碾压式土石坝设计规范》[4]，其针对所研究的土类有明确的方法，1987年被列入美国垦务局的设计标准，1994年美国《国家工程手册》以谢拉德等人1989年反滤料设计准则为基础，总结了以往的试验研究和实践经验，提出了比较完整的砂砾料反滤层级配设计，同期国际大坝委员会出版的《土石坝砂砾料反滤排水》也编入这个方法，所以这个方法在国际上也是通用的。《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》[5]规定的反滤层设计方法对尾矿坝设计有参考价值，主要是灰渣坝和尾矿坝的堆筑工艺相似，反滤层工作条件类似。上世纪50年代的美国水道试验公式在美国早已废止，但我国一些渗流方面的专家还在使用或推荐，本次也是试用。选择中国水利水电科学研究院刘杰方法的依据主要是他在总结使用公式的试验资料中的水力坡度较大，和尾矿库初期运行有相似之处。

土工布反滤层设计准则主要应用《土工合成材料应用技术规范》[6]和《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》的公式，2个规范都是推荐标准，不是强制标准，前者为国标，后者是行标。无论是保土还是透水，后者计算数值均小。从使用安全性来看，以保土角度出发，采用后者是安全的。行标比国标严格也是合理的。透水性结论则相反。淤堵要用梯度比来衡量，必须通过试验确定，对极细粒尾矿来说，目前用到的土工布满足计算要求。

4 砂砾料反滤准则计算

4.1 《碾压式土石坝设计规范》设计准则

4.1.1 保土要求

根据黏土小于0.075 mm颗粒的含量的百分数不同而采用不同方法。

对于小于0.075 mm颗粒含量大于85%的土，其反滤层计算公式为

(1)

式中，D15为反滤料的粒径，小于该粒径的土质量占总质量的15%，mm；d85为被保护土的粒径，小于该粒径的土质量占总质量的85%，mm。

若9d85<0.2 mm，取D15=0.2 mm。

对于小于0.075 mm颗粒含量为40%～85%的土，其反滤层D15≤0.7 mm。

4.1.2 排水要求

根据公式

(2)

式中,d15为被保护土的粒径，小于该粒径的土质量占总质量的15%，mm。

当4d15<0.1 mm，应取D15≥0.1 mm。计算结果4d15均小于0.1 mm，所以各尾矿土D15≥0.1 mm。

通过以上计算得出尾矿土2的0.1 mm≤D15≤0.603 mm,其他各尾矿土的0.1 mm≤D15≤0.7 mm。

4.1.3 计算结果调整

两边界值相除应不大于5，如果小值不动，变大的，则各尾矿库全部调整为0.1 mm≤D15≤0.5 mm。反滤层的不均匀系数Cu宜取6，最后可适当调整为5～6。

4.2 《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》设计准则

4.2.1 保土准则

反滤层的颗粒不应穿过粒径较大的相邻层，即要求满足D15/d85≤(4～5)。

4.2.2 排水准则

反滤层有良好的透水性，D15/d15≥5。

从安全角度出发，排水准则宜取大，保土准则宜取小，各尾矿土的控制指标见表3。

表3 《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》砂砾料反滤层计算汇总

4.3 美国水道试验公式

4.3.1 保土性要求

对于被保护土的反滤料，要求满足D15/d85<5，D15/d15<20；D50/d50<25(不均匀系数Cu=6时，D50/d50=25)。

4.3.2 透水性要求

D15/d15>(4～5)，该项要求同上述2个准则，计算均小于0.1 mm，以用0.1 mm为宜。

4.3.3 控制指标选取

透水性要求取0.1 mm，保土性选小的安全，各尾矿土控制指标见表4。

表4 美国水道试验公式砂砾料反滤层计算汇总

通过以上计算，各尾矿库尾矿土满足透水性要求的D15=0.1 mm，满足保土性准则的D15=0.062～0.14 mm。

4.4 水科院刘杰黏土反滤层公式

黏性土的反滤层设计一般分为分散土和非分散土，由于尾矿水中含有大量K+、Ca2+、Mg2+离子，因此，不考虑土的分散性，刘杰[7]提出公式

(3)

(4)

(5)

式中，eL为土体处于液限状态的孔隙比；GS为土粒密度，g/m3；WL为液限含水率，以小数计；J为抗渗强度与反滤层反滤料粒径间的关系。

各尾矿库尾矿土的液限含水量可查相关资料，WL均值、最大值、最小值见表5。

表5 各尾矿土的液限含水量 %

以液限含水率均值查表6，反滤层D20见表7。

表6 刘杰提供D20建议值

表7 各尾矿土反滤层D20统计

5 土工织物反滤准则计算

5.1 《土工合成材料应用技术规范》设计准则

5.1.1 保土性

保土性计算公式为

(6)

式中,O95为土工织物等效孔径,mm；B为系数，按工程经验确定。

当d≤0.075 mm含量>50%，无纺织物B=1.8，所以O95≤1.8D85。

5.1.2 透水性

透水性计算公式为

(7)

式中,Kg为土工织物的渗透系数，cm/s；Ks为被保护土的渗透系数，cm/s;A为系数，不宜小于10，当来水量、水力梯度高时取大值。

5.1.3 防堵性

防堵性计算公式为

(8)

式中，符号意义同前。

5.1.4 其他要求

(1)被保护土易管涌，具分散性，水力梯度高，流态复杂,Ks≥1.0×10-5cm/s时，应以现场土料作试样和拟选土工布进行淤堵试验，应得到梯度比GR≤3。

(2)对于大中型工程及被保护土Ks≤1.0×10-5cm/s的工程，应以拟用土工织物和堆场土料进行室内的长期淤堵试验，验证其防堵有效性。

(3)遇往复水流且水量较大时，应选择较厚土工织物或采用砂砾料与土工织物的复合反滤层。

各尾矿土的土工织物O95汇总见表8。

表8 各尾矿土的土工织物O95控制范围汇总

5.2 《火力发电厂灰渣筑坝设计规范》设计准则

规范要求

(9)

(10)

Kg>25Ks,

(11)

(12)

利用已知数据即可确定O95(表9)。

表9 各尾矿土的土工织物O95控制范围汇总

由于土工织物产品O95=0.07～0.2 mm，满足透水准则。

6 结果分析

(1)各公式满足反滤层排水的粒度D15计算结果均小于0.1 mm，《碾压式土石坝设计规范》建议不小于0.1 mm，取0.1 mm是安全的。从排水角度来看，反滤层的粒度愈小，排水效果愈差，且容易淤堵。

(2)根据《碾压式土石坝设计规范》计算满足保土要求的反滤层粒度D15=0.603～0.7 mm；按《火力发电厂灰渣坝设计规范》计算D15=0.268～0.7 mm，美国水道试验公式计算D15=0.062～0.14 mm，中国水科院刘杰公式计算D15=0.5 mm。由上述结果统计看，有的尾矿库保土计算的D15甚至比上述排水要求0.1 mm还小，这显然不合理；从保土的角度出发，D15愈小愈安全，应根据各尾矿库的入库尾矿粒度情况具体运用。

(3)土工织物反滤层淤堵梯度比GR≤3，土工织物等效孔径O95=0.07～0.2 mm，土工织物反滤层是满足透水准则的，主要是满足保土要求。