辐射井自流排渗技术在尾矿坝治理加固上的应用

范仕勇 崔良忠 马文 李小忠（安徽地矿建设工程有限责任公司）

一、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。

二、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。

（一）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。

(二)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。

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50m。

（三）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。

三、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：

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，井径4400mm，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：

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：

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，辐射井自流排渗技术在大坝降渗方面具有无可比拟的优势。

四、结语

（一）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。

（二）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

（三）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。

（四）为增强排渗效果，可以采用垂直排渗和水平排渗对接的立体排渗系统。垂直排渗采用的塑料排水板，可穿透相对隔水层，沟通上下含水层，提高垂直渗透能力。排水板埋设位置在滤管中段的两侧和平行坝轴方向，埋设深度在水平滤水管的上部0.5 m左右。

（五）辐射井井筒可以随着坝体的加高而加高，并在井内增设水平滤水管，加大辐射井的使用效率，节约投资。

（六）辐射井的井径不宜减小，否则将限制钻机的体积，从而影响钻进性能。而大口径的水平滤水管和导水管，又是防止发生瘀堵现象的保证。从工程实践来看，我公司施工的辐射井自流排渗系统，最长已正常运行12年，未发生瘀堵现象。

（七）坝体的渗流变形破坏多起因于坝内地下水控制不当，特别是加高扩容工程的实施，使整个坝体浸润曲线持续上升。如果没有合适的降水排渗措施，势必使坝面出现侵蚀、管涌、坍滑、沼泽化等不稳定现象。辐射井自流排渗措施应和坝体的加高工程同时设计、同时施工，避免坝体出现险情后再考虑降水。