岩溶区排泥库地下水导排方案

骆巍

摘要：广西岩溶区雨水丰富且季节性差异大，地下水位的涨落对排泥库库底产生顶托力和负压力，因此必须采取有效可靠的工程措施消除地下水骤升骤降对库底人工防渗层的作用力，才能保证排泥库的库底安全。通过分析某排泥库的工程地质和水文地质，设计一套地下水导排系统，雨季排出上涨地下水，旱季消除负压力。经过一个水文年的检验，该地下水导排系统运行良好，为类似项目提供了设计经验。

关键词：岩溶区；排泥库；地下水导排

1. 前言

目前我国广西已建成排泥库约14座，在排泥库技术^[1]发展成熟前，出现了多次较大的库底泥浆泄漏事故，严重影响了当地人民群众的正常生产生活。地下水位的骤升骤降是导致库底泄漏的重要因素之一，雨季地下水上涨时，将在局部岩溶通道内产生较大的气压或水压力，对库底防渗膜产生顶托力，严重时会发生气爆从而破坏防渗膜引发泄漏；雨季结束进入旱季时水位下降，局部岩溶通道内产生负压力，同样可能引发库底泄漏事故。科学合理的设置地下水导排系统可有效消除地下水位涨落对库底造成的不利影响。

2. 排泥库主要工程地质和水文地质概况

2.1 工程地质

该排泥库库址地质条件十分复杂，库内岩溶发育，两条区域性断层（F4和F9）和一条派生断层（F9-1）穿过库区, F4断层受北东-南西向的F9断层在库区内错段，分为F4-1断层和F4-2断层。库内断层活动时代均为中更新世中晚期，晚更新世以来不活动。F4-1和F4-2沿断层走向上陡坎发育，裂隙多以垂直发育，溶洞呈串珠状分布，具有导水性；F9断层内部具分带现象，多组次级断面发育，平行排列或与主断面走向大角度相交，断裂带内多被角砾岩或方解石充填胶结，具有相对隔水性；次级断层F9-1与F9走向基本平行，后期主要表现为走滑断裂性质，沿线裂隙劈理较为发育，岩芯局部较为破碎。

图1 排泥库断层平面分布图 图2 雨季库底淹没实景图

2.2 水文地质

库址所在区域地下水流向为西北流向东南，库区地下水水源主要来自库区外围西北侧一带的地下水及周边雨水。由于F4断裂具有导水性，而F9断裂具有阻水性，导致地下水在库区北段径流不畅，在北段库区内沿岩溶构造发育的软弱地带以季节性泉方式涌出，并在北侧洼地积聚。库区南侧洼地的积水主要来源于降雨以及北北侧洼地漫流补给。由于南侧库区排泄通道不畅，雨季库底积水深度最高达15m。

3. 地下水导排系统设计

3.1 地下水导排系统平面布置

地下水导排系统包括隧洞、地下水直排系统和地下水排渗系统。根据地下水来水方向和库底积水区域将库底分为4个独立区域，将隧洞延伸至各区域内最低处；各区域设置独立的地下水直排系统：地下水主要出水泉眼预埋排水管，出地表后就近组合接入一根直排主管，各区域的直排主管各自独立顺地形自流接入隧洞中；在各区域的最低处设置地下水排渗系统，系统由土工布包碎石-开孔排水管形成，主管接入隧洞内，将裂隙渗出地下水排入隧洞内。

3.2 地下水导排系统排水能力设计

该排泥库总库容4000×10⁴m³，有效库容3900×10⁴m³，属三等库，设防标准按500年一遇。

3.2.1 隧洞排水能力设计

隧洞排水能力按设防标准地下水来水量和矿泥澄清水边坡渗水量总和设计。

（1）地下水：根据工勘实测库底各季节泉眼来水量和气象水文资料，按地下水来水量与日降雨量同频率推算500年一遇降雨时地下水最大洪峰流量为Q= 9.31 m³/s。

（2）库内边坡渗水量：排泥库运行后，矿泥中的澄清水一部分自排水井从隧洞内排出，一部分透过边坡土工布下渗后通过排渗管从隧洞排出。根据相邻排泥库的运行情况采用类比法计算边坡渗水流量约0.067m³/s。

根据上述分析，库底水流量合计为9.38m³/s。设计隧洞净断面1.5×1.8m，总长约1800m，平均坡度1.5%，隧洞出口明渠断面2.0×1.8m，平均坡度2.8%。按明渠均匀流计算主隧洞和明渠最大过流能力分别为13.63m³/s和22.79m³/s，均满足排水要求。

表1 隧洞泄流能力计算结果表

高	宽	过水断面面积	过水断面周长	水力半径	糙率	舍齐系数	渠道底坡	断面平均流速	流量
H（m）	B（m）	A（㎡/s）	C1（m）	R（m）	n	C	i	V（m/s）	Q（m³/s）
0.2	1.5	0.30	1.90	0.158	0.013	56.55	0.015	2.75	0.83
0.4	1.5	0.60	2.30	0.261	0.013	61.49	0.015	3.85	2.31
0.6	1.5	0.90	2.70	0.333	0.013	64.05	0.015	4.53	4.08
0.8	1.5	1.20	3.10	0.387	0.013	65.67	0.015	5.00	6.00
1.05	1.5	1.58	3.60	0.438	0.013	67.02	0.015	5.43	8.55
1.2	1.5	1.80	3.90	0.461	0.013	67.60	0.015	5.62	10.11
1.4	1.5	2.08	4.33	0.481	0.013	68.08	0.015	5.78	12.02
1.6	1.5	2.32	4.84	0.480	0.013	68.06	0.015	5.77	13.39
1.7	1.5	2.41	5.17	0.465	0.013	67.72	0.015	5.66	13.63

表2 明渠过流能力计算结果表

3.2.2 排水管排水能力设计

按地下水来水量与日降雨量同频率计算，500年一遇降雨时季节泉泉眼出水量约为勘察提供出水量的3倍，故各分区直排系统管道尺寸按勘察实测水量的3倍设计。除此之外，施工期库底开挖出新的涌水洞应按相同标准设置地下水直排管导入隧洞内，并由设计现场计算确定。

3.3 地下水导排系统结构设计

该库最大深度为140m，排泥库运行后地下水导排系统终将深埋地下。系统管道采用无缝钢管，型号包括DN219×8、DN325×12、DN500×14和DN711×18；钢管外部包钢筋混凝土结构层，钢混结构按140m荷载设计；基础要求为基岩，标高低于设计的采用混凝土回填至设计标高，防止运行后管道产生不均匀沉降。

图3 地下水导排系统平面布置 图4 排水管结构图

图5 地下水直排系统主管道施工 图6 地下水排渗系统施工

4. 系统运行

地下水导排系统和库底防渗层施工完成后，业主要求库底必须经历一个雨季检验确保系统有效后方能进行试生产。雨季来临后该系统运行良好，有效的排出地下水，库底未再出现淹没现象；后经过3个月试生产，除系统排水量略有增加外均运行良好。

图7 试运行时系统排水实景图

5. 结束语

本文通过分析排泥库的工程地质和水文地质条件，推算符合设防标准的地下水来水量，分片区进行地下水导排系统的精细化设计，以求在源头及时将地下水收集排出，雨季释放库底的水压力和气压力，旱季消除真空吸附力，保证了库底安全。经过一个雨季的检验和3个月试运行，该系统运行良好。此次该系统为首次应用于排泥库工程，为类似项目提供了宝贵设计经验。

参考文献

1. 杨少辉. 铝土矿山排泥库环境风险分析及防范措施[J]. 世界有色金属, 2019(7)

2. 李建斌, 康学涛, 郑栋材. 岩溶排泥库详细岩土工程勘察改进设想[J]. 西部探矿工程, 2014, 26(1).

3. 李虎章, 宋园生, 王建辉. 某排泥库泥浆泄漏抢险的技术救援尝试[J]. 水利水电技术, 2013, 44(3)

4. 姚承余. 靖西陇峒排泥库地下水示踪试验研究与分析[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2016(11)