矿山排土场堆石盲沟断面计算方法探讨.doc

描述：堆石盲沟在矿山排土场中的应用时间较短，目前尚无一种通用的断面计算方法，实际应用中依据工程经验采用类比法确定的断面易偏离实际使用需求。 本文分析了排土场渗流特点，建立并简化了沟谷型排土场沟底渗流补给的概.摘要堆石盲沟在矿山排土场中的应用时间较短，目前尚无一种通用的断面计算方法，实际应用中依据工程经验采用类比法确定的断面易偏离实际使用需求。 本文分析了排土场渗流特点，建立并简化了沟谷型排土场沟底渗流补给的概念模型，结合哲才定律（A.Chezy）推演出一种可供借鉴的矿山排土场堆石盲沟断 面计算方法。1前言堆石盲沟是一种采用渗透方式将工作区或以下较浅的大面积地下水汇集于沟内，并沿沟把水排到指定地点的渗沟。堆石盲沟在矿山排土场中的应用时间较短，目前尚无一种通用的断面计算方法，实际应用中依据工程经验采用类比法确定的断面易偏离实际使用需求。本文分析了排土场渗流特点，建立并简化了沟谷型排土场沟底渗流补给的概念模型，结合哲才定律（A.Chezy）推演出一种可供借鉴的矿山排土场堆石盲沟断面计算方法。2排土场沟底渗流补给的概念模型排土场是大气降水的滞水蓄水体（参考文献1），其沟底渗流的补给来源主要为大气降水和基底泉眼或面渗流。在排土场表面和沟底渗流之间隔着包气带，大气降水落到土场表面后，其水量需通过包气带运移才能补给排土场沟底渗流。基于上述分析，借鉴王运敏等（2011）对排土场降雨入渗概念模型的表述，排土场沟底渗流补给的理想化模型如图1所示。直接降落在排土场表面的水量R和降落在排土场外但由于坡面径流流入排土场的水量P（排土场边界与场外截洪排洪设施之间的坡面径流），产生径流PM。PM一部分在土场表面形成径流Ec经由平台截洪沟排出场外，其余部分（PM-Ec）全部渗入土场内。将包气带为持水体，入渗的水量（PM-Ec）渗入包气带后，加上原来包气带的持水量L，包气带持水量变成L+L，当其值大于包气带最大持水量LFC以后，多余的部分将继续下渗，补给沟底渗流。渗入排土场的水量（PM-Ec）在补给沟底渗流的过程中可能与土场基底裂隙水之间出现双向补给。排土场沟底渗流从排土场所在沟谷上游向下游移动的过程中可能与裂隙水之间出现双向补给。沟底渗流可以裂隙水的形式，绕过排土场坡脚在其下游排泄。系统蒸发量为EQ。从上述分析可以看出，排土场沟底渗流补给系统比较复杂。实际工程应用中，通常可不考虑大气降水对沟底渗流补给的过程，忽略次要因素，以简化模型。简化后的排土场沟底渗流补给概念模型如图2。排土场坡脚出渗量Q渗包括基底泉眼或面渗流排泄量中不直接受降雨量影响的量Qy和大气降水对沟底渗流的补给量（P+R）-Qs（Qs为一综合量，包括系统蒸发量、地下水储量的增量及通过其它途径排泄的量等）两部分。综上，一年内排土场坡脚的出渗量Q渗可表达为Q渗 =31536000Qy +（P+R）- Qs （2-1）式中（P+R）- Qs可表示为aqs，a为大气降水对排土场沟底渗流的补给系数（无量纲），q为多年平均年降雨量（m），s为排土场入渗汇流面积（）。则Q渗可表达为Q渗 = 31536000Qy + aqs （2-2）式中，Qy量纲为m3/s，其余符号含义及量纲同上。3堆石盲沟断面计算3.1堆石盲沟的过流能力排土场堆石盲沟内的渗流多为紊流，遵循哲才定律（A.Chezy），过流能力可表达为Q过 = k （3-1）式中，Q过为堆石盲沟通过的流量（m3/s），为堆石盲沟断面积（），k为堆石盲沟堆石填筑体的渗透系数（m/s），i为堆石盲沟的纵坡。3.2堆石盲沟需求过流能力的确定由式2-2可知，排土场坡脚的渗出量主要受降雨补给及泉眼渗出补给两个因素的影响，盲沟的需求过流能力可针对这两个因素分别分析。对泉眼渗出 补给而言，其量一般较小，且可看作是一恒量，针对该因素的需求过流能力宜考虑为与泉眼的即时补给量相等；对降雨补给而言，其量通常以年为单位呈周期性变 化，可看作一恒量，结合工程经验，针对该因素的需求过流能力宜考虑为在20天内排出一年降雨的补给量。据此，盲沟的需求过流量可表达为：Q需 = Qy + （3-2）式中，Q需量纲为m3/s，其余符号含义及量纲同上。3.3堆石盲沟断面积的计算基于上述堆石盲沟过流能力及需求过流能力分析，可建立如下等式k = Qy + （3-3）由式3-3可得= （3-4）式中，为堆石盲沟断面积（m2），a为年大气降水对沟底渗流的补给系数，q为多年平均年降雨量（m），s为排土场入渗汇流面积 （m2），Qy为泉眼或面渗流排泄量中不直接受降雨量影响的部分（m3/s），k为堆石盲沟堆石填筑体的渗透系数（m/s），i为堆石盲沟的纵坡。年大气降水补给系数a年大气降水补给系数a= Q渗 /（P+R），式中Q渗为年排土场坡脚出渗量，对无泉眼或面渗流进入土场，其值可直接通过测量获得；（P+R）为排土场入渗汇流区域年均降雨量，其值等于qs。新建排土场的a值只能通过模型试验或采用类比法进行预测。据已有的实测数据，对于冶金矿山排土场，文星期刊论文发表网a值一般介于0.60.9之间。对于既无条件开展模型试验，又无类似排土场可供参考的新建排土场，出于安全考虑，其a值可按0.9计。多年平均年降雨量q可通过查询当地水文资料获得。 排土场入渗汇流面积ss为排土场自身面积（s1）和排土场边界与场外截洪排洪设施之间的坡面面积（s2）两部分之和，即s=s1+s2。泉眼或面渗流排泄量中不直接受降雨量影响的部分Qy对于新建排土场Qy值可通过旱季末对沟内径流的测量获得。堆石盲沟堆石填筑体的渗透系数k堆石盲沟渗流速度v可表达为v= （3-5）式中，v为堆石盲沟渗流速度（m/s），C为流速系数（cm）C=20-14/d，n为盲沟连通孔隙率（对于经压实的盲沟，n一般介于1525%之间），d为盲沟堆石的平均粒径（），i为盲沟坡度。结合哲才定律（A.Chezy），可建立如下等式k = （d6cm） （3-6）由式3-6可得k= （d6cm） （3-7）式中，各符号含义及量纲同上。堆石盲沟的纵坡i对于纵坡变化不大的盲沟其纵坡i可采用整条盲沟的分段加权平均值。纵坡变化大的盲沟应分段计取其纵坡i值。综上，堆石盲沟断面积计算公式可表达为= （d6cm） （3-8）式3-8适用于常规岩土混排的沟谷型矿山排土场，式中符号含义及量纲同上。4工程实例工程实例为白马铁矿号排土场。该排土场为一山沟型汽车排土场，沟底盲沟断面积为7 m2。从近几年的使用情况来看，设计设置的盲沟可满足排土场排渗需求。根据相关资料，按本文确定的盲沟断面计算方法，相关计算参数见表1。采用表1所列计算参数，按式3-8进行计算，= 6.14m2。计算出的盲沟断面积6.14 m2接近于工程实际设置的盲沟断面积7 m2，说明该排土场本文推演的盲沟断面计算方法符合工程实际；计算所得盲沟断面积小于实际盲沟断面积说明