CN104452789A

CN104452789A - 一种均质粘土灰坝排渗系统

Info

Publication number: CN104452789A
Application number: CN201410695435.2A
Authority: CN
Inventors: 丁玉玺; 付俊芳; 冀健红; 李兴; 李益; 任威威
Original assignee: Hennan Electric Power Survey and Design Institute
Current assignee: Hennan Electric Power Survey and Design Institute
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-03-25

Abstract

一种均质粘土灰坝排渗系统，包括至少一个排渗单元，所述排渗单元又包括集水井、砂井、PVC排渗管和导水钢管，所述集水井设置在灰坝下游坝坡上，在平面上，各集水井可不在一条直线上，在集水井两侧各布置至少三口砂井，在平面上，所述砂井和集水井应在一条直线上；在集水井两侧、沿竖向各布置至少三根PVC排渗管；由集水井往灰坝下游方向引出一根导水钢管，所述PVC排渗管和导水钢管应与集水井相连，PVC排渗管应贯穿集水井两侧的砂井。本发明能够解决传统排渗系统存在的问题，可用于均质粘土灰坝加高或除险加固工程，具有排渗能力强、淤堵速度慢、适应性广、易于维护、便于检修等特点。

Description

一种均质粘土灰坝排渗系统

技术领域

本发明涉及一种应用于燃煤发电厂均质粘土灰坝加高或除险加固工程中的组合式排渗系统。

背景技术

贮灰场是燃煤发电厂的主要生产设施之一，用来存放燃煤发电厂排出的粉煤灰和炉渣。灰坝是贮灰场的重要构筑物之一，随着贮灰场的建设规模越来越大，灰坝的等级也越来越高。一般情况下，灰坝是燃煤发电厂的重大危险源之一，一旦失事，不仅危及贮灰场下游生命、财产的安全，而且影响燃煤发电厂的正常运行，从而造成重大损失。近几年发生的尾矿库溃坝事故已为我们敲响了警钟，对灰坝安全性也应予以高度重视。

在灰坝设计过程中，不但要做到安全适用、技术先进、经济合理，而且要满足国家的产业政策。灰坝的设计理论经历了不透水坝、透水坝、设排渗体的不透水坝三个时期，经过几代工程技术人员的不懈努力，灰坝的设计理论已日趋完善。灰坝的坝型有土坝、土石混合坝、堆石坝、浆砌石坝等，以土坝、土石混合坝居多。对灰坝，渗流稳定和抗滑稳定至关重要，从大量的灰坝、尾矿坝事故调查报告可以看出，灰坝、尾矿坝失事大多是由于渗流破坏或边坡失稳造成的。

均质粘土灰坝是采用粘土填筑而成的。由于粘土的渗透性较弱，所以只有合理设计灰坝的排渗系统，才能将灰坝的浸润线控制在安全范围内，从而保证灰坝的渗流稳定和抗滑稳定。一般情况下，压实粘土的渗透系数在10^-6～10^-7cm/s范围内；致密粘土的渗透系数小于10^-7cm/s。均质粘土灰坝传统的排渗系统有排渗棱体、排渗褥垫、排渗管、排渗减压井等。

排渗棱体设置在灰坝上、下游坝趾处，用块石填筑而成，在棱体与坝体和坝基之间需设置反滤层。棱体顶部高程应超出下游最高水位，并使坝体浸润线至坝坡的距离大于冰冻深度。堆石棱体内坡坡度一般为1:1.25～1:5，外坡坡度一般为1:1.5～1:2.5。顶部宽度应根据施工条件及运行需要确定，但不得小于1.0m。排渗棱体可有效降低坝体浸润线，防止坝体渗透变形，能够保护灰坝坝趾不受淘刷，有增强坝体稳定的作用。排渗棱体主要缺点为：石料用量较大，费用较高；容易淤堵；维护、检修比较困难；必须与灰坝同步施工；无法用于灰坝加高或除险加固工程。

排渗褥垫设置在灰坝下游坝趾处，并伸入坝体内部，用块石填筑而成，厚度一般为0.4～1.0m，在褥垫与坝体和坝基之间需设置反滤层。褥垫伸入坝体内的长度应通过渗流计算确定，一般为1/2～1/4坝底宽度。当下游水位低于褥垫顶标高时，其降低坝体浸润线的效果显著，且利于坝基排水固结。排渗褥垫可有效降低坝体浸润线，防止坝体渗透变形。排渗褥垫主要缺点为：当坝基产生不均匀沉降时，褥垫排水层将发生断裂，从而导致其排渗能力降低或丧失；容易淤堵；无法维护、检修；必须与灰坝同步施工；无法用于灰坝加高或除险加固工程。

排渗管由集水管和排水管组成。集水管一般设置于坝底中部附近，且平行于坝轴线，集水管可采用带孔的陶瓦管、混凝土管或钢筋混凝土管，也可采用碎石堆筑而成。集水管用于收集坝体渗水。排水管垂直于坝轴线布置，间距为15～20m，排水管可将集水管收集的渗水排至灰坝下游。排渗管的优缺点与排渗褥垫相似，排渗效果不如排渗褥垫，但用料较少。排渗管一般用于灰坝岸坡及台地处，因这里坝体下游经常无水，排水效果较好。

排渗减压井由减压井和出水管组成。当坝基表层弱透水层较厚或透水层的成层性较显著时，可采用排渗减压井。减压井的井管打入强透水层后，井管可将渗入坝基的水收集在一起，并由出水管排至灰坝下游。减压井通常布置在靠近下游坝趾处。减压井间距一般为15～30m，井管内径宜大于150mm。出水管出口高程应尽量低，一般为高出排水沟沟底面0.3～0.5m。减压井井管由沉淀管、进水花管和导水管三部分组成，渗水由进水花管四周孔眼进入管内，经出水管流入排水沟，进入管内的土粒则依靠自身重量沉淀于井管底部。排渗减压井可有效降低坝体浸润线，防止坝体渗透变形。排渗减压井主要缺点为：工程量较大，费用较高；容易淤堵；维护、检修比较困难；当用于灰坝加高或除险加固工程时，施工非常困难。

综上所述，传统的排渗系统主要存在以下问题：（1）在灰坝运行初期，排渗效果较好，但随着使用年限的增加，粘土细小颗粒或灰水中的化学物质对排渗体产生淤堵，使排渗体的排渗能力逐渐减弱，直至丧失，从而导致灰坝的浸润线升高，安全度降低。（2）维护、检修比较困难，有的排渗系统根本无法维护、检修。（3）灵活性、适应性较差，有的排渗系统必须与灰坝同步施工；有的排渗系统无法用于灰坝加高或除险加固工程。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决传统排渗系统存在的问题，可用于均质粘土灰坝加高或除险加固工程，具有排渗能力强、淤堵速度慢、适应性广、易于维护、便于检修等特点的组合式排渗系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种均质粘土灰坝排渗系统，包括至少一个排渗单元，所述排渗单元又包括集水井、砂井、PVC排渗管和导水钢管，所述集水井设置在灰坝下游坝坡上，在平面上，各集水井可不在一条直线上，在集水井两侧各布置至少三口砂井，在平面上，所述砂井和集水井应在一条直线上；在集水井两侧、沿竖向各布置至少三根PVC排渗管；由集水井往灰坝下游方向引出一根导水钢管，所述PVC排渗管和导水钢管应与集水井相连，PVC排渗管应贯穿集水井两侧的砂井。

所述排渗单元根据灰坝的建设规模和排渗要求进行布置，不受灰坝平面布置和断面尺寸的限制，所述各排渗单元可以自成体系，也可以串联在一起，共同作用。

所述集水井采用圆形断面，内径应满足PVC排渗管及导水钢管的布置和施工要求，取3.0～5.0m。集水井的顶部标高应高出所处坝坡面，取0.3～0.5m；底部标高应通过渗流计算确定。集水井的间距需综合考虑排渗能力、造价、施工、维护、检修等因素，取60.0～120.0m。集水井采用钢筋混凝土结构，沉井法施工。集水井的作用是：为PVC排渗管和导水钢管的施工提供作业面；收集PVC排渗管排出的渗水。

所述砂井采用圆形断面，直径为1.0～2.0m。砂井的顶部标高与所处坝坡面标高一致，间距和底部标高应通过渗流计算确定。砂井回填材料采用中砂。中砂的颗粒粒径不大于0.5mm，且粒径大于0.25mm、小于0.5mm的颗粒含量不小于75%。在砂井井壁与回填材料之间设置一层土工布。砂井井口采用粘土封堵，封堵厚度为3.0～6.0m。砂井的成孔设备采用旋挖钻机。砂井的作用是：加大砂井控制区域灰坝坝体的渗透性；提高PVC排渗管的排渗能力；延缓PVC排渗管的淤堵。

所述PVC排渗管的规格和根数应通过渗流计算确定。PVC排渗管的外径为100～150mm，壁厚为10～12mm，进口与出口之间的坡降为2～5%。PVC排渗管外表面应包两层土工布。PVC排渗管上的滤水孔按等腰三角形布置，滤水孔直径为20～25mm，开孔率为7.5～12.5%。PVC排渗管采用顶管法施工。PVC排渗管的作用是：收集流入砂井的渗水，并将收集的渗水排至集水井。

所述导水钢管的内径、进口标高和出口标高应通过水力计算确定。为了防止导水钢管发生淤堵，其进口与出口之间应有一定的坡降，取1%～5%。导水钢管规格的选择需考虑过流能力、施工、腐蚀等因素。导水钢管采用顶管法施工。导水钢管的作用是：排出流入集水井的渗水。

根据贮灰场的运行工况、岩土工程勘察资料和排渗系统布置方案，对灰坝的渗流稳定和抗滑稳定进行试算，通过试算，确定本发明的相关设计参数。

在工程建设过程中，应先施工集水井，再施工导水钢管，最后施工PVC排渗管；砂井应在PVC排渗管施工前完成。

在运行过程中，如PVC 排渗管淤堵，排渗效果降低，应用反冲洗法对其进行修复；如PVC排渗管完全失效，应对其进行更换。

本发明具有以下优点：

（1）排渗能力强，排渗效果显著。本发明用砂井加大了局部坝体的渗透性，提高了PVC排渗管的排渗能力，不但可以对初期坝排渗系统进行补强，以降低灰坝浸润线，而且可以加快坝前灰渣的固结，为后期灰渣筑坝创造有利条件，以延长贮灰场使用寿命。

（2）布置灵活，适应性强，可用于均质粘土灰坝加高或除险加固工程。本发明不但可用于灰坝加高或除险加固工程，也可用于灰坝的初期建设。本发明的各排渗单元可根据灰坝的建设规模和排渗要求进行布置，不受灰坝平面布置和断面尺寸的限制。若干排渗单元可以自成体系，也可以串联在一起，共同作用。

（3）淤堵速度慢，使用寿命长。本发明从过滤材料和排渗管布置形式两方面，提出了减缓排渗系统淤堵速度的措施。本发明砂井中的过滤材料为中砂，中砂将减缓砂井外土颗粒堵塞排渗管滤孔的速度。本发明采用PVC排渗管进行排渗。在运行过程中，如PVC排渗管淤堵，排渗效果降低，可用反冲洗法对其进行修复；如个别PVC排渗管完全失效，不可修复，可对其进行更换，从而延长排渗系统的使用年限。

（4）易于维护，便于检修。本发明的构筑物全部位于灰坝内，外部环境对其影响很小，便于日常维护。本发明检修也非常方便，只要将PVC排渗管出口封堵，即可在集水井内完成检修工作。

（5）社会、经济、环境保护等综合效益显著。本发明很好的解决了传统排渗系统的局限性，对灰坝设计理论的发展具有推动作用，必将产生一定的社会效益。在灰坝加高或除险加固工程中，本发明经济效益显著。发明者曾将本发明的初步技术方案应用于某工程，通过经济比较得出：使用本发明后，该工程综合造价约降低15～20%。本发明的构筑物全部位于灰坝内，无论是施工期，还是运行期，其对外部环境的影响都很小。

附图说明

图1为本发明的平面布置图；

图2为本发明的纵向剖面图；

图3为本发明的横向剖面图；

图4为本发明的PVC排渗管滤水孔布置图；

图5为本发明的PVC排渗管横向剖面图。

具体实施方式

一种均质粘土灰坝排渗系统，包括至少一个排渗单元1，所述排渗单元1又包括集水井2、砂井3、PVC排渗管4和导水钢管5。所述集水井2设置在灰坝下游坝坡上，在平面上，各集水井2可不在一条直线上，在集水井2两侧各布置至少三口砂井3，在平面上，所述砂井3和集水井2应在一条直线上；在集水井2两侧、沿竖向各布置至少三根PVC排渗管4；由集水井2往灰坝下游方向引出一根导水钢管5，所述PVC排渗管4和导水钢管5应与集水井2相连，PVC排渗管4应贯穿集水井2两侧的砂井3。所述粘土灰坝排渗单元1根据灰坝的建设规模和排渗要求进行布置，不受灰坝平面布置和断面尺寸的限制。

所述集水井2采用圆形断面，内径满足PVC排渗管4及导水钢管5的布置和施工要求，集水井2的顶部标高高出所处坝坡面，间距和底部标高应通过渗流计算确定，集水井2采用钢筋混凝土结构。所述集水井2的内径为3.0～5.0m，顶部标高高出所处坝坡面为0.3～0.5m，间距为60.0～120.0m。所述砂井3采用圆形断面，直径为1.0～2.0m，砂井3的顶部标高与所处坝坡面标高一致，间距和底部标高应通过渗流计算确定，砂井3回填材料采用中砂6，中砂6的颗粒粒径不大于0.5mm，且粒径大于0.25mm、小于0.5mm的颗粒含量不小于75%，在砂井3井壁与回填材料之间设置一层土工布7，砂井3井口采用粘土封堵，封堵厚度为3.0～6.0m。

所述PVC排渗管4的规格和根数应通过渗流计算确定，PVC排渗管4的外径为100～150mm，壁厚为10～12mm，进口与出口之间的坡降为2～5%，PVC排渗管4外表面应包两层土工布7。

所述PVC排渗管4上的滤水孔8按等腰三角形布置，滤水孔8直径为20～25mm，开孔率为7.5～12.5%。所述导水钢管5的内径、进口标高和出口标高应通过水力计算确定，导水钢管5进口与出口之间的坡降为1%～5%。

在工程建设过程中，应先施工集水井2，再施工导水钢管5，最后施工PVC排渗管4；砂井3应在PVC排渗管4施工前完成。

在运行过程中，如PVC 排渗管4淤堵，排渗效果降低，应用反冲洗法对其进行修复；如PVC排渗管4完全失效，应对其进行更换。

某灰坝采用灰渣筑坝、分期建设方式，即先修建初期坝，后根据贮灰需要采用灰渣逐级加高。现已建成初期坝、一级子坝、二级子坝和三级子坝。初期坝为均质粘土坝，其高度为49.0m；上游坝坡平均坡度为2.51；下游坝坡平均坡度为3.48；坝顶宽度为5.0m。初期坝排渗系统由三部分构成：一是上游坝趾排渗棱体；二是坝底中部排渗管；三是下游坝趾排渗棱体，排渗系统前两部分收集的渗水通过6根DN250排渗钢管导至灰坝下游。初期坝于1988年施工完毕并投入使用。初期坝经三次加高后，灰坝总高度增至70.0m；下游坝坡平均坡度调整为3.74；坝顶宽度调整为6.5m。

由于受初期坝排渗系统淤堵严重、坝前灰面不断升高、库尾排灰导致坝前干滩过短等因素的影响，导致该灰坝浸润线不断升高，特别是左、右两端坝段。为了保证该灰坝的渗流稳定和抗滑稳定，必须对其进行除险加固。经技术、经济比较后，确定采用本发明的技术方案对该灰坝的排渗系统进行改造。具体内容如下：

在初期坝左端坝段、215.0马道上布置两口集水井2，集水井2的间距为110.0m；在初期坝右端坝段、215.0马道上布置一口集水井2。集水井2采用圆形断面，内径为3.5m。集水井2底部标高为182.0m；顶部标高为215.4m，高出所处坝坡面为0.4m。集水井2采用钢筋混凝土结构，沉井法施工。所述集水井2的内径还可以为3.0m、4.0m、4.5m、5.0m；顶部标高可以高出所处坝坡面还可以为0.3m、0.5m；距离还可以为60m、70m、80m、90m、100m、120m。

如图1、图3所示，由集水井2往灰坝下游方向引出一根Φ127×6导水钢管5。导水钢管5进口标高为187.264m，出口标高为185.0m，长度为113.2m，进口与出口之间的坡降为2%。导水钢管5采用顶管法施工。所述导水钢管5进口与出口之间的坡降还可以为1%、3%、4%、5%。

如图1、图2所示，在集水井2两侧各布置十三口砂井3，在平面上，所述砂井3和集水井2在一条直线上。砂井3采用圆形断面，直径为1.5m。砂井3间距为4.0m，底部标高为182.0m，顶部标高为215.0m。砂井3回填材料采用中砂6。中砂6的颗粒粒径不大于0.5mm，且粒径大于0.25mm、小于0.5mm的颗粒含量不小于75%。在砂井3井壁与回填材料之间设置一层400g/m²土工布7。砂井3井口采用粘土封堵，封堵厚度为6.0m。砂井3采用旋挖钻机进行成孔。所述砂井3的直径还可以为1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m、2.0m；井口粘土封堵厚度还可以为3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m。

如图1～图5所示，在集水井2两侧、沿竖向各布置六根PVC排渗管4。所述PVC排渗管4贯穿集水井2两侧的砂井3，并与集水井2相连。PVC排渗管4长度为52.0m；间距为1.5m；规格为Ф100×10；进口与出口之间的坡降为2.5%。PVC排渗管4上的滤水孔8按等腰三角形布置，滤水孔8直径为20mm，开孔率为9.0%。PVC排渗管外表面包两层400g/m²的土工布7。PVC排渗管4采用顶管法施工。所述PVC排渗管4的外径还可以为110mm、120mm、130mm、140mm、150mm；壁厚还可以为11mm、12mm；进口与出口之间的坡降还可以为2.0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。PVC排渗管4上的滤水孔8直径还可以为21mm、22mm、23mm、24mm、25mm；开孔率还可以为7.5%、8.0%、8.5%、9.5%、10.0%、10.5%、11.0%、11.5%、12.0%、12.5%。

如图1～图5所示，本发明的渗水流向依次为：灰坝坝体→砂井3→PVC排渗管4→集水井2→导水钢管5→灰坝下游排水沟。

马道——专业术语，为了满足灰坝稳定、排水和通行要求，而设置在灰坝坝坡上的平台。

Claims

1. 一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：包括至少一个排渗单元（1），所述排渗单元（1）又包括集水井（2）、砂井（3）、PVC排渗管（4）和导水钢管（5），所述集水井（2）设置在灰坝下游坝坡上，在平面上，各集水井（2）可不在一条直线上，在集水井（2）两侧各布置至少三口砂井（3），在平面上，所述砂井（3）和集水井（2）应在一条直线上；在集水井（2）两侧、沿竖向各布置至少三根PVC排渗管（4）；由集水井（2）往灰坝下游方向引出一根导水钢管（5），所述PVC排渗管（4）和导水钢管（5）应与集水井（2）相连，PVC排渗管（4）应贯穿集水井（2）两侧的砂井（3）。

2.根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述粘土灰坝排渗单元（1）根据灰坝的建设规模和排渗要求进行布置，不受灰坝平面布置和断面尺寸的限制。

3. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述集水井（2）采用圆形断面，内径满足PVC排渗管（4）及导水钢管（5）的布置和施工要求，集水井（2）的顶部标高高出所处坝坡面，间距和底部标高应通过渗流计算确定，集水井（2）采用钢筋混凝土结构。

4. 根据权利要求3所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述集水井（2）的内径为3.0～5.0m，顶部标高高出所处坝坡面为0.3～0.5m，间距为60.0～120.0m。

5. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述砂井（3）采用圆形断面，直径为1.0～2.0m，砂井（3）的顶部标高与所处坝坡面标高一致，间距和底部标高应通过渗流计算确定，砂井（3）回填材料采用中砂（6），中砂（6）的颗粒粒径不大于0.5mm，且粒径大于0.25mm、小于0.5mm的颗粒含量不小于75%，在砂井（3）井壁与回填材料之间设置一层土工布（7），砂井（3）井口采用粘土封堵，封堵厚度为3.0～6.0m。

6. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述PVC排渗管（4）的规格和根数应通过渗流计算确定，PVC排渗管（4）的外径为100～150mm，壁厚为10～12mm，进口与出口之间的坡降为2～5%，PVC排渗管（4）外表面应包两层土工布（7）。

7. 根据权利要求6所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述PVC排渗管（4）上的滤水孔（8）按等腰三角形布置，滤水孔（8）直径为20～25mm，开孔率为7.5～12.5%。

8. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：所述导水钢管（5）的内径、进口标高和出口标高应通过水力计算确定，导水钢管（5）进口与出口之间的坡降为1%～5%。

9. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：在工程建设过程中，应先施工集水井（2），再施工导水钢管（5），最后施工PVC排渗管（4）；砂井（3）应在PVC排渗管（4）施工前完成。

10. 根据权利要求1所述的一种均质粘土灰坝排渗系统，其特征在于：在运行过程中，如PVC 排渗管（4）淤堵，排渗效果降低，应用反冲洗法对其进行修复；如PVC排渗管（4）完全失效，应对其进行更换。