尾礦庫框架式排水井拱蓋板的最小厚度

蘇偉強，李斌華

（1.四川西冶工程設計咨詢有限公司，四川 成都 610051；2.四川省冶金地質勘查院，四川 成都 610051）

尾礦庫屬于重大危險源，一旦發生潰壩或尾礦泄露事故，將對下游造成嚴重破壞。我國尾礦庫病害事故中，排洪系統的病害事故占33.3%[1]。框架式排水井是尾礦庫常見的排洪設施，適應性強，應用廣泛。一座排水井從投入使用到停止使用和封堵，運行期間任何一塊拱蓋板失事，都可能導致一定程度的尾礦泄露，破壞環境，危害社會。此前，劉瀚和、趙自越等分析指出，拱蓋板內徑3m、井架荷載高度30m的情況下，拱蓋板厚度取0.10m，配筋滿足最小配筋率要求即可；并提出排水井拱蓋板的安全是一個系統問題，設計、施工、管理過程的各參與方為蓋板安全的利益共同體，設計在技術把控上，應該對蓋板的施工和安裝管理提出要求，確保拱蓋板在使用過程中符合雙鉸拱環形受壓的設計工況[2]。文獻[3]提出拱蓋板厚度不小于0.07m，亦不宜大于0.15m。本研究針對常用尺寸排水井的拱蓋板，以井架高度、拱蓋板跨度、厚度為控制變量，證實了尾黏土荷載條件下拱蓋板存在安全使用的最小高跨比，拱蓋板最小厚度和拱蓋板內徑、井架高度之間正相關，并給出了尾黏土荷載作用下常用尺寸范圍內拱蓋板最小厚度，可為類似設計提供參考。

1 計算模型

1.1 幾何模型

框架式排水井一般由井架、井座等部分構成。本研究中井架圈梁內徑記為d，拱蓋板內徑記為D。常用框架式排水井圈梁內徑d一般為2.1m～4.1m，拱蓋板內徑D一般為2.5m～4.5m[4]。近年來，特別是在我國南方山區或雨水豐沛地區，隨著尾礦庫單庫建設規模逐漸增大，框架式排水井尺寸有擴大趨勢，圈梁內徑d達到5m的排水井已經較為常見。拱蓋板幾何模型為圓弧拱，工程實踐中常見排水井拱蓋板跨度l多集中于1.4m～1.9m之間，高跨比ρ多集中于0.04～0.18之間。

1.2 力學模型

拱蓋板通常為鋼筋混凝土預制構件，安裝時兩端緊靠凸字形立柱，力學模型為雙鉸拱，為一次超靜定結構。排水井周邊被尾礦和水包圍后，拱蓋板承受沿拱圈軸線均勻分布的水平徑向荷載，忽略軸力的影響，則內力為無彎矩狀態，拱圈軸線方向各截面彎矩為零，桿件為純受壓構件[5]。內力計算時，可將沿拱圈軸線均勻分布的水平徑向荷載，分解為沿跨度方向均勻分布和沿拱矢方向雙向對稱分布的均布荷載分別計算后疊加求解。

2 荷載構成

尾礦庫運行期間，按照庫內水位控制要求，隨著尾砂沉積灘面和水位上升，逐步安裝拱蓋板擋水擋砂。埋入尾礦沉積灘下單獨的一塊拱蓋板，承受尾礦荷載和靜水荷載，尾礦荷載按照水平淤砂理論計算[6]，水荷載按照靜水壓強理論計算。

對于任意的已建成的排水井，隨著庫內尾砂堆積高程和水位上升，拱蓋板承受的水平荷載逐漸增加，沿井架立柱豎直方向最底部的拱蓋板比頂部拱蓋板承受荷載大。尾礦堆積至排水井頂面高程之前，需要按照設計對排水井進行封堵，該排水井即宣告報廢。故排水井的尾礦荷載和水荷載高度只需按照井架高度計算[3]。井架高度取工程實踐中常用高度18m、24m、30m為代表進行分析計算。

對于不同的尾礦，由于物理力學性質不同，相同環境下產生的荷載效應也不同，尾礦性質分類按照文獻[7]附錄C分類方法，選取尾細砂、尾粉土、尾黏土三種代表性尾礦進行分析計算，物理力學性質指標詳見表1。水的重度按9.81 kN/m3計。

表1 尾礦平均物理力學性質指標

3 內力分析

拱蓋板內力計算以井架高度、尾礦性質為荷載控制變量，按照結構力學方法，求解拱蓋板軸向壓力[8]。內力計算按井架高度分為18m、24m、30m三組進行，以井架高度30m為例，軸力計算結果詳見圖1，可以看出，①對于一定性質的尾礦，拱蓋板高跨比對軸向壓力的大小影響顯著，隨著高跨比的增大，軸向壓力顯著減小。采用較大的高跨比，能夠顯著減小拱蓋板軸向壓力。②對于一定性質的尾礦，拱蓋板跨度對軸向壓力大小存在影響，跨度大者軸向力也大；跨度對軸向力影響程度隨著高跨比的增大而減少。③黏性土荷載作用下拱蓋板軸向力大于非黏性土。

圖1 拱蓋板軸向壓力與高跨比關系（30m高井架）

4 結構分析

4.1 基礎條件設置

（1）材料。混凝土標號為C30，抗壓強度設計值fc=14.3N/mm2，鋼筋種類為HRB400，抗拉強度設計值及抗壓強度設計值相等，即fy=fy'=360N/mm2。

（2）環境。排水井工作環境通常為有輕度化學侵蝕性地下水的地下環境，環境類別為三類。

（3）建筑物級別及承載力安全系數。設定建筑物級別為2級，荷載效應為基本組合，承載力安全系數K=1.20。

4.2 分析方法

軸心受壓構件，正截面受壓承載力應符合下列規定[9]：

式中：K為承載力安全系數，取值1.20；N為軸向壓力設計值，N；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2；A為構件截面面積，mm2；fy'為縱向鋼筋抗壓強度設計值，N/mm2；As'為全部縱向鋼筋的截面面積，mm2；φ為鋼筋混凝土軸心受壓構件穩定系數，按文獻[9]表6.3.1確定。

4.3 合理高跨比與最小高跨比

排水井在使用時，需要有足夠的干灘長度和澄清距離，排水井一般位于靠近灘面尾部位置，井架周圍沉積尾礦以細粒、黏粒為主。以尾黏土為例，拱蓋板縱向受力鋼筋計算按常用井架高度分18m、24m、30m三組，拱蓋板厚度b按常見厚度設定為0.10m、0.12m、0.14m三類，不同跨度和高跨比情況下縱向受力鋼筋計算面積詳見圖2～4。

圖2 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關系（18 m高井架）

軸心受壓構件設計時，為了改善構件性能，避免混凝土突然壓潰，并使構件具有必要的剛度和抵抗偶然偏心作用的能力，配筋量需要滿足最小配筋率要求，即ρ＞ρmin=0.55%；同時考慮到配筋過多的構件在長期受壓混凝土徐變后卸載，鋼筋彈性恢復會在構件中引起橫裂，所以配筋量也不應該大于最大配筋率，即ρ＜ρmax=5.0%[9]。圖2～4中單點劃線為最大配筋率對應鋼筋面積，雙點劃線為最小配筋率對應鋼筋面積，位于兩者之間即為合理高跨比，從圖中可以看出，①高跨比對拱蓋板配筋量大小影響顯著，隨著高跨比增大，配筋量顯著減小。采用較大的高跨比，能夠顯著減小拱蓋板配筋量。②荷載一定的條件下，較小的拱蓋板厚度，其合理高跨比數值相對較大，以圖2為例，（a）、（b）、（c）幅對應拱板厚度逐漸增加，曲線逐漸變陡，與最大配筋率單點劃線和最小配筋率雙點劃線的交點均左移，合理高跨比區間左移且變小。③井架高度對合理高跨比影響顯著，拱蓋板跨度、厚度一定的條件下，井架高度越高，所需要的合理高跨比數值越大。

圖3 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關系（24m高井架）

圖4 拱蓋板縱向受力鋼筋面積與高跨比關系（30m高井架）

從設計角度考慮，①對于圖中曲線上任一點，若縱坐標值位于最大配筋率對應單點劃線上部，說明計算配筋結果大于最大配筋率，在設計中應該避免出現。②對于圖中曲線上任一點，若縱坐標值位于最小配筋率對應雙點劃線之下，說明計算配筋結果小于最小配筋率，按最小配筋率和構造配筋即可。③對于圖中曲線上任一點，若縱坐標值位于最大配筋率對應單點劃線和最小配筋率對應雙點劃線之間，說明按計算結果配筋后，拱蓋板結構尺寸、強度是能夠滿足相應荷載條件下的強度要求，也不會產生大的強度富余，對應高跨比為合理高跨比。④對于任意一種狀態，最大配筋率對應的合理高跨比下限，即為最小高跨比，設計中應確保拱蓋板高跨比大于最小高跨比。

將圖2～4中各狀態最小高跨比，按井架高度H分為18m、24m、30m三組，建立不同跨度情況下拱蓋板最小高跨比與拱蓋板厚度之間的關系，詳見圖5。

圖5 拱蓋板軸線最小高跨比與厚度關系

圖5表明井架高度、拱蓋板跨度、拱蓋板厚度均對最小高跨比影響較大。在井架高度、拱蓋板厚度一定的情況下，跨度越大，滿足安全要求的高跨比越大，能夠適應的拱蓋板內徑越小；在井架高度、蓋板跨度一定的情況下，厚度越小，滿足安全要求的高跨比越大，能夠適應的拱蓋板內徑越小。

4.4 拱蓋板最小厚度

根據圓弧拱軸線幾何圖形，可以得出拱蓋板內徑D和高跨比ρ、跨度l之間有如下關系：

在拱蓋板跨度一定的情況下，最小高跨比對應所能適應的最大拱蓋板內徑。根據圖5，建立最小高跨比情況下拱蓋板最大內徑和跨度之間的關系。詳見圖6。

圖6 最小高跨比情況下拱蓋板內徑與跨度關系

從圖6中可以看出，井架高度、拱蓋板跨度相同時，拱蓋板厚度越小，滿足安全要求的拱蓋板最大內徑越小；井架高度相同、高跨比為最小高跨比時，跨度對拱蓋板最大內徑影響非常微小，對圖6中每一厚度系列拱蓋板內徑取最小值，通過線性回歸方法便可以建立拱蓋板最小厚度與內徑、井架高度之間關系，詳見圖7、8。圖中拱蓋板最小厚度與拱蓋板內徑明顯線性正相關，拱蓋板最小厚度與井架高度明顯線性正相關。

圖7 拱蓋板最小厚度與內徑關系

圖8 拱蓋板最小厚度與井架高度關系

基于圖7、8所示拱蓋板最小厚度與拱蓋板內徑、井架高度之間關系，求得尾黏土荷載作用下常用尺寸范圍內拱蓋板最小厚度，繪于坐標紙內，可用于工程設計和建設實踐，詳見圖9。

圖9 常用尺寸拱蓋板最小厚度

5 結論

（1）拱蓋板存在安全使用的最小高跨比，較大高跨比能夠減小尾礦荷載作用下拱蓋板內力。

（2）拱蓋板常用厚度0.10m不具有普遍適用性。井架高度一定的情況下，拱蓋板最小厚度與內徑之間線性正相關；拱蓋板內徑一定的情況下，拱蓋板最小厚度與井架高度之間線性正相關。

（3）尾黏土荷載作用條件下，井架高度不大于30m、拱蓋板內徑不大于3.0m時，拱蓋板厚度可直接取0.10m，不進行截面厚度復核；拱蓋板內徑介于3.0m至4.5m之間時，宜根據井架高度進行截面厚度復核；井架高度大于18m且拱蓋板內徑大于4.5m時，應進行截面厚度復核。

（4）結合實際應用中拱蓋板制作、運輸、安裝的可操作性和便利性，拱蓋板內徑較大時，井架高度不宜過高。