尾矿库框架式排水井拱盖板的最小厚度

苏伟强，李斌华

（1.四川西冶工程设计咨询有限公司，四川 成都 610051；2.四川省冶金地质勘查院，四川 成都 610051）

尾矿库属于重大危险源，一旦发生溃坝或尾矿泄露事故，将对下游造成严重破坏。我国尾矿库病害事故中，排洪系统的病害事故占33.3%[1]。框架式排水井是尾矿库常见的排洪设施，适应性强，应用广泛。一座排水井从投入使用到停止使用和封堵，运行期间任何一块拱盖板失事，都可能导致一定程度的尾矿泄露，破坏环境，危害社会。此前，刘瀚和、赵自越等分析指出，拱盖板内径3m、井架荷载高度30m的情况下，拱盖板厚度取0.10m，配筋满足最小配筋率要求即可；并提出排水井拱盖板的安全是一个系统问题，设计、施工、管理过程的各参与方为盖板安全的利益共同体，设计在技术把控上，应该对盖板的施工和安装管理提出要求，确保拱盖板在使用过程中符合双铰拱环形受压的设计工况[2]。文献[3]提出拱盖板厚度不小于0.07m，亦不宜大于0.15m。本研究针对常用尺寸排水井的拱盖板，以井架高度、拱盖板跨度、厚度为控制变量，证实了尾黏土荷载条件下拱盖板存在安全使用的最小高跨比，拱盖板最小厚度和拱盖板内径、井架高度之间正相关，并给出了尾黏土荷载作用下常用尺寸范围内拱盖板最小厚度，可为类似设计提供参考。

1 计算模型

1.1 几何模型

框架式排水井一般由井架、井座等部分构成。本研究中井架圈梁内径记为d，拱盖板内径记为D。常用框架式排水井圈梁内径d一般为2.1m～4.1m，拱盖板内径D一般为2.5m～4.5m[4]。近年来，特别是在我国南方山区或雨水丰沛地区，随着尾矿库单库建设规模逐渐增大，框架式排水井尺寸有扩大趋势，圈梁内径d达到5m的排水井已经较为常见。拱盖板几何模型为圆弧拱，工程实践中常见排水井拱盖板跨度l多集中于1.4m～1.9m之间，高跨比ρ多集中于0.04～0.18之间。

1.2 力学模型

拱盖板通常为钢筋混凝土预制构件，安装时两端紧靠凸字形立柱，力学模型为双铰拱，为一次超静定结构。排水井周边被尾矿和水包围后，拱盖板承受沿拱圈轴线均匀分布的水平径向荷载，忽略轴力的影响，则内力为无弯矩状态，拱圈轴线方向各截面弯矩为零，杆件为纯受压构件[5]。内力计算时，可将沿拱圈轴线均匀分布的水平径向荷载，分解为沿跨度方向均匀分布和沿拱矢方向双向对称分布的均布荷载分别计算后叠加求解。

2 荷载构成

尾矿库运行期间，按照库内水位控制要求，随着尾砂沉积滩面和水位上升，逐步安装拱盖板挡水挡砂。埋入尾矿沉积滩下单独的一块拱盖板，承受尾矿荷载和静水荷载，尾矿荷载按照水平淤砂理论计算[6]，水荷载按照静水压强理论计算。

对于任意的已建成的排水井，随着库内尾砂堆积高程和水位上升，拱盖板承受的水平荷载逐渐增加，沿井架立柱竖直方向最底部的拱盖板比顶部拱盖板承受荷载大。尾矿堆积至排水井顶面高程之前，需要按照设计对排水井进行封堵，该排水井即宣告报废。故排水井的尾矿荷载和水荷载高度只需按照井架高度计算[3]。井架高度取工程实践中常用高度18m、24m、30m为代表进行分析计算。

对于不同的尾矿，由于物理力学性质不同，相同环境下产生的荷载效应也不同，尾矿性质分类按照文献[7]附录C分类方法，选取尾细砂、尾粉土、尾黏土三种代表性尾矿进行分析计算，物理力学性质指标详见表1。水的重度按9.81 kN/m3计。

表1 尾矿平均物理力学性质指标

3 内力分析

拱盖板内力计算以井架高度、尾矿性质为荷载控制变量，按照结构力学方法，求解拱盖板轴向压力[8]。内力计算按井架高度分为18m、24m、30m三组进行，以井架高度30m为例，轴力计算结果详见图1，可以看出，①对于一定性质的尾矿，拱盖板高跨比对轴向压力的大小影响显著，随着高跨比的增大，轴向压力显著减小。采用较大的高跨比，能够显著减小拱盖板轴向压力。②对于一定性质的尾矿，拱盖板跨度对轴向压力大小存在影响，跨度大者轴向力也大；跨度对轴向力影响程度随着高跨比的增大而减少。③黏性土荷载作用下拱盖板轴向力大于非黏性土。

图1 拱盖板轴向压力与高跨比关系（30m高井架）

4 结构分析

4.1 基础条件设置

（1）材料。混凝土标号为C30，抗压强度设计值fc=14.3N/mm2，钢筋种类为HRB400，抗拉强度设计值及抗压强度设计值相等，即fy=fy'=360N/mm2。

（2）环境。排水井工作环境通常为有轻度化学侵蚀性地下水的地下环境，环境类别为三类。

（3）建筑物级别及承载力安全系数。设定建筑物级别为2级，荷载效应为基本组合，承载力安全系数K=1.20。

4.2 分析方法

轴心受压构件，正截面受压承载力应符合下列规定[9]：

式中：K为承载力安全系数，取值1.20；N为轴向压力设计值，N；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；A为构件截面面积，mm2；fy'为纵向钢筋抗压强度设计值，N/mm2；As'为全部纵向钢筋的截面面积，mm2；φ为钢筋混凝土轴心受压构件稳定系数，按文献[9]表6.3.1确定。

4.3 合理高跨比与最小高跨比

排水井在使用时，需要有足够的干滩长度和澄清距离，排水井一般位于靠近滩面尾部位置，井架周围沉积尾矿以细粒、黏粒为主。以尾黏土为例，拱盖板纵向受力钢筋计算按常用井架高度分18m、24m、30m三组，拱盖板厚度b按常见厚度设定为0.10m、0.12m、0.14m三类，不同跨度和高跨比情况下纵向受力钢筋计算面积详见图2～4。

图2 拱盖板纵向受力钢筋面积与高跨比关系（18 m高井架）

轴心受压构件设计时，为了改善构件性能，避免混凝土突然压溃，并使构件具有必要的刚度和抵抗偶然偏心作用的能力，配筋量需要满足最小配筋率要求，即ρ＞ρmin=0.55%；同时考虑到配筋过多的构件在长期受压混凝土徐变后卸载，钢筋弹性恢复会在构件中引起横裂，所以配筋量也不应该大于最大配筋率，即ρ＜ρmax=5.0%[9]。图2～4中单点划线为最大配筋率对应钢筋面积，双点划线为最小配筋率对应钢筋面积，位于两者之间即为合理高跨比，从图中可以看出，①高跨比对拱盖板配筋量大小影响显著，随着高跨比增大，配筋量显著减小。采用较大的高跨比，能够显著减小拱盖板配筋量。②荷载一定的条件下，较小的拱盖板厚度，其合理高跨比数值相对较大，以图2为例，（a）、（b）、（c）幅对应拱板厚度逐渐增加，曲线逐渐变陡，与最大配筋率单点划线和最小配筋率双点划线的交点均左移，合理高跨比区间左移且变小。③井架高度对合理高跨比影响显著，拱盖板跨度、厚度一定的条件下，井架高度越高，所需要的合理高跨比数值越大。

图3 拱盖板纵向受力钢筋面积与高跨比关系（24m高井架）

图4 拱盖板纵向受力钢筋面积与高跨比关系（30m高井架）

从设计角度考虑，①对于图中曲线上任一点，若纵坐标值位于最大配筋率对应单点划线上部，说明计算配筋结果大于最大配筋率，在设计中应该避免出现。②对于图中曲线上任一点，若纵坐标值位于最小配筋率对应双点划线之下，说明计算配筋结果小于最小配筋率，按最小配筋率和构造配筋即可。③对于图中曲线上任一点，若纵坐标值位于最大配筋率对应单点划线和最小配筋率对应双点划线之间，说明按计算结果配筋后，拱盖板结构尺寸、强度是能够满足相应荷载条件下的强度要求，也不会产生大的强度富余，对应高跨比为合理高跨比。④对于任意一种状态，最大配筋率对应的合理高跨比下限，即为最小高跨比，设计中应确保拱盖板高跨比大于最小高跨比。

将图2～4中各状态最小高跨比，按井架高度H分为18m、24m、30m三组，建立不同跨度情况下拱盖板最小高跨比与拱盖板厚度之间的关系，详见图5。

图5 拱盖板轴线最小高跨比与厚度关系

图5表明井架高度、拱盖板跨度、拱盖板厚度均对最小高跨比影响较大。在井架高度、拱盖板厚度一定的情况下，跨度越大，满足安全要求的高跨比越大，能够适应的拱盖板内径越小；在井架高度、盖板跨度一定的情况下，厚度越小，满足安全要求的高跨比越大，能够适应的拱盖板内径越小。

4.4 拱盖板最小厚度

根据圆弧拱轴线几何图形，可以得出拱盖板内径D和高跨比ρ、跨度l之间有如下关系：

在拱盖板跨度一定的情况下，最小高跨比对应所能适应的最大拱盖板内径。根据图5，建立最小高跨比情况下拱盖板最大内径和跨度之间的关系。详见图6。

图6 最小高跨比情况下拱盖板内径与跨度关系

从图6中可以看出，井架高度、拱盖板跨度相同时，拱盖板厚度越小，满足安全要求的拱盖板最大内径越小；井架高度相同、高跨比为最小高跨比时，跨度对拱盖板最大内径影响非常微小，对图6中每一厚度系列拱盖板内径取最小值，通过线性回归方法便可以建立拱盖板最小厚度与内径、井架高度之间关系，详见图7、8。图中拱盖板最小厚度与拱盖板内径明显线性正相关，拱盖板最小厚度与井架高度明显线性正相关。

图7 拱盖板最小厚度与内径关系

图8 拱盖板最小厚度与井架高度关系

基于图7、8所示拱盖板最小厚度与拱盖板内径、井架高度之间关系，求得尾黏土荷载作用下常用尺寸范围内拱盖板最小厚度，绘于坐标纸内，可用于工程设计和建设实践，详见图9。

图9 常用尺寸拱盖板最小厚度

5 结论

（1）拱盖板存在安全使用的最小高跨比，较大高跨比能够减小尾矿荷载作用下拱盖板内力。

（2）拱盖板常用厚度0.10m不具有普遍适用性。井架高度一定的情况下，拱盖板最小厚度与内径之间线性正相关；拱盖板内径一定的情况下，拱盖板最小厚度与井架高度之间线性正相关。

（3）尾黏土荷载作用条件下，井架高度不大于30m、拱盖板内径不大于3.0m时，拱盖板厚度可直接取0.10m，不进行截面厚度复核；拱盖板内径介于3.0m至4.5m之间时，宜根据井架高度进行截面厚度复核；井架高度大于18m且拱盖板内径大于4.5m时，应进行截面厚度复核。

（4）结合实际应用中拱盖板制作、运输、安装的可操作性和便利性，拱盖板内径较大时，井架高度不宜过高。