對黃土條件下的尾礦壩分析

王易陽

(河海大學，江蘇 南京 211100)

0 引言

尾礦壩是堆積和處理礦場選礦等工藝步驟產生的尾礦的場所。由于尾礦數量眾多，且常常具有較高的含水率和較大的塑性或液性，尾礦的性質大多數情況下不同于當地的土壤和地質條件。正因如此，用于儲存尾礦的尾礦壩常常需要進行詳細的地質勘測、特殊的下墊面處理和工程措施。對于廣泛分布于世界各地的黃土，研究黃土作為地基時的尾礦壩設計和工程處理措施是有著重要的意義的。

1 研究背景

尾礦壩(庫)在礦產資源豐富的地區是十分常見的，然而近年來尾礦壩潰壩事故頻繁發生。山西省大部分地區處于黃土地貌地區，且在這些地區廣泛分布著各種各樣的礦藏，這些礦藏蘊藏量豐富，并有著很高的開采利用價值，這也意味著有很多的礦場和尾礦壩分布在黃土地貌地區。

黃土是一種具有特殊性狀的黃色沉積土層，而中國的黃土是第四紀時期形成的土狀堆積物，性質疏松、特殊。對于黃土高原的黃土，其質地均一，用手易搓成粉末，鈣質含量較高，多孔隙，有顯著的柱狀節理，干燥時較堅硬，但遇水浸濕后土體迅速崩解并引起地基突然沉陷，即具有濕陷性。

2 潰壩原因分析

2.1 物理力學因素

導致尾礦壩失事的物理力學因素有:滑坡、壩坡失穩、滲流破壞、壩體內部材料由于地震液化以及洪水漫過壩體造成破壞等。然而，對于高濕陷性黃土地區，尤為需要關注滲流對尾礦壩可能產生的破壞。滲流產生的浸潤線過低，會使壩體產生較大背離堆礦方向的位移，而滲流過大，會產生水流漫壩的可能，尤其是對以濕陷性黃土為主地基和岸坡，滲流造成的破壞歷時會更短，有時甚至會造成突發性的災難。設計人員如果在尾礦壩設計初期沒有充分考慮到滲流作用的影響，其產生的后果將會耗費大量的資金與人員、物資，甚至可能會造成災難性的事故。

2.2 人為因素

在尾礦壩的日常監管中，工作人員對敏感數據的疏忽，常常也會導致尾礦壩的險情或事故。在尾礦壩出現不尋常或者有潰壩可能的情況時，應急機制的不完善同樣是造成尾礦壩潰壩事故發生，產生災難性后果的原因。對于一些早期或者較小型的尾礦壩，檢測設備的短缺或者檢測機制的缺失，也是尾礦壩失事的一個重要因素，尤其對于設計時，設計人員沒有考慮對尾礦壩各項參數進行定期檢測，缺失了檢測系統的建立，將為建成后的尾礦壩運行帶來安全隱患。

3 尾礦壩設計

尾礦壩(庫)按照地形條件和建筑方式，可以分為3種形式，分別為:山谷型、山坡型和平地型。對于位于山西省的黃土高原部分，此地區溝壑縱橫，溝谷密布，有利于構筑山谷型和山坡型的尾礦壩形式，但是山谷型和山坡型尾礦壩相對于平地型尾礦壩積水面積大，易受降雨和其他形式地面和地下徑流的影響，需要在筑壩前進行精心的防滲與排水計算，對具有較高濕陷性的黃土地區所建的尾礦壩(庫)，尤其需要對水的滲透方向和滲透方式進行嚴密設計與處理。其中，在尾礦壩防滲設計中，采用尾礦泥墊層設計，進行地下水疏導，對高濕陷性的黃土地區是一種效果明顯的、廉價的工程措施。

3.1 壩的主體設計

3.1.1 壩型的選擇

對于初期壩，有不透水型初期壩和透水型初期壩兩種選擇。不透水型初期壩由透水性較小的材料制成，而透水型初期壩由透水性較好的材料制成，除了不用尾礦筑壩或有環保要求不允許滲流水流至下游，一般都采用透水型初期壩，且此種壩型有助于將水排向下游，利于提高壩體的穩定性。

對于濕陷性嚴重的黃土地區，尾礦壩的壩型選擇為透水型初期壩有助于尾礦中水分排出，從而有利于減少黃土濕陷性對尾礦壩的影響，提高尾礦壩的安全性。

3.1.2 壩體的構造

對于初期壩的設計，常常需要考慮到壩頂寬度、壩坡穩定性、馬道、排水棱體和反濾層設計等問題，其中壩坡坡比設計包括:內、外坡的坡比，馬道的寬度和馬道間的間隔等，一般情況下壩體下游每隔10 m～15 m設置一個寬為2 m的馬道，方便施工且利于提高壩體的整體穩定性。

對于后期壩的設計，有上游式尾礦筑壩、下游式尾礦筑壩和中線式尾礦筑壩的方式。由于筑壩工藝簡單，費用較低，在穩定性可以滿足條件的情況下，我國多采用上游式尾礦筑壩的后期壩設計，然而對于具體的濕陷性黃土條件下尾礦壩后期設計，應根據具體問題進行具體分析，找出安全性和經濟效益雙優的設計方案。

3.2 水的控制

3.2.1 地表水的疏導

對于尾礦壩，其地表水來源主要有:尾礦(多為漿體)攜帶的水分，周圍地區產生地下水以及壩址所在地的降雨。控制地表水對壩體的影響，主要是控制尾礦池積水區的池水位;其中，池水位不能過高也不能過低，最低水位要滿足尾礦水澄清的要求，在此情況下，水位越低越利于壩的穩定性。

在控制尾礦池中池水位的同時，應注意汛期對尾礦庫的影響，做好度汛的各項準備，并在尾礦壩設計時充分考慮汛期對其的影響。

3.2.2 地下水的疏導

在尾礦壩設計時，壩體中的浸潤線不宜在壩坡溢出，對于大型的尾礦壩常常要求浸潤線有一定的埋深。

對于濕陷性較大的黃土地區所建尾礦壩，常常希望地基受到的滲流水影響降到最小，設計尾礦壩時的滲流控制便是地下水疏導的主要設計方面。在尾礦壩滲流控制的設計中，常常設計一個不透水(透水性較小)的墊層。在墊層設計中，現今的技術方式主要有:尾礦泥墊層、粘土墊層與合成墊層等。對于黃土條件下的設計，尾礦泥墊層較其他幾種方式有著較多的優點:

1)高質量的尾礦泥墊層可以有效減少滲流水向地基的下滲作用，有利于濕陷性黃土保持其穩定性;

2)與此同時，尾礦泥墊層能夠承受相當大的基礎沉降，甚至地震液化，且不喪失其防滲效果;

3)尾礦泥墊層構造簡單，使用范圍廣泛，費用較低，且有較多的設計經驗和較深厚的技術基礎。

在鋪設墊層的同時，可以設置滲流障從而達到進一步提高壩體穩定性和防滲效果的目的。滲流障的設計包括:截留溝(注意:此種方式設計時，只能采用下游型或中線型后期壩的設計形式，而不能采用上游型后期壩的設計形式，因為截留溝對上游型后期壩中的滲流起到了阻礙作用，并且不利于浸潤線的降低)、防滲墻和灌漿帷幕等。

同時，可以增設排水構筑物來降低尾礦壩的浸潤線，其中，排水構筑物又分為水平排滲型和垂直排滲型。

4 結語

對于黃土條件下的尾礦壩設計需要充分考慮到黃土濕陷性對尾礦壩安全產生的影響，其中，滲流作用對地基及周圍巖體作用更是需要著重分析，加入尾礦泥墊層和其他相應的排水和降低浸潤線的措施，可以有效增加尾礦壩的穩定性和可靠性，從而更好地保護廣大人民財產的安全，有力地避免類似尾礦壩潰壩事故的再次發生。

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