某礦山尾礦庫(kù)壩體隱患分析及治理研究

劉加冬 邱 宇 路洪斌

某礦山尾礦庫(kù)壩體隱患分析及治理研究

劉加冬1邱 宇2路洪斌2

(1.河海大學(xué)文天學(xué)院 安徽馬鞍山 243031;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 安徽馬鞍山 243000)

對(duì)某礦山尾礦庫(kù)壩體存在的隱患進(jìn)行了調(diào)查和分析，采用理正軟件對(duì)壩體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，并針對(duì)當(dāng)前隱患進(jìn)行了防治研究。結(jié)果表明，在采取防治措施后該尾礦庫(kù)安全狀況得以改善。建議在尾礦庫(kù)管理過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)壩體的監(jiān)測(cè)與維護(hù)，確保壩體穩(wěn)定。

尾礦庫(kù) 隱患 穩(wěn)性性分析 治理措施

尾礦是礦物加工工業(yè)生產(chǎn)中的一種廢料［1］，在生產(chǎn)過(guò)程中不斷地積累，在自身重力及外界環(huán)境作用下，極易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，諸如滑坡、泥石流和尾礦庫(kù)潰壩等［2－3］，給社會(huì)帶來(lái)極大損失。如2011年9月21日銀巖錫礦高旗嶺尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩事件，共造成22人死亡，房屋全倒戶523戶，受損戶815戶，受潰壩影響下游流域范圍內(nèi)交通、水利等公共基礎(chǔ)設(shè)施以及農(nóng)田、農(nóng)作物等嚴(yán)重?fù)p毀。可見(jiàn)，尾礦庫(kù)壩體安全與人民群眾的生命安全密切相關(guān)，必須加強(qiáng)尾礦庫(kù)的管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)查明隱患存在的原因，提出合理可行的治理對(duì)策［4－5］。

1 某尾礦庫(kù)現(xiàn)狀

某礦山尾礦庫(kù)地勢(shì)北高南低，呈一較窄狹口，由于南面地勢(shì)較緩，壩軸線相應(yīng)增長(zhǎng)。壩體為碾壓式黏土斜墻堆石壩，下游設(shè)排水棱體，尾礦壩筑壩材料為當(dāng)?shù)氐乃槭痢Ｎ驳V壩軸線長(zhǎng)382.91 m，最大斷面處壩頂標(biāo)高 +81.5 m，大壩內(nèi)坡腳地面標(biāo)高+60.5 m，外坡腳地面標(biāo)高+57.5 m，壩高24.0 m。壩頂寬3.5 m，內(nèi)坡比1:2.25，外坡比1:2.25。并于+71.5 m標(biāo)高處設(shè)2.0 m寬?cǎi)R道，于+61.5 m標(biāo)高處設(shè)2.5 m寬(排水棱體頂寬)排水棱體。壩體內(nèi)底部及中部增設(shè)了水平排滲管，排滲管水平間距8 m，縱坡率2%。壩基采用3:7灰土壓實(shí)。

該尾礦庫(kù)2006年竣工驗(yàn)收后即開(kāi)始蓄水、放礦。但在尾礦庫(kù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)該庫(kù)存在一定程度的安全問(wèn)題:當(dāng)尾礦庫(kù)蓄水、放礦水位至+70.0 m標(biāo)高左右時(shí)，在樁號(hào)1+78.57到樁號(hào)2+58.57段的下游壩坡68.0 m標(biāo)高處發(fā)現(xiàn)滲水逸出點(diǎn)，浸潤(rùn)線逸出明顯，但壩坡無(wú)集中滲透出口，+68.0 m標(biāo)高以下下游壩坡土體含水量大，土體含水約呈飽和狀態(tài)，壩坡表面土體成片濕潤(rùn)，壩坡行人有下沉感。壩腳排水棱體干燥、無(wú)排水，壩體底部+58.5 m標(biāo)高和中部+71.5 m標(biāo)高 SH－100 mm導(dǎo)滲管均無(wú)滲水排出。內(nèi)坡塊石的平整度明顯減低，多處出現(xiàn)小幅鼓起和凹下的現(xiàn)象，內(nèi)坡水泥標(biāo)尺梁上見(jiàn)2～3道寬約3～5 mm的拉張裂縫，塊石護(hù)坡向下滑移的跡象明顯。

2 壩體存在隱患的原因分析

從現(xiàn)狀來(lái)看，該尾礦庫(kù)壩體滲水，壩面出現(xiàn)沼澤化，護(hù)坡向下滑移。壩體滲水和壩面沼澤化主要是由壩體滲漏引起的，而產(chǎn)生壩體滲漏主要在庫(kù)內(nèi)水位+65.0～70.0 m高程之間樁號(hào)1+78.57到樁號(hào)2+58.57段。庫(kù)內(nèi)蓄水位愈高，壩體滲漏愈加劇，庫(kù)內(nèi)蓄水位降低，壩體滲漏明顯減弱。說(shuō)明壩體在+65.0～70.0 m高程之間樁號(hào)1+78.57到樁號(hào)2+58.57段黏土斜墻、土工布等防滲措施未完全起到防滲作用，原因是此段區(qū)間黏土斜墻碾壓不密實(shí)或填筑黏土斜墻材料透水性強(qiáng)，造成壩體滲漏。護(hù)坡向下滑移，主要原因是護(hù)坡材料和厚度不足，此外，由于庫(kù)內(nèi)蓄水較深，軟化了其基底的摩擦力，也是產(chǎn)生滑移的一個(gè)原因。

3 壩體整改前的穩(wěn)定性分析

由于尾礦庫(kù)存在壩體滲水，壩面出現(xiàn)沼澤化等現(xiàn)象，其穩(wěn)定性堪憂，為了防止壩體存在的隱患影響尾礦庫(kù)的正常運(yùn)行，確保尾礦庫(kù)壩體的安全，需對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真分析和校核，為提出合理可行的治理對(duì)策提供依據(jù)。

3.1 作用于壩體的荷載及其組合

(1)壩體自重。在計(jì)算壩體自重荷載時(shí)，在靜水面以下的土體部分，要按浮容重計(jì)算;在浸潤(rùn)線以下，靜水面以上的土體按飽和容重計(jì)算;在浸潤(rùn)線以上部分土體按濕容重計(jì)算。

(2)筑壩期正常高水位的滲透壓力。

(3)壩體及壩基中的孔隙水壓力。

(4)最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力。

(5)地震荷載。尾礦壩所在地區(qū)，地震烈度為六度。

3.2 計(jì)算原理

尾礦壩的穩(wěn)定性分析和土體邊坡穩(wěn)定性分析相類(lèi)似［6］。壩體的失穩(wěn)是部分土體沿某滑裂面滑動(dòng)，根據(jù)土力學(xué)可知，滑動(dòng)面的形狀假定稍有出入，對(duì)安全系數(shù)影響不大［7］。因此采用瑞典圓弧法［8］對(duì)壩體穩(wěn)定性校核，考慮到壩體的孔隙水壓力，壩體穩(wěn)定性分析采用有效應(yīng)力法，采取有效強(qiáng)度指標(biāo)。

《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006－2005)中對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)規(guī)定見(jiàn)表1，該尾礦庫(kù)壩坡等別為五級(jí)，按五級(jí)尾礦庫(kù)規(guī)范取值為:正常運(yùn)行1.15;洪水運(yùn)行1.05;特殊運(yùn)行1.00。

取尾礦壩最大斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本次壩體穩(wěn)定性分析，采用計(jì)算公式為:

式中:Fs——安全系數(shù);第i土條滑面上的有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角;Ui——作用于第i土條底面中點(diǎn)處的孔隙水壓力，其計(jì)算可采用此條塊中點(diǎn)到浸潤(rùn)線的水柱高度代替;Li——第i土條底面弧長(zhǎng);αi——第i土條底面中心的法線(過(guò)圓心)與過(guò)圓心的鉛直線間的夾角;Wi——第i土條的重量。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)Table 1 The minimum safety factor of sliding stability of dam slope

3.3 尾礦物理力學(xué)指標(biāo)

壩體穩(wěn)定性計(jì)算斷面按最不利的剖面計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)有的尾礦資料和規(guī)范，根據(jù)工勘報(bào)告中提供的各土層物理力學(xué)指標(biāo)，不利的剖面土料平均物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2，將該坡面按照正常、洪水和特殊運(yùn)行工況分別進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

表2 土料平均物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Average physical property indicators

3.4 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算

該尾礦壩最大斷面處壩頂標(biāo)高+81.5 m，大壩內(nèi)坡腳地面標(biāo)高+60.5 m，外坡腳地面標(biāo)高+57.5 m，最大壩高24.0 m，壩頂寬3.5 m，內(nèi)坡比1:2.25，外坡比1:2.25，+71.5 m標(biāo)高處設(shè)2.0 m寬?cǎi)R道，+61.5 m標(biāo)高處設(shè)2.5 m寬排水棱體。采用理正巖土軟件進(jìn)行計(jì)算，壩坡穩(wěn)定計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)該尾礦壩壩體邊坡的正常、洪水和特殊運(yùn)行工況分別進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，將其計(jì)算穩(wěn)定性分析結(jié)果整理如下，見(jiàn)表3。

圖1 尾礦壩加固前穩(wěn)定性計(jì)算示意圖Fig．1 Stability calculation results of the tailing dam before reinforcement

表3 壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 3 Average physical property indicators

分析結(jié)果顯示:目前該尾礦上游水位在+72.0 m時(shí)，壩體安全系數(shù)已基本處于規(guī)范臨界值。隨著生產(chǎn)需要，庫(kù)內(nèi)將繼續(xù)蓄水，必然導(dǎo)致上游水位上升。當(dāng)上游水位上升至+73.0 m，+75.0 m，+78.5 m，壩體安全系數(shù)經(jīng)計(jì)算均不滿足規(guī)范要求，表明庫(kù)內(nèi)水位超過(guò)+73.0 m時(shí)，尾礦壩局部將可能產(chǎn)生變形或破壞，其整體穩(wěn)定性將受到影響。

4 壩體整改措施及穩(wěn)定性分析

任何一種壩體的穩(wěn)定性都與壩體的變形和滲透有關(guān)，要保證壩體安全，應(yīng)從兩個(gè)方面入手:(1)采取排滲、防滲措施，改善壩體的滲流情況，降低壩體的浸潤(rùn)線，提高壩體安全系數(shù);(2)對(duì)壩體進(jìn)行加固，使壩體滿足安全穩(wěn)定性要求。

4.1 壩體滲漏的治理措施

針對(duì)該尾礦已出現(xiàn)滲漏，應(yīng)采取防滲措施，降低壩體的浸潤(rùn)線。首先應(yīng)在壩體上游面設(shè)防滲復(fù)合體，阻止庫(kù)內(nèi)水向碎石土壩體滲透。防滲復(fù)合體采用C42.5礦渣水泥以一定的配合比與庫(kù)內(nèi)尾砂攪拌成砂漿，在內(nèi)坡干砌塊石護(hù)坡上直接澆筑而成，防滲復(fù)合體設(shè)計(jì)砌筑厚度為20 cm，總體強(qiáng)度大于C5，局部強(qiáng)度不低于C2.5。防滲復(fù)合體外層鋪設(shè)2 mm厚HDPE防滲土工膜，增強(qiáng)防滲效果。此外設(shè)置排滲系統(tǒng)，使尾礦中的水能沿著滲流通道及時(shí)排出，可在垂直壩軸線方向下游壩面構(gòu)筑大小為400 mm×400 mm排滲盲溝，排滲盲溝沿壩面每隔6 m設(shè)置一條。

4.2 壩體加固

由于壩體出現(xiàn)沼澤化，護(hù)坡向下滑移，壩體強(qiáng)度已受到影響。為了保證壩體整體穩(wěn)定，應(yīng)提高壩體強(qiáng)度。具體措施如下:在壩體下游修建碾壓式塊石齒槽壩，碾壓式塊石齒槽壩高為4 m，地面以下齒槽為2 m，壩頂寬為2.5 m，上下游坡面坡比為1:2.0，壩的上游面和底面皆用土工布和礫砂碎石組成反濾層，反濾層的設(shè)置為上下兩層200 mm的礫砂層，中間為兩層300 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ肌６咽瘔蔚南掠谓ㄒ慌潘疁希瑑魯嗝娉叽鐬锽×H=600 mm×800 mm，壁厚為500 mm。利用碾壓碎石土加固壩坡，加固區(qū)從齒槽壩壩頂?shù)?71.5 m馬道之間區(qū)域，加固后+71.5 m馬道寬度由原來(lái)的2 m變?yōu)?.0 m，+71.5 m標(biāo)高以下壩坡比由原來(lái)的1:2.25變?yōu)?:3.0。

4.3 尾礦壩整改后穩(wěn)定性分析

尾礦庫(kù)經(jīng)過(guò)整改后，壩體滲透流量明顯減少，降低了壩體的水體壓力，同時(shí)使得壩體強(qiáng)度提高。將原來(lái)的模型進(jìn)行調(diào)整，在+71.5 m標(biāo)高處寬?cǎi)R道改為4.0 m，+71.5 m標(biāo)高以下壩坡比改1:3.0，其余參數(shù)均不變。考慮多種因素的影響，按不利組合進(jìn)行重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示:目前上游水位為+72.0 m，在下游少量滲出的前提下，正常、洪水、特殊工況的壩坡安全系數(shù)為1.345，1.213，1.142，安全系數(shù)比整改前有明顯提高，而且將上游水位提高至+80.8 m，正常、洪水、特殊工況的壩坡安全系數(shù)為1.198，1.102，1.045，均大于五級(jí)尾礦庫(kù)規(guī)范取值，滿足后續(xù)的生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

(1)尾礦壩壩體穩(wěn)定性是影響尾礦庫(kù)安全的主要因素之一，一旦壩體某一區(qū)域防滲措施起不到防滲作用，將造成壩體滲漏，導(dǎo)致壩體浸潤(rùn)線較高，壩坡的安全系數(shù)降低，可能使壩體產(chǎn)生變形或蠕變破壞。

(2)壩體的整改和加固應(yīng)結(jié)合尾礦庫(kù)的實(shí)際情況，并經(jīng)計(jì)算分析，確保采取整改措施后令尾礦庫(kù)的隱患情況得到妥善處理。

(3)壩體安全受各種因素的影響，時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生變化。為了保證壩體安全，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)壩體的安全管理，建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)了解和掌握各種條件下壩體的變化狀態(tài)，提供不穩(wěn)定狀態(tài)的詳細(xì)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)征兆，及時(shí)采取措施防止事故發(fā)生，最大限度減輕災(zāi)害損失。

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Accident Potential Analysis and Management Research of Tailings Pond Dam of a Mine

LIU Jia－dong1，QIU Yu2，LU Hong－bin2

(1.College of Wentian，Hehai University，Ma－anshan 243031，Anhui，China; 2.Sinosteel Ma－anshan Institute of Mining Research Co.，Ltd，Ma－anshan 243000，Anhui，China)

Accident potential of tailings pond dam was studied and analyzed，the slope stability was checked using Lizheng software and control of the current accident potential was researched.Study results show that the security situation of tailings pond will be improved after taking measures.In the future management process of the tailings pond dam it should strengthen the monitoring and maintenance of the tailings pond dam to ensure its stability.It is certain reference significance for the improvement，stability analysis and governance of the similar tailings pond dam.

Tailings pond;Accident potential;Stability analysis;Control measures

X751

A

1671－8755(2015)03－0031－04

2015－02－04

劉加冬(1982—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)閹r土安全。E－mail:lid8209@163.com