某尾礦庫副壩加固穩(wěn)定性研究

王建偉 李元鋒 吳鷹翔

(江西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究中心(江西省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心),江西 南昌 330030)

0 引言

尾礦庫是一個(gè)具有高勢能的人造泥石流重大危險(xiǎn)源，尾礦庫一旦失事，將會(huì)給當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及尾礦庫下游居民的生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)造成巨大的災(zāi)害和損失。因此當(dāng)尾礦壩下游有重要設(shè)施和居民時(shí)尾礦壩的穩(wěn)定性分析就更為重要。本文特色之處是該尾礦庫副壩下游有一露天采礦場。露天采礦場是礦山企業(yè)主要的工作場所，如果副壩出現(xiàn)事故，對(duì)下游采場工作人員的人身安全和財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，因此副壩的穩(wěn)定性分析就更為重要。

1 工程簡介

江西某尾礦庫是于2002年6月建成投入使用的，為山谷型四等庫。至2012年6月底，尾礦庫剩余42萬庫容，剩余服務(wù)年限3年～4年。該礦庫庫尾的副壩原設(shè)計(jì)為粘土斜墻堆石壩，迎水面為粘土斜墻，背水面為堆石體，粘土體與堆石體之間設(shè)置一層土工膜防滲，副壩壩體設(shè)計(jì)為不透水壩，但壩基未進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)；初期設(shè)計(jì)的副壩軸線長72 m，壩高15.4 m，壩頂標(biāo)高173 m，壩頂寬4 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。2001年7月，在副壩施工至165 m標(biāo)高時(shí)，尾礦庫水位上升導(dǎo)致尾礦庫水倒灌至露天采場，為了保證正常生產(chǎn)，臨時(shí)采用采場廢石一次性堆筑形成透水壩。現(xiàn)有副壩的壩頂標(biāo)高185 m，壩頂寬12 m，壩體上游壩坡1∶1.2，下游壩坡1∶1.7。副壩作為阻擋尾礦庫渣進(jìn)入露天采場的屏障，已安全穩(wěn)定運(yùn)行超過10年。目前尾礦庫庫水滲入采場的日均滲水量約為200 m3(見圖1)。

副壩區(qū)域主要為構(gòu)造剝蝕丘陵地形，總體地勢為南東高、北西低，走勢北東—南西，山脊舒緩，呈波狀起伏。尾礦庫副壩位于一近南北向長條狀溝谷尾部，溝谷開口朝北，溝長1 km左右。兩壩肩山坡為凸形坡或折線形坡，坡度一般為20°～30°，局部35°～40°(見圖2,圖3)。

作為尾礦庫擴(kuò)容工程主要部分的副壩，由于提高了運(yùn)行要求，并考慮后期副壩壩前的排尾堆渣，為確保副壩的安全穩(wěn)定，對(duì)其實(shí)施加固處理是十分必要的。在有關(guān)副壩的加固設(shè)計(jì)方案中，將副壩上游壩坡設(shè)砂礫料和粗砂反濾層，反濾層外設(shè)干砌塊石護(hù)坡，最終形成上游壩坡坡度1∶2.0；副壩下游壩坡采用干砌塊石護(hù)坡，使副壩下游壩坡坡度達(dá)到1∶2.0，副壩壩體加固方量約為3 000 m3。副壩加固剖面圖見圖4。

現(xiàn)有副壩實(shí)際為透水壩，隨著尾礦庫水位逐漸升高以及采場底部標(biāo)高不斷降低，滲流水頭會(huì)逐漸增大，最大達(dá)到近60 m，而滲徑只有150 m，滲透坡降最大達(dá)到40%，尾礦庫向采場內(nèi)的滲流量會(huì)大大增加，同時(shí)副壩壩體也有可能發(fā)生滲透破壞。為了盡量減少尾礦水向采場的滲漏量，消除安全隱患，設(shè)計(jì)將尾礦放礦管引至副壩壩前進(jìn)行壩前均勻排尾堆渣，在副壩壩前形成約200 m長的干灘，滲透坡降將減小至17%，尾礦水向采場的滲漏量將大大減少，這對(duì)副壩壩體穩(wěn)定性也是有利的。尾礦庫副壩壩體安全穩(wěn)定性分析。

在該尾礦庫擴(kuò)建工程中，對(duì)副壩采取加固的措施，并計(jì)劃在副壩附近排尾堆渣。由于將要提高尾礦庫的運(yùn)行水位，分析加固后的副壩在各種運(yùn)行工況條件下的滲流狀況、壩體的安全穩(wěn)定性是必要的。

2 尾礦庫副壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算方法:

滲流有限元分析基本方程為：

(1)

其中,[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲(chǔ)水量矩陣；{Q}為邊界流量對(duì)節(jié)點(diǎn)水頭的貢獻(xiàn)；t為時(shí)間。

瑞典圓弧滑動(dòng)面條分法，是將假定滑動(dòng)面以上的土體分成n個(gè)垂直土條，對(duì)作用于各土條上的力進(jìn)行力和力矩平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)(見圖5)。

邊坡破壞以滑動(dòng)面形式表現(xiàn)，土坡滑動(dòng)面的形狀取決于土質(zhì)，對(duì)于粘土，多為圓柱面或碗形；對(duì)于砂土，則近似平面。阻止滑動(dòng)的抗滑力矩與促使滑動(dòng)的滑動(dòng)力矩之比，即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K：

(2)

其中,L為滑動(dòng)圓弧的長度;τi為滑動(dòng)面上的平均抗剪強(qiáng)度;R為以滑動(dòng)圓心O為圓心的滑動(dòng)圓弧的半徑;W為滑動(dòng)土體的重量;d為W作用線對(duì)滑動(dòng)圓心O的距離。

如K>1.0表示壩坡穩(wěn)定；K=1.0壩坡處于極限平衡狀態(tài)；K<1.0則壩坡不穩(wěn)定。首先要確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的形狀，即找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的滑動(dòng)圓心O，然后畫出最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧。欲找出K值最小的最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧，一般根據(jù)土質(zhì)參照設(shè)計(jì)規(guī)范按經(jīng)驗(yàn)選取，選出一組滑動(dòng)面，進(jìn)行試算，在所計(jì)算得到的安全系數(shù)中最小的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

壩體內(nèi)水頭有明顯消散，下游堆石體前壩殼料出逸坡降在最高洪水水位時(shí)超過允許值，但是由于有堆石體的反濾層保護(hù)，可有效防止管涌和流土，允許滲透坡降可提高30%?？紤]最高洪水位運(yùn)行的時(shí)間很短，且有可靠的防護(hù)措施，故認(rèn)為滲透系數(shù)滿足要求。

3 壩前排尾前的壩體滲流穩(wěn)定分析

表1 尾礦庫副壩(最不利剖面)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表1給出的計(jì)算結(jié)果表明，各工況條件下的壩體安全系數(shù)(Fs)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)條件下的規(guī)范允許值，說明礦尾礦庫副壩壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

在壩前實(shí)施排尾堆渣后，副壩壩體的浸潤線會(huì)有明顯降低，同時(shí)壩體的滲透比降和壩體滲流量也有不同程度的下降。壩體的滲流狀況進(jìn)一步得到改善，這對(duì)壩體的穩(wěn)定是有利的。

穩(wěn)定分析是確定壩體設(shè)計(jì)剖面和評(píng)價(jià)壩體安全的主要依據(jù)。土石混合是一種具有強(qiáng)非線性性質(zhì)的材料，由于對(duì)土石壩壩坡失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究還不夠充分，因此在穩(wěn)定分析方法和控制標(biāo)準(zhǔn)方面，在相當(dāng)大的程度上還要依靠工程經(jīng)驗(yàn)和判斷。工程上采用的土坡穩(wěn)定分析方法，主要建立在極限平衡理論基礎(chǔ)上，通過不同的分析方法以確定壩體中具有最小安全系數(shù)的可能滑動(dòng)面的位置和形狀(見圖6～圖8)。我國土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，土石壩的穩(wěn)定分析仍以瑞典圓弧法為主。由計(jì)算結(jié)果可知，壩前的排尾堆渣可以減少壩體的滲透量由于客觀上提高了壩體的斷面寬度，對(duì)于進(jìn)一步提高壩體安全穩(wěn)定性是有益的。

4 結(jié)語

尾礦庫是一個(gè)具有高勢能的人造泥石流重大危險(xiǎn)源，其穩(wěn)定性影響重大。以某尾礦壩現(xiàn)場勘察報(bào)告為依據(jù)，對(duì)尾礦壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，確定副壩上游壩坡設(shè)砂礫料和粗砂反濾層，反濾層外設(shè)干砌塊石護(hù)坡，下游壩面采用干砌塊石護(hù)坡的方案，在實(shí)現(xiàn)副壩壩前排尾后，副壩浸潤線會(huì)有明顯降低，同時(shí)壩體的滲透比降和壩體滲流量也有不同程度的下降，各工況壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。