斜墻土石壩和拋石擠淤結合強夯置換法在某尾礦庫加高工程中的應用

胡祥群,岑 建,楊國棟(.中國恩菲工程技術有限公司,北京00038;.中條山有色金屬集團有限公司,山西 垣曲043700)

1 前言

近年來,隨著國民經濟的發展,人們生活和文化水平的提高,國家大力倡導綠色礦山,人們環保意識日漸加強,礦山行業各種政策越來越嚴謹規范,新建尾礦庫周期越來越長,因此對老庫實施加高擴容的案例越來越多,這樣能大量地節約用地,減少環境污染源,投資和運行成本也大大減少。

尾礦庫作為礦山配套的安全和環保設施,其安全性與人民生命財產和當地環境息息相關,其中排洪系統的安全問題是尾礦庫的重要關注點。一般,匯水面積較大的尾礦庫常常在上游設攔排洪系統,該系統能起到減少尾礦庫入庫水量,降低尾礦庫防洪壓力的作用。上游攔排洪系統常常包括上游攔水壩和溢洪道。對此類尾礦庫實施加高擴容,需要將上游攔水壩同步加高,出于其在尾礦庫分洪任務中發揮了很大的作用,因此如何對其進行既安全又經濟合理的加高顯得尤為重要。

2 工程概況

山西銅礦某尾礦庫為典型的截河型尾礦庫,由尾礦壩、攔洪壩和兩側山體圍成,于1972年投入使用。為了降低尾礦庫防洪壓力,設有上游攔排洪系統,由攔水壩和溢洪道組成,將上游54.60km2匯水面積的雨水攔截后經溢洪道排走,尾礦庫匯水面積僅剩下約6.65km2,由此可見,上游攔排洪設施發揮了很大的分洪作用,從本質上提升了尾礦庫的安全度。該庫原設計使用至570m 標高,總壩高84m,總庫容1.25 億m3,屬二等庫。為解決礦山持續生產的排尾問題,2014年對該庫進行了加高擴容設計,增加庫容約5 040 萬m3,總庫容達1.754 億m3,總壩高達99m,仍屬二等庫。加高擴容工程中包括對上游攔水壩進行相應的加高。

原設計上游攔洪壩為均質土壩,壩頂標高為575m,壩高約24m。由于上游攔水壩位于尾礦庫庫尾,距離放礦點距離較遠,因此,壩體附近沉積的尾礦細顆粒較多,截至2014年,壩附近尾砂淤積標高約555m,部分區域淤積厚度至10m,庫內正常水位約560m,水深約5m。加高前壩頂有一條縣級公路,尾礦庫加高工程不宜影響該路通行,且希望能予以保留。項目現場有大量的廢石可供使用,希望能予以利用。根據前述需求,上游攔水壩加高采用下游法,壩型為斜墻土石壩。由于加高壩體位于尾礦庫庫內,壩基坐落在尾礦細粒層上,針對這一典型的軟弱地基上的土石壩加高工程,設計結合工程勘察,推薦了采用拋石擠淤加強夯置換法對壩基進行處理。通過壩體滲流和壩坡穩定性計算分析、壩體填筑孔隙度檢測、壩體實測沉降數據,驗證了加高方案和壩基處理方法的安全性。

3 上游攔水壩加高方案

對已建攔水壩采用下游法進行加高,壩型為斜墻土石壩。加高后壩頂標高為585m,總壩高約35m。壩頂寬4m,上游壩坡564.5m 處設置寬約15m 平臺,平臺以上邊坡1∶3,平臺以下邊坡為拋土的自然安息角。下游壩坡1∶1.8。壩體分區:底部為擠淤堆石區、上游為黏土斜墻區、中部和下游為堆石區,除此之外,各種材料結合面設過渡區。剖面圖如圖1所示。

圖1 攔水壩加高典型剖面圖

4 拋石擠淤結合強夯置換法壩基處理

根據軟土的性質和空間分布,一般可通過塑料排水板堆載預壓、砂樁振沖擠密、強夯置換、拋石擠淤等方法進行加固處理[1]。與其他加固方法比較,拋石擠淤法施工方便快捷、工藝簡單、不用抽水、不用挖淤、施工迅速,特別適用于軟弱地基表面存在大量積水無法排除的區域。對施工區域附近石料豐富的情況,采用拋石擠淤進行軟基處理,可以有效節約施工成本和工期。

對于拋石擠壓法的有效擠淤深度和適用范圍,有學者認為,一般適用于厚度不大于4m,且表層硬殼被挖除的具有觸變性流塑狀的飽和淤泥或淤泥質土處理,對于5m 以上的深厚淤泥或者淤泥質土則還需輔以爆破或者強夯措施[2]。

借鑒填海工程和淤泥地基處理工程經驗[3-4],上游攔水壩加高壩基處理工藝選用拋石擠淤加強夯置換法。水面以下采用水中拋石,水面以上采用重錘分層夯實,將石料壓入水下尾礦細粒層,部分細粒尾礦擠向庫內,部分細粒尾礦擠入石縫中,以實現壩基置換,加大壩基承載力,減小壩體運行過程中的不均勻沉降。

石料要求:水面以下石料巖性為硬質巖石,粒徑50～250mm,以避免其遇水后軟化造成壩基過大沉降而危及大壩的安全。

填筑要求:堆石壓實后孔隙率不大于20%,夯擊能量、夯擊遍數、鋪設厚度等應在試夯基礎上,根據堆石料壓實后檢測的孔隙率進行調整。

5 壩體滲流和邊坡穩定性計算驗證

5.1 計算模型

根據前述加高方案和壩基處理方法,確定壩體與壩基材料分區,建立簡化計算模型如圖2所示。

5.2 邊界條件

圖2 簡化計算模型

根據尾礦庫加高擴容工程調洪演算成果、工程勘察地下水資料,確定上游攔水壩上、下游邊界水位。正常工況:上游邊界水位為580.00m,下游邊界水位為558.00m;洪水工程:上游邊界水位為582.50m,下游邊界水位為564.40m。

5.3 計算參數

根據工程勘察和類似工程經驗數據,確定各土層滲流系數、物理力學指標分別見表1和表2。

表1 各地層材料滲透系數

表2 各土層物理力學指標

5.4 計算結果

采用理正巖土計算軟件中滲流問題有限元分析計算程序和邊坡穩定分析程序分別進行壩體滲流和壩坡穩定計算。滲流計算包括正常和洪水兩個工況,由于尾礦庫地震設計烈度為7 度地區,穩定計算包括正常、洪水和地震三個工況。計算結果詳見表3,圖3、圖4和圖5。經計算分析驗證,采用斜墻土石壩加高方案對上游攔水壩實施加高,浸潤線出溢標高較低,需做好不同材料結合面的過渡和反濾設計以防滲透破壞,壩坡穩定能滿足相關規范要求。

表3 攔水壩壩坡穩定計算結果表

6 工程實施效果

2014年5月,壩體填筑至564.50m 時,為了進一步檢測堆石區填筑質量,進行了孔隙度檢測試驗,具體情況見表4。根據檢測結果,當時已強夯結束的三層壩體所有檢測點孔隙度均小于20%,滿足設計要求。

上游攔水壩加高工程一次性設計,分兩期施工,第一期加高至575m 標高,在壩頂預留了后續加高所需平臺,于2014年7月完工,第二期加高至585m標高,于2020年6月完工。2014年12月15日—2015年3月5日的位移觀測數據顯示,沉降量3～6mm,壩體加高時預留了0.5m 的沉降余量,如沉降按該速度發展,預留高度能夠滿足實際沉降需求。

圖3 攔水壩正常工況浸潤線和壩坡穩定計算結果

圖4 攔水壩洪水工況浸潤線和壩坡穩定計算結果

圖5 攔水壩特殊工況壩坡穩定計算結果

表4 孔隙度檢測成果表

7 結論

(1)針對尾礦庫加高工程中遇到的攔水壩加高問題,結合建設條件和當地材料,選用了斜墻土石壩的下游法加高方案,并通過壩體滲流和壩坡穩定性計算分析驗證了壩體滲流和壩坡穩定性滿足相關規范要求。

(2)借鑒填海工程和淤泥地基處理工程經驗,將拋石擠淤結合強夯置換法的軟弱地基處理方法成功的運用到了尾礦庫加高工程中,具有很好的實際意義。

(3)為了檢測拋石擠淤結合強夯置換法的實施效果,提出了孔隙度檢測和沉降量觀測的手段,能夠較好地控制工程質量。