9度地震區上游法尾礦庫抗震措施研究

程 敏 于忠鋒 譚杰驥

（長沙有色冶金設計研究院有限公司）

尾礦庫是一個具有高勢能的重大危險源，特別是在強地震烈度區，萬一發生潰壩事故，將造成嚴重的環境影響，甚至生命財產損失。處在地震區域的尾礦庫特別是上游法濕排尾礦庫，由于壩體大部分處于飽和狀態，對地震作用非常敏感，更容易受地震因素的影響發生壩體失穩甚至潰壩事故。如1965年智利COBRE尾礦壩因地震發生潰壩，2008年受汶川地震影響的4座上游法尾礦庫發生了不同程度的損毀甚至潰壩。因此，推動發展強震區尾礦壩堆壩技術一直是國內外尾礦行業的重要研究課題。

根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）相關要求，地震設防烈度為8～9度的地區，宜采用下游法或中線法筑壩，采用上游法筑壩時應采取抗震措施。對加高擴容工程采用的筑壩方式，要考慮尾礦庫已經存在的地形條件、征地難度等局限條件，對高地震烈度區采用上游法筑壩要考慮的具體抗震措施格外重要。主要從放緩外壩坡坡度和降低壩體浸潤線2個方面保證壩體安全。

1 工程概述

某尾礦庫工程位于塔吉克斯坦西部某山區，根據塔吉克斯坦地震區域劃分圖，尾礦庫所在地塊的地震活動級為8級，按地震特性，尾礦庫盆地巖土的等級為III級，設計地震烈度為9級，場地基本地震水平加速度為0.4g。

該尾礦庫原設計的初期壩體標高為1 255 m，中線法筑壩至最終壩頂1 290 m標高，總壩高為72.5 m，總庫容約1 600萬m3，剩余的庫容不能滿足貯存未來礦山生產的全部硫化礦尾礦的要求，急需加高擴容。加高擴容可節省基建投資，加快建設進度，減輕建設難度，減少礦山用地，同時對保證選廠持續運行有至關重要的影響。

而根據尾礦庫實際地形條件及當地征地政策，采用下游法加高的壩體工程量巨大，建設成本高，占用更多土地，征地難度大；采用中線法加高下游也需占用較多土地，且運行管理復雜，難以滿足要求。所以該尾礦庫采用上游法筑壩加高方案成為唯一的選擇，從現狀1 290 m標高按1∶5平均邊坡采用上游法尾礦堆積至1 317 m，總壩高為99.5 m，新增有效庫容近2 800萬m3，為三等庫，可滿足礦山未來堆存需要。

本尾礦庫采用上游法加高，主要從放緩外壩坡坡度和增設排滲設施2個方面保證壩體的抗震和穩定。

2 放緩外壩坡方案比選［1-5］

根據抗震穩定要求和工程經驗，1 290 m標高下游平均坡比從現狀的1∶2.5調整為1∶3.5，設計對放緩外壩坡的2個方案進行比選。

放緩外壩坡方案一：根據現狀1 290 m標高下游平均坡比為1∶2.5，直接培厚至平均坡比1∶3.5，每隔15 m高設置一級寬6 m的馬道，坡腳1 230 m標高以下設排水棱體，見圖1。

放緩外壩坡方案二：考慮1 290 m標高現有平臺寬度將近50 m左右，在現有壩坡的基礎上進行削坡至平均坡比1∶3.5，平均坡比沒有達到1∶3.5的壩段再進行培厚，每隔15 m高設置一級寬6 m的馬道，同樣在坡腳1 230 m標高以下設排水棱體，見圖2。

根據表1可知，方案二的工程量較小，對下游占地面積相對較少，且在同樣下游坡比的條件下，方案二抗震效果略好于方案一，故推薦按上部削坡、下部培厚的方式放緩已有尾礦壩外壩坡。

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3 增設排滲設施方案比選

本次擴容設計尾礦繼續向上堆高27 m，浸潤線對壩體穩定性意義極為重大，而目前尾礦壩未采用有效的降低浸潤線措施，浸潤線埋深為14～18 m，相對較高。為保證尾礦庫穩定，在放緩外壩坡的基礎上，需在壩體內部設置排滲設施，以確保浸潤線降深滿足設計要求，本次設計對2種排滲方案進行比選。

排滲方案一：往庫內直接偏移設置6組輻射井，輻射井內徑3.0 m，其中4組輻射井深36 m，2組輻射井深H=32 m。每組輻射井設置長80 m集滲管4排，每排6根。輻射井布置方案見圖3。

排滲方案二：考慮輻射井距壩體外坡距離較遠，施工較困難，在輻射井中間加中集井。現狀1 290 m標高壩軸線位置設中集井，往庫內垂直距離30 m設6口輻射井，并與中集井通過管道進行連接。6組輻射井內徑為3.0 m，其中4組輻射井深為36 m，2組輻射井深為32 m。2組中集井內徑為3.4 m，深37 m。每組輻射井設置長80 m集滲管4排，每排6根。輻射井布置方案見圖4。

經初步估算，2套方案投資相差不大。從施工難度比較，排滲方案一施工難度大，主要表現在排滲管要一次性經過約32 m長的碎石初期壩體，排滲管長達195 m；排滲方案二在壩軸線位置施工中集井，中集井施工難度較小，縮短了排滲管長度至160 m，降低了整體施工難度。綜合比較，推薦采用排滲方案二降低壩體浸潤線。

為降低后期堆積壩體的浸潤線，在原設計壩頂1 290 m標高及以上堆積壩體內每上升5 m設置1層水平排滲設施。即在距離灘頂200 m處平行壩軸線鋪設1層土工布包裹的土工席墊，土工席墊厚12 mm，寬2.0 m，鋪設3排，間距為2.0 m，長度至壩體與山體交接處，并在每層席墊中預埋1根MY100集滲盲溝，垂直壩軸線每間距50 m布置1個DN100排水鋼管，與集滲盲溝三通相連，將堆積壩體內的滲水排入壩坡排水溝。

4 穩定性計算

根據尾礦庫工勘資料和工程經驗，壩體穩定計算分析的各層材料計算參數見表2。根據增設的排滲設施及削坡培厚方案，經計算在最終堆積壩頂1 317 m位置時，壩體浸潤線平均降深為25～30 m。

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采取上述抗震措施后，采用瑞典圓弧法對尾礦壩進行穩定計算，地震工況下壩體的最小抗滑穩定安全系數為1.053，可滿足規范要求最小值1.05，典型剖面最小安全系數滑弧見圖5。

5 結 論

（1）根據尾礦庫地形和壩坡實際情況，從抗震安全和經濟可行方面考慮，采取削坡+培厚的放緩壩坡方案要優于單純培厚放緩壩坡方案。

（2）從減小施工難度和增強可操作性方面考慮，采用大口輻射井+中集井的排滲措施，可明顯降低壩體內的浸潤線。

（3）通過放緩壩坡以增大坡腳壓重和增設排滲措施以降低浸潤線等有效抗震措施，可增大抗滑力，減小飽和土體，在9度地震下壩體抗滑穩定性能滿足規范要求。