剛果（金）某尾礦壩注漿加固技術應用研究

楊懿全，劉超，郭其林，王宏亮，王乃斌，許永權

(北方礦業有限公司， 北京 100053)

0 引言

尾礦庫是礦山安全生產的重要設施，尾礦滲漏和尾礦壩失穩是需要重點防范的尾礦庫安全環保隱患，而滲流與其穩定性息息相關[1]。目前，對尾礦壩邊坡進行穩定性分析的方法包括極限平衡法、基于有限元或有限差分的強度折減法、可靠度理論 等[2]。林杰等[3]基于有限元法，研究了土工席墊對尾礦壩滲流控制效果和穩定性的影響。武偉偉等[4]基于有限元法，利用露天采石場實測爆破振動，對灰渣壩的進行了動力響應分析。蔣水華等[5]采用考慮參數空間變異性尾礦壩可靠度分析的非侵入式隨機有限元法，探究了尾礦材料的空間變異性對尾礦壩穩定性的影響。李洪梁等[6]利用極限平衡法評價了高速率筑壩下的五道溝尾礦庫穩定性。

注漿加固是通過把固化漿液注入壩體，達到有效堵塞壩體導水通道，改善壩體材料物理力學性質，提高壩體穩定性的效果。在治理浸潤線過高，滲流量加劇的尾礦壩應用廣泛。王光進[7]利用注漿對富家塢尾礦庫初期壩進行了有效加固，劉福東[8]利用化學注漿技術對某尾礦庫進行了帷幕注漿。秦鵬 飛[9]利用FLAC3D分析了某尾礦庫注漿后形成帷幕帶對壩體應力的影響。

國內為尾礦庫主體部分一般由尾礦堆積而成，控制干灘長度可有效增大滲徑，降低浸潤線，增強壩體穩定性，但生產運營中需不斷延伸排尾管道[10]；碾壓土石壩型尾礦庫一次性筑壩，管理方便，運營成本低，在非洲地區應用較多。本文針對剛果（金）某土石碾壓壩型尾礦壩壩面防滲膜出現破損的情況，借助基于有限元的流固耦合三維數值計算，采用灌漿加固的方式提高了壩土體材料的力學性質，降低了壩體浸潤線，提高了壩體安全系數。

1 注漿加固前壩體滲流穩定性

剛果（金）某銅鈷礦一期尾礦庫位于一條腹空開闊的“U”型山谷，山谷呈南北走向。設計壩頂標高1482 m，壩高48 m，軸長246 m，有效庫容為282萬m3，上游自頂而底共兩級放坡，坡比均為1:2，一級放坡至1468 m處，二級放坡至壩底。下游自頂至底共3級放坡，坡比分別為1:2.2，1:2.5，1:1.8，一級放坡至1468 m處，二級放坡至1452 m處，三級放坡至壩底。尾礦壩主壩采用碾壓土石料一次性建壩，壩體下游設置石料碾壓的排水棱體子壩，壩體上游面采用1.5 mm HDPE防滲膜作為防滲層，膜下采用400 g/m2土工布保護，并在土工布下設置3 m厚粉土過渡層，形成防滲鋪蓋。

在尾礦庫運行約4年后，壩體上游水位為1478 m，壩面上游HDPE防滲膜局部老化破損、脫焊， 壩面下游局部滲水。

1.1 模型的建立

根據實際測量情況，建立真三維有限元計算模型，如圖1所示。

圖1 模型網格

1.2 物理力學參數

發現壩體滲流后，即刻開展工勘工作，以驗證主壩內土體情況。結合鉆孔樣原狀土剪切試驗結 果與項目積累的資料，確定巖土物理力學參數，見表1。

表1 注漿前各材料物理力學參數

1.3 計算方式

由于防滲膜局部破損，分別以純應力場和壩面上游1478 m總水頭條件下的滲流應力場耦合的計算方式，模擬防滲膜完好和完全失效兩種狀態。滲流應力耦合方式為：通過滲流計算得出孔隙壓力，基于沙太基（Terzaghi）理論，計算單元有效應力，從而實現滲流場和應力場的間接耦合。

1.4 計算結果

純應力及滲流應力耦合計算的壩體等效應變分別見圖2、圖3。結果表明，壩面應變主要出現在主壩西部與主壩1452 m馬道處。主壩1452 m處主要受上部碾壓土壓力而產生橫向應變；主壩西部原地形較陡，壩體產生不均勻沉降，因剪切而產生法向應變，由于碾壓土抗剪能力較弱，壩體西部易出現法向裂紋。由于滲流的作用，碾壓土受孔隙壓力影響，有效應力增加，壩面應變增加明顯，與防滲膜局部破碎后壩體位移監測數據增大的實際情況相符。

圖2 純應力計算下的等效應變

圖3 滲流應力耦合計算下等效應變

利用強度折減法計算得到，在純應力場作用下，壩體邊坡的安全系數為1.71，壩體穩定性良好；在滲流應力場作用下的邊坡的安全系數為1.25，接近尾礦設施設計規范中正常工況下的安全系數（1.15～1.25）。由此可見，壩體滲流會導致壩體穩定性明顯下降，防滲是壩體加固的關鍵。

2 注漿加固后壩體滲流穩定性

2.1 注漿加固

為提高壩體穩定性，采用鉆孔注漿的方式加固壩體。分別沿1482 m壩頂及1468 m馬道軸線布置2條注漿帶，總長為188 m，鉆孔底部進入弱含水層或相對隔水層，即超過軟泥層。設計施工190個注漿孔，實際根據鉆孔揭露土層情況加密為251個注漿孔，鉆探4533.9 m，注漿終孔壓力不大于0.5 MPa，注水泥漿量為201.3 m3，使用水泥152.2 t，設計的注漿鉆孔見圖4。在注漿孔之間施工4個驗證孔，并進行土工試驗，確定注漿后主壩土體物理力學參數見表2。注漿后鉆土芯泥化現象得到顯著改善，如圖5所示。

圖5 注漿前后鉆孔土芯對比

表2 注漿后主壩物理力學參數

圖4 設計注漿孔

利用注漿后的物理力學參數，假設壩面防滲 膜完全失效為假設，重新對壩體進行滲流應力耦合計算。

2.2 注漿加固對滲流的影響

注漿前后的滲流計算壩體孔隙壓力如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，壩面孔隙水壓最大的 區域位于壩體中部，即1468 m馬道附近，與壩面實際主要滲水區域相符。注漿前，壩體中部截面的1482 m壩頂、1468 m馬道、1452 m馬道浸潤線深度分別為7.3 m、1.6 m和2.6 m；注漿后，浸潤線深度分別降低至9.2 m、6.7 m和11.1 m，隨著滲流距離的增長，浸潤線降低量逐漸增減，接近子壩排水棱體時，速度水頭增加，浸潤線降低更加明顯（見圖8）。可見，注漿使得壩體碾壓土的滲透性降低，滲流狀態得到了較大的改善。

圖6 注漿加固前孔隙壓力

圖7 注漿加固后孔隙壓力

圖8 滲流距離與浸潤線降低的關系

2.3 注漿加固對穩定性的影響

注漿前后計算的壩體沉降如圖9、圖10所示。由圖可知，壩體沉降最大區域為壩頂軸線靠西位置，靠近對堆石子壩附近，則出現隆起。這是由于沉降主要受原始地形影響，沉降最大區域正下方為原溝谷，碾壓土高度最大，主壩整體向原溝谷軸中方向沉降；而子壩堆石剛度較大，主壩碾壓土在此附近受到擠壓，出現一定隆起。由于注漿液改變了碾壓土容重，壩頂沉降量從81 cm增加到88 cm，同時，由于漿體的黏結作用，主壩整體剛度增加，最大隆起量減小約0.4 cm。

圖9 注漿前沉降

圖10 注漿后沉降

注漿前后極限平衡狀態下的等效應變如圖11、圖12所示。由圖可知，注漿后，由于浸潤線的下降和碾壓土力學性質的改善，壩體安全系數從1.25增加至1.30。

圖11 注漿前極限平衡狀態下等效應變

圖12 注漿后極限平衡狀態下等效應變

3 實際效果分析

（1）壩面浸潤線降低。注漿前，壩面1468 m馬道區域出現較多滲流點，注漿后壩面滲水流量明顯減少，注漿1個月后滲水點滲流量持續減少，部分滲流點陸續干涸，注漿約2個月后滲流點全部干涸；同時，驗證孔表明，主壩內浸潤線整體降低了5～10 m，注漿止滲效果明顯。

（2）位移變化速率減緩。如圖13所示，壩面1468 m馬道中部為浸潤線最高的區域，土壤飽和度較高，每周位移變化量幅度較大。注漿前，壩軸法向（X向）每周最大位移變化量超過20 mm，注漿后，基本控制在5 mm以內，各向位移變化量降低也較為明顯，壩體整體位移趨于平緩。

圖13 1468 m馬道中部位移監測點

利用注漿工作，有效地堵截了壩體滲漏通道，降低了壩體浸潤線，提高了壩體土體強度，壩體位 移也趨于穩定，壩體安全系數提高。

4 結論

針對剛果（金）某銅鈷礦碾壓土石壩型尾礦壩上游壩面上游HDPE防滲膜局部老化破損、脫焊，壩面下游局部滲水的情況，借助基于有限元的流固耦合三維數值計算，采用注漿加固的方式加固壩體，得出如下結論。

（1）壩面上游HDPE防滲膜局部破損使得壩體浸潤線升高，壩體安全系數下降明顯，隨著防滲膜破損程度的增加，壩面滲流點易多發于1468 m馬道附近，壩體西部易出現法向裂紋。

（2）注漿可有效堵截壩體滲漏通道，降低壩體浸潤線，同時通過黏合碾壓土顆粒，增強其黏結力，提高壩體穩定性。

（3）浸潤線降低程度與滲流距離呈正相關，可改為壩前放礦的方式，增大壩體厚度，進一步降低壩體浸潤線，提高壩體穩定性。