某金礦初期壩與堆積壩體穩(wěn)定性計(jì)算與分析

趙云剛 許德鮮 文 君

0 引言

尾礦壩(庫(kù))是用來存放選礦或有用礦物提取后剩余的排棄物,即尾礦,是選礦生產(chǎn)設(shè)施重要組成部分。尾礦壩能否安全穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)選廠生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)尾礦壩又是一個(gè)重大的危險(xiǎn)源。因此,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)尾礦壩的穩(wěn)定性是防止尾礦失穩(wěn)潰壩、威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的前提,并為最終的防治提供依據(jù),也是確保尾礦安全運(yùn)行的必要條件。

1 尾礦壩現(xiàn)狀特點(diǎn)分析

1.1 初期壩現(xiàn)狀條件

因初期壩當(dāng)初未按1990年設(shè)計(jì)的壩坡施工,人為縮小了壩體斷面。原設(shè)計(jì)迎水坡比 1∶1.75和 1∶2,而實(shí)際為1∶1和1∶1.75;原設(shè)計(jì)背水坡比為 1∶1.5 和 1∶1.2,而實(shí)際為 1∶1 和 1∶2。背水坡馬道以上坡比由原設(shè)計(jì)的1∶1.1削減為1∶1,壩體縱向減小3.5 m。此外,壩體碾壓不實(shí)、尾礦堆積坡比過大等不利因素也是導(dǎo)致壩體局部不穩(wěn)的主要原因。

技改加固后初期壩現(xiàn)狀：1)壩前增設(shè)反壓,把壩下涵洞延長(zhǎng)25 m,采用鋼筋混凝土澆筑拱涵。2)削緩壩坡,使堆積坡比為1∶6,子壩平均坡比 1∶7.2。3)加固后的初期壩外坡坡比 1∶3,內(nèi)坡比1∶1.75和1∶2.0,壩頂寬4.5 m。并在初期壩頂修筑一橫向混凝土擋墻,墻高80 cm,高出出溢點(diǎn)30 cm。4)完善初期壩壩肩截水溝為混凝土澆筑構(gòu)成,結(jié)構(gòu)完好,溝內(nèi)通暢。

至2007年年初,東溝尾礦壩堆積高程為1 409.30 m,已超過最后一次技改設(shè)計(jì)最終堆積高度19.30 m,壩總高達(dá)61.85 m,屬Ⅲ等庫(kù)。

1.2 堆積壩現(xiàn)狀條件

1)壩體結(jié)構(gòu)：經(jīng)勘察實(shí)測(cè)坡比(連同馬道寬度計(jì)算)1∶7.2＜1∶6(設(shè)計(jì)坡比),則是安全的。

2)堆積壩土的工程性質(zhì)沉積規(guī)律：根據(jù)勘察成果,從工程地質(zhì)剖面圖上可直觀顯示出尾礦堆積層的分布呈現(xiàn)外粗內(nèi)細(xì)、上粗下細(xì)的分選沉積規(guī)律。

3)土的均勻性：尾礦土在沉積過程中近水平層狀,其中尾粉砂中夾有薄層尾細(xì)砂或多層微層狀尾粉土或尾粉質(zhì)黏土;其下的尾粉土和尾粉質(zhì)黏土層則分布較均勻。

4)土的滲透性：尾礦土的滲透性是最為復(fù)雜和難以確定的參數(shù),根據(jù)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn),結(jié)合場(chǎng)地尾礦土的工程條件及浸潤(rùn)線位置,計(jì)算過程中推薦采用初期壩為0.08 m/d,尾粉砂層滲透系數(shù)K=0.17 m/d。

5)壩體浸潤(rùn)線位于尾粉砂層中上部,在壩頂一般埋深0.50 m～7.20 m;在子壩外坡地段一般埋深2.30 m～11.10 m。但在初期壩頂部后緣處明顯可見浸潤(rùn)線出溢點(diǎn)。在1 385 m高程外坡地段,浸潤(rùn)線埋藏淺。在1999年雨季期曾出現(xiàn)過浸潤(rùn)線出溢和壩坡坍塌的險(xiǎn)情。

2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)分析方法

本文綜合利用了極限平衡法、有限元分析法兩種方法。極限平衡法原理簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng),能夠直接得到壩體穩(wěn)定性的定量結(jié)果,應(yīng)用較廣;有限元法是通過建立數(shù)學(xué)模型,選擇適合材料的本構(gòu)關(guān)系來求解壩體在各種荷載作用的應(yīng)力應(yīng)變,然后按照一定的準(zhǔn)則,判斷并給出壩體的穩(wěn)定性,優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地考慮各種復(fù)雜地質(zhì)條件,并能夠得到壩體實(shí)際的應(yīng)力及位移情況,近年來得到大力發(fā)展。

2.2 極限平衡法穩(wěn)定性計(jì)算與分析

本文在利用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),在數(shù)值選取中充分考慮到工程類比之經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。穩(wěn)定性計(jì)算圖解和計(jì)算式如下(見圖1)：

當(dāng)應(yīng)用總應(yīng)力法時(shí),總應(yīng)力法宜以水土組合體為研究對(duì)象,水和顆粒之間的相互作用力為內(nèi)力,只需考慮條塊邊界上的力,主要受到垂直于邊界面的水壓力：

1)計(jì)算壩高確定。本勘察計(jì)算現(xiàn)狀壩高61.85 m(高程1 409.30 m)和擬定后的擴(kuò)容壩高71.85 m(高程1 419.30 m)。

2)計(jì)算工況和最小安全系數(shù)。計(jì)算工況和最小安全系數(shù)見表1。

3)計(jì)算方法與荷載組合。

計(jì)算方法與荷載組合見表2。

表1 計(jì)算工況和最小安全系數(shù)

表2 計(jì)算方法與荷載組合

4)計(jì)算參數(shù)取值。采用總應(yīng)力法分析計(jì)算時(shí),考慮地震影響的特殊工況及洪水和正常運(yùn)行工況,計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 總應(yīng)力法礦渣及堆石初期壩計(jì)算取值

5)計(jì)算剖面的選取。選擇典型的、有代表性的工程地質(zhì)縱剖面(沿可能破壞的軸心方向)為計(jì)算剖面。穩(wěn)定性計(jì)算采用基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法進(jìn)行。

6)計(jì)算成果及評(píng)價(jià)。通過對(duì)礦渣及堆石初期壩進(jìn)行穩(wěn)定性的計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸納、分析,其成果及評(píng)價(jià)見表4。

表4 礦渣及堆石初期壩計(jì)算成果表

2.3 尾礦壩滲流有限元計(jì)算與分析

1)計(jì)算剖面、計(jì)算工況和計(jì)算參數(shù)選取同上。

2)不同工況計(jì)算簡(jiǎn)圖。

a.正常運(yùn)行工況(壩高1 409.3高程)的滲流有限元計(jì)算評(píng)價(jià)：計(jì)算剖面簡(jiǎn)圖見圖2(計(jì)算過程從略)。

b.洪水運(yùn)行工況(壩高1409.3高程)的滲流有限元計(jì)算評(píng)價(jià)：

計(jì)算剖面簡(jiǎn)圖見圖3(計(jì)算過程從略)。

3)計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)。滲流有限元計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)見表5。

表5 滲流有限元計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

3 治理措施及建議

3.1 初期壩整治建議

1)增加初期壩高度,高出1 360.59 m浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)一定高度,讓溢出點(diǎn)低于初期壩頂;加寬初期壩頂寬度,并采取措施降低浸潤(rùn)線。

2)做好初期壩的動(dòng)態(tài)管理和監(jiān)測(cè)工作,避免初期壩的再次鼓脹造成事故。

3)根據(jù)上述監(jiān)測(cè)結(jié)果,必要時(shí)應(yīng)采取加固措施。

3.2 堆積壩整治建議

1)建議進(jìn)一步做好土石覆蓋和植樹、種草護(hù)坡工程,尤其是1 401 m～1 409 m高程地段。

2)建議對(duì)上述滲流計(jì)算結(jié)果1 380.0 m和1 386.7 m處進(jìn)行浸潤(rùn)線觀測(cè)、監(jiān)測(cè),采取動(dòng)態(tài)管理,以防止浸潤(rùn)線溢出造成事故。

3)建議在壩坡馬道較寬地段削緩上游陡坡填緩馬道后部,防止浸潤(rùn)線出溢,并做好坡面土石覆蓋和種草植樹等護(hù)坡工作。

4)增設(shè)壩坡體浸潤(rùn)線觀測(cè)裝置和壩體變形監(jiān)測(cè)裝置,跟蹤監(jiān)測(cè)以掌握壩體變形態(tài)勢(shì)。

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