某釩礦尾礦堆積壩穩(wěn)定性分析與計(jì)算

何紀(jì)林

某釩礦尾礦壩初期壩為重力砌石夾心不透水壩,壩高約22.0 m,壩底寬約23.0 m,壩頂寬3.0 m,壩頂軸線長62.0 m,尾礦壩庫容約12萬m3。該礦尾礦渣采取壩后任意排放方式,當(dāng)前庫內(nèi)尾礦渣距壩頂平均高程約1.3 m,整體呈壩前低,壩后高。為保證礦山正常生產(chǎn)經(jīng)營,壩體擬加高3 m～10 m。按AQ2006-2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程相應(yīng)規(guī)定,加高3 m～8 m時(shí),尾礦庫為五等庫;加高大于8 m時(shí),尾礦庫為四等庫。

1 堆場工程地質(zhì)條件

1.1 地形及地貌

尾礦庫所在位置地形切割劇烈,坡度一般為25°～35°,最大50°,溝谷形態(tài)呈“U”字形,地貌單元屬中低山區(qū)。

1.2 地層概況

場地內(nèi)尾礦堆積物總體規(guī)律是:顆粒組成自壩體附近向尾礦庫內(nèi)由細(xì)變粗。上部顆粒較粗,為尾礦砂,中間夾有碎石,下部顆粒變細(xì),為尾礦土,薄層互層現(xiàn)象較為普遍。堆場底部地層為第四系全新統(tǒng)坡、洪積)碎石類土,其下部為二疊系雜色千牧巖和泥質(zhì)灰?guī)r。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

場地地質(zhì)構(gòu)造單元屬秦祁地槽東秦嶺褶皺系之印支褶皺帶,位于兩河—鳳鎮(zhèn)—牛耳關(guān)—朱林關(guān)復(fù)活斷裂帶南側(cè),次級構(gòu)造復(fù)雜,壩址及庫區(qū)內(nèi)無斷層通過。

1.4 地下水

堆積壩浸潤線埋深介于0.3 m～3.3 m,水位縱向變化不大,總體上呈上游高、下游低,庫內(nèi)高、壩前低的趨勢。堆體內(nèi)地下水為賦存于尾礦土中的潛水。其補(bǔ)給源為生產(chǎn)排放尾礦水及大氣降水。堆場內(nèi)水的排泄由臥式排滲管排出。

1.5 場地地震效應(yīng)

尾礦壩屬4級構(gòu)筑物,抗震等級為4級,堆場所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.05g,相應(yīng)的地震基本烈度6度,地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。場地土層可不考慮液化及震陷的影響。

2 堆場壩體穩(wěn)定性分析與計(jì)算

2.1 尾礦壩現(xiàn)狀分析

尾礦壩壩體為重力砌石不透水壩,壩內(nèi)有溝道匯流,在暴雨情況下有大量洪水進(jìn)入壩內(nèi),現(xiàn)有臥式排滲管排水量較小,尾礦壩經(jīng)常處于飽和狀態(tài);尾礦壩礦渣采取壩后任意排放,壩體未做尾礦水滲漏導(dǎo)排措施,不利于庫內(nèi)浸潤線的降低和沉積尾礦的排水固結(jié)。

根據(jù)AQ2006-2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定,該尾礦庫無排滲系統(tǒng),繼續(xù)使用時(shí)必須增加必要的工程措施。

2.2 尾礦壩穩(wěn)定性評價(jià)

穩(wěn)定性計(jì)算采用瑞典圓弧法壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)進(jìn)行。

計(jì)算按正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行狀態(tài)兩種工況考慮,計(jì)算時(shí)考慮了地下水的滲透力,并采用總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論:1)尾礦堆積壩在現(xiàn)狀(飽水)運(yùn)行條件下為穩(wěn)定狀態(tài),滿足最小安全系數(shù)要求。2)后期子壩加高3 m,在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行條件下均為穩(wěn)定狀態(tài),滿足最小安全系數(shù)要求。3)后期子壩加高5 m,在正常運(yùn)行條件下均為穩(wěn)定狀態(tài),滿足最小安全系數(shù)要求,在洪水運(yùn)行條件下均不穩(wěn)定。4)后期子壩加高10 m,在正常運(yùn)行條件下均不滿足最小安全系數(shù)要求,在洪水運(yùn)行條件下均不穩(wěn)定。5)后期子壩加高5 m～10 m時(shí),尾礦壩內(nèi)尾礦泥厚度較大、工程性能差及浸潤線較高是造成尾礦壩不穩(wěn)定的主要原因。

2.3 尾礦壩加高排滲措施

基于以上分析,當(dāng)加高大于3 m時(shí),應(yīng)對該尾礦壩采取排滲措施。采取排滲措施后,后期子壩按1∶3.5坡比可加高10 m。此時(shí),建議除在初期壩壩頂平面布置水平排滲管外,還應(yīng)在初期壩高程以上按間距5.0 m、孔深約45.0 m布置水平排滲孔。對壩體排滲后,尾礦泥因排水固結(jié),土體密度增大,計(jì)算時(shí)取水上 c=15.0 kPa,φ=10.0°,水下 c=13.0 kPa,φ=10.0°,對計(jì)算剖面在加高、排滲處理、采用上游法筑壩后的正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可看出:1)采取排滲措施降低浸潤線和尾礦泥排水固結(jié)后,尾礦壩加高10.0 m,在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行狀態(tài)下均滿足AQ2006-2005尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定的最小安全系數(shù)要求。2)尾礦堆積壩在繼續(xù)加高運(yùn)行過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,留設(shè)馬道,坡比應(yīng)不大于1∶3.5。

綜合以上穩(wěn)定性分析可看出,浸潤線對壩體穩(wěn)定性的影響很大,當(dāng)浸潤線位置較高,壩體趨于飽和狀態(tài)時(shí),壩體穩(wěn)定性降低很多。在現(xiàn)狀條件下,加高尾礦壩穩(wěn)定性差是由于壩內(nèi)上部分布有比較厚的尾礦泥所致。故在尾礦壩繼續(xù)加高過程中,應(yīng)采用上游法筑壩,且需加強(qiáng)對庫區(qū)排放和排水的管理,采用壩前排放方式,并經(jīng)常變換排放口位置,使粗顆粒在壩前堆積。為滿足堆積壩的最小安全系數(shù)要求,建議在堆積壩設(shè)置排滲設(shè)施,以降低浸潤線,從而提高尾礦壩的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論及建議

1)尾礦壩在現(xiàn)狀條件下正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行時(shí)均滿足壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)要求。尾礦壩加高時(shí)均應(yīng)在初期壩壩頂布置排滲管且采用上游法筑壩。2)尾礦壩按1∶3.5坡比加高3 m,5 m,正常運(yùn)行下均滿足壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù);但加高5 m時(shí),洪水運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定。3)按1∶3.5坡比加高10 m 時(shí),正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行時(shí)均不滿足壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)要求。4)對尾礦壩采取排滲措施后,按1∶3.5坡比加高10 m,在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行時(shí)均滿足壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)要求。5)建議在初期壩壩頂布置排滲管,當(dāng)尾礦排放至初期壩壩頂標(biāo)高應(yīng)布置水平排滲孔。6)后期堆積壩加高5 m,10 m時(shí),應(yīng)在尾礦泥排水固結(jié)的基礎(chǔ)上,按不大于1∶3.5的坡比進(jìn)行并留設(shè)馬道。7)后期堆積壩加高前,必須先修建庫內(nèi)西側(cè)攔洪壩,并封堵原尾礦壩東側(cè)溢洪道。8)堆場尾礦的排放管理是堆場安全運(yùn)行的關(guān)鍵,建議堆場正常運(yùn)行時(shí),采取壩前排放方式,并有序變換排放口位置,使粗顆粒在壩前堆積。9)建議加高筑壩時(shí)嚴(yán)格按照國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2006年4月6日頒布的《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》及設(shè)計(jì)要求執(zhí)行,4級壩干面灘長度不小于50 m,5級壩干面灘長度不小于40 m,避免壩體在平面和斷面出現(xiàn)不規(guī)則形態(tài),以保證堆場的安全和穩(wěn)定。10)建議加強(qiáng)對堆場及尾礦壩內(nèi)浸潤線的長期觀測,并應(yīng)設(shè)置變形觀測點(diǎn),進(jìn)行必要的變形觀測。加強(qiáng)日常巡查工作,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)、處理。

[1]GB 50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009修訂版)[S].

[2]AQ2006-2005,尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].

[3]YS5202-2004,巖土工程勘察技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB 50191-93,構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]SL 274-2001,碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].