基于滲流理論的尾礦壩壩體穩(wěn)定性分析研究

李兆煒,胡再強

(西安理工大學 巖土工程研究所,陜西 西安710048)

0 引 言

尾礦壩作為礦產(chǎn)資源開采后由生產(chǎn)廢棄料堆積而成的大體積壩體,是非煤礦山企業(yè)的重大危險源之一,其安全穩(wěn)定一直是壩體穩(wěn)定研究領域的重點課題。我國現(xiàn)有大小規(guī)模的尾礦壩6 260余座,在選取的具有代表性的2 692座尾礦壩中,經(jīng)過正規(guī)設計的僅占43.9%,定期進行過風險評估的占7.7%,目前尚有58.7%的尾礦壩未取得安全生產(chǎn)許可證,且不少未取證的尾礦壩仍在非法生產(chǎn)[1]。可見,尾礦壩的安全現(xiàn)狀并不樂觀。近兩年,尾礦壩潰壩事故已達20余起,造成人員傷亡和有污染物下泄的事故屢屢發(fā)生,對下游居民的生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅[2]。尾礦壩潰壩的原因大致有三:第一,設計、評估、安全運行管理的體制機制不完善。多數(shù)的尾礦壩無正規(guī)的施工和監(jiān)理隊伍,未遵循先勘察設計、后施工建設、再投產(chǎn)運行的設計程序;一半以上的尾礦壩屬于無證生產(chǎn),且沒有健全的安全管理機制;不同行業(yè)(如黑色、有色、化工等)的尾礦壩設計規(guī)范不完善。第二,人為因素。對尾礦壩的潰壩損失和日常管理的認識不夠,缺乏尾礦壩運行管理和安全監(jiān)管的專業(yè)人員。第三,自然因素。如大洪水,地震等造成的尾礦壩壩坡失穩(wěn)、漫頂?shù)绕茐?。在我國已建成的尾礦壩中,90%的尾礦壩均采用上游法筑壩[3],造成壩體的穩(wěn)定性較差,沉積密度較低,浸潤線偏高,滲流難以控制,且在眾多的尾礦壩潰壩案例的成因分析中,由滲流引起的壩體壩坡失穩(wěn)、滲透破壞的尾礦壩屢見不鮮。因此,對于尾礦壩的滲流穩(wěn)定進行進一步的深入研究,有助于分析尾礦壩的潰壩事故原因,為制定相關對策措施提供技術支持,具有重要的實際意義和應用價值。

1 尾礦壩的浸潤線

1.1 影響浸潤線的因素

浸潤線是反映壩體滲流的特征線,浸潤線的位置是壩體排水性能的綜合反映。在影響尾礦壩穩(wěn)定的諸因素中,浸潤面位置的高低是極為重要的因素之一。由于浸潤線位置的高低取決于礦渣的物理力學特性、滲透性能、排水設施的布置等要素,在實際工程中,為了降低浸潤線位置,降低壩體滲透壓力,提高上游式尾礦壩的動力穩(wěn)定性,對于浸潤面高低的控制主要從滲透系數(shù)、干灘長度、壩體分塊材料的各向異性以及排滲設施等要素進行控制。

不同壩體位置處,筑壩材料對浸潤線的影響也各有差異。一般來說,尾礦壩筑壩材料的滲透系數(shù)在10-4cm/s左右[4]。對初期壩而言,滲透系數(shù)越小,受壩體的不透水性影響,浸潤線會抬高,易造成滲流沿壩頂逸出,對壩體造成嚴重破壞。對于壩體入滲區(qū),滲透系數(shù)越大,浸潤線越高。對于由不同滲透系數(shù)的礦渣填筑的尾礦壩,對浸潤線的影響也有所差異。上下層滲透系數(shù)之比越大,下層阻水能力加強,浸潤線就會有抬高趨勢,且由上向下延伸,使得下層的阻水作用在上游發(fā)展。在尾礦壩出口區(qū),浸潤線會隨滲透系數(shù)的降低而明顯抬高,且隨著滲透系數(shù)的逐步減小,浸潤線將從下游向上游延伸。

實例證明,干灘長度越長,對下游浸潤線降低的效果越明顯,對壩體穩(wěn)定越有利,且在壩體運行期,對干灘長度的控制可以有效地改變壩體內(nèi)浸潤線的高低,以保證大壩的安全。

尾礦壩壩體填筑材料的沉積由其自身的規(guī)律性,即壩體內(nèi)的材料經(jīng)沉積后,自上而下依次為尾中砂、尾細沙、尾粉砂、尾亞砂和尾礦泥,也因此產(chǎn)生了壩體填筑材料的各向異性。實例結(jié)果表明,壩體材料水平向與豎直向滲透系數(shù)越大,浸潤線越高。

尾礦沙層中經(jīng)常含有狹長的尾礦泥夾層的存在,造成尾礦泥上部的浸潤線抬高,夾層越厚,抬高效果越明顯,且由于尾礦泥的透水性差,浸潤線會在尾礦泥內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)折,夾層很長時,浸潤線就會沿壩坡逸出,對壩體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

在壩體中設置的排水設施可有效地降低浸潤線的高度。如壩腳處的棱體排水、虹吸井、垂直水平聯(lián)合排滲等。壩體下游的平均坡度也對浸潤線有一定的影響。在壩高一定、相同的干灘長度的情況下,尾礦壩下游坡度越緩,實際滲徑越長,浸潤線越低。

1.2 浸潤線的計算

根據(jù)《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》,結(jié)合實際的勘察資料,在合理分析各項因子對浸潤線影響機理的基礎上,對不同運行條件下的壩體浸潤線進行計算。

首先根據(jù)尾礦壩的相關參數(shù)確定壩體的等級,在確定化引灘長和化引庫水位之后,就可以得到浸潤線方程。以壩基不透水、無排滲措施的均質(zhì)尾礦壩為例,其浸潤線方程為[5]:

式中:hi為化引庫水位,且其中H為實際庫水位;Lc為實際灘長,即干灘長;m為下游坡度系數(shù);m0為沉積灘坡度系數(shù);L為化引灘長;a為出逸點高度,且

選取不同工況下的水位,如正常運行水位、校核洪水位等,根據(jù)上式(1)即可推求尾礦壩的浸潤線,將求得的浸潤線與勘察觀測的實際浸潤線進行對比分析,來驗證所求浸潤線的合理性,如果二者之間能有較好的吻合,說明影響浸潤線的各參數(shù)選擇合理,否則,應該結(jié)合各項因子對浸潤線的影響關系,調(diào)整參數(shù)或者設置排水措施,使得二者能夠較好的吻合。

2 尾礦壩穩(wěn)定性分析

壩體的穩(wěn)定性分析是確定壩剖面和評價壩體安全的主要依據(jù),其分析方法主要是建立在極限平衡理論基礎之上的,常見的方法有瑞典圓弧法、畢肖普法和滑楔法[6]。根據(jù)尾礦壩設計規(guī)范,對于三級以上的尾礦壩需進行滲流、抗滑穩(wěn)定性的計算,而對于三級及三級以下的只需進行抗滑穩(wěn)定性計算。下面以山東招遠玲瓏尾礦壩為例,對尾礦壩的穩(wěn)定性進行分析。

2.1 工程概況

玲瓏尾礦壩位于山東招遠市和龍口市交界處,初期壩壩型為透水堆石壩結(jié)構(gòu),采用上游法尾礦堆積筑壩方式,壩型為透水堆石壩,設計總庫容量為290×104m3,壩頂寬2 m,上、下游邊坡均為1∶1.75,子壩2 m一級,形成總外坡平均比為1∶4.2,現(xiàn)壩高為96.5 m,按照《選礦廠尾礦設施設計規(guī)范》規(guī)定為三等別。

2.2 計算參數(shù)與計算工況

尾礦壩的填筑材料有其自身的力學參數(shù),穩(wěn)定性計算中的參數(shù)通常采用材料的勘察指標建議值,如表1。計算包括正常運行工況、最高洪水運行工況和地震工況。按照放水形成穩(wěn)定滲流時入滲點作為壩內(nèi)水位,此工況為正常運行工況。假設庫內(nèi)洪水達到最大,最小安全灘長時的水位作為壩內(nèi)洪水位,求取壩內(nèi)浸潤線,此工況為最高洪水工況。按照以上兩種工況,加載地震作用力,將地震時的壩內(nèi)應力應變狀態(tài)代入計算工況,此工況為地震工況。

表1 玲瓏尾礦壩壩體尾礦力學計算參數(shù)

2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

本次計算采用瑞典圓弧法進行計算,簡化畢肖甫法進行校核。計算結(jié)果如表2所示。由于篇幅有限,這里只列出了正常運行工況和最高洪水位工況下的計算結(jié)果圖,如圖1～圖4。

表2 尾礦庫壩體瑞典法穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖1 正常工況瑞典法穩(wěn)定性計算結(jié)果(圖中滑弧為Fs＜1.65)

圖2 最高洪水位瑞典法穩(wěn)定性計算結(jié)果(圖中滑弧為Fs＜1.55)

圖3 正常工況畢肖甫法穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖4 最高洪水位畢肖甫法穩(wěn)定性計算結(jié)果

從穩(wěn)定計算結(jié)果來看,無論是何種荷載組合,無論是靜力穩(wěn)定性還是動力穩(wěn)定性,尾礦壩邊坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求的最小安全系數(shù),說明該尾礦壩是穩(wěn)定的。

除了上述穩(wěn)定性分析的方法,還可以在不考慮各種工況的情況下,建立壩體的計算模型,對其靜力穩(wěn)定性和動力穩(wěn)定性進行分析。與瑞典圓弧法一樣,靜力穩(wěn)定性選取的模型為摩爾-庫倫模型,若計算求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求值,則其靜力是穩(wěn)定的。再以靜力狀態(tài)結(jié)果作為動力分析的初始狀態(tài),輸入地震波,來分析地震過程中壩體孔隙水壓力的增長情況,以此判斷發(fā)生液化的可能性,具體計算方法可以參照文獻[7],這里不以贅述。

3 尾礦壩安全穩(wěn)定性的防范措施

3.1 尾礦庫常見故障及處理措施

通過縝密勘察、正規(guī)設計、嚴格施工的尾礦壩,壩體的滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定都能達到規(guī)范要求。但是在實際投產(chǎn)運行中,難免會出現(xiàn)一些異常事故,對于這些現(xiàn)象,必要時要采取應急措施。部分異常跡象的處理措施見表3。

表3 尾礦庫常見故障及處理措施參考表

3.2 庫區(qū)安全監(jiān)督管理

對尾礦庫的正常運行來說,庫區(qū)安全管理也是一項至關重要的環(huán)節(jié)。為確保安全生產(chǎn),依據(jù)國家安全生產(chǎn)的相關規(guī)定,應成立專門尾礦壩管理班組,并建立嚴格的獎懲制度,按下述要求執(zhí)行:(1)當實際情況與設計要求不符時,應在汛前及時通知設計單位進行調(diào)洪演算和泄流能力復核,以指導防洪工作;(2)執(zhí)行巡壩和護壩制度。遇到壩體出現(xiàn)裂縫、滑坡、沉陷等現(xiàn)象時,要查明原因,妥善處理并做好記錄;要經(jīng)常觀測壩體浸潤線及逸出點的位置以及滲水量與水質(zhì),當出現(xiàn)浸潤線驟升或滲漏渾水等異?，F(xiàn)象時,要查明原因,妥善處理并做好記錄;(3)尾礦庫的排洪設施需經(jīng)常進行檢查,確保排洪暢通;(4)做好壩體位移、沉降、滲水和庫水位等的觀測記錄,出現(xiàn)異常,立即報告;(5)汛期前,必須對排洪系統(tǒng)進行全面檢查,發(fā)現(xiàn)問題,及時解決。加強值班和巡視,密切注視庫內(nèi)水情變化和壩體兩側(cè)溝谷地表徑流動態(tài),發(fā)現(xiàn)險情及時報告,采取緊急措施,嚴防事態(tài)惡化;(6)尾礦庫使用期滿而停止使用時,應進行閉庫設計。庫內(nèi)不宜蓄水,防范發(fā)生潰壩和污染環(huán)境的危害事故。

3.3 其他安全措施

對于尾礦壩壩區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的防范、化學污染物監(jiān)測、粉塵處理、庫區(qū)水質(zhì)檢測等細節(jié)問題也需要考慮。入庫水流中不可避免地含有化學藥品的殘留物,管理不善會釀成嚴重事故。如果進入尾礦庫的化學藥品殘留物超標,若尾礦庫調(diào)洪庫容小、水在庫內(nèi)停留曝氣時間短、尾礦庫的回水利用率低、尾礦庫外泄水量大,都會造成污染物的超標排泄?？梢圆扇≡O置水質(zhì)監(jiān)測井的措施,隨時對水質(zhì)進行檢測,企業(yè)設專職人員對污染物進行檢測分析,為進行環(huán)境管理、評價企業(yè)的環(huán)境質(zhì)量、防止污染、保護和改善環(huán)境提供依據(jù)。尾礦壩的粉塵主要來自于庫內(nèi)的干灘揚塵,需要定期灑水,避免大風天氣粉塵飛揚,污染周圍的空氣環(huán)境。

4 結(jié) 語

從設計、管理兩方面對尾礦壩的穩(wěn)定性進行分析,有助于提高壩體穩(wěn)定、確保尾礦壩安全萬無一失。我國已建的尾礦壩安全問題較為突出,在今后的勘察和設計工作中,只要做到嚴謹、科學、合理,加強施工過程的規(guī)范化,嚴把質(zhì)量關,剔除一切違規(guī)操作,并把尾礦壩的日常管理和監(jiān)督作為一項長期任務去抓,采取妥善處理方式,防患于未然,就可以將尾礦壩潰壩造成的損失減小到最低程度,有效維護社會穩(wěn)定和人民生命財產(chǎn)安全。

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