對黃土條件下的尾礦壩分析

王易陽

(河海大學(xué)，江蘇 南京 211100)

0 引言

尾礦壩是堆積和處理礦場選礦等工藝步驟產(chǎn)生的尾礦的場所。由于尾礦數(shù)量眾多，且常常具有較高的含水率和較大的塑性或液性，尾礦的性質(zhì)大多數(shù)情況下不同于當(dāng)?shù)氐耐寥篮偷刭|(zhì)條件。正因如此，用于儲存尾礦的尾礦壩常常需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘測、特殊的下墊面處理和工程措施。對于廣泛分布于世界各地的黃土，研究黃土作為地基時的尾礦壩設(shè)計和工程處理措施是有著重要的意義的。

1 研究背景

尾礦壩(庫)在礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)是十分常見的，然而近年來尾礦壩潰壩事故頻繁發(fā)生。山西省大部分地區(qū)處于黃土地貌地區(qū)，且在這些地區(qū)廣泛分布著各種各樣的礦藏，這些礦藏蘊(yùn)藏量豐富，并有著很高的開采利用價值，這也意味著有很多的礦場和尾礦壩分布在黃土地貌地區(qū)。

黃土是一種具有特殊性狀的黃色沉積土層，而中國的黃土是第四紀(jì)時期形成的土狀堆積物，性質(zhì)疏松、特殊。對于黃土高原的黃土，其質(zhì)地均一，用手易搓成粉末，鈣質(zhì)含量較高，多孔隙，有顯著的柱狀節(jié)理，干燥時較堅硬，但遇水浸濕后土體迅速崩解并引起地基突然沉陷，即具有濕陷性。

2 潰壩原因分析

2.1 物理力學(xué)因素

導(dǎo)致尾礦壩失事的物理力學(xué)因素有:滑坡、壩坡失穩(wěn)、滲流破壞、壩體內(nèi)部材料由于地震液化以及洪水漫過壩體造成破壞等。然而，對于高濕陷性黃土地區(qū)，尤為需要關(guān)注滲流對尾礦壩可能產(chǎn)生的破壞。滲流產(chǎn)生的浸潤線過低，會使壩體產(chǎn)生較大背離堆礦方向的位移，而滲流過大，會產(chǎn)生水流漫壩的可能，尤其是對以濕陷性黃土為主地基和岸坡，滲流造成的破壞歷時會更短，有時甚至?xí)斐赏话l(fā)性的災(zāi)難。設(shè)計人員如果在尾礦壩設(shè)計初期沒有充分考慮到滲流作用的影響，其產(chǎn)生的后果將會耗費(fèi)大量的資金與人員、物資，甚至可能會造成災(zāi)難性的事故。

2.2 人為因素

在尾礦壩的日常監(jiān)管中，工作人員對敏感數(shù)據(jù)的疏忽，常常也會導(dǎo)致尾礦壩的險情或事故。在尾礦壩出現(xiàn)不尋常或者有潰壩可能的情況時，應(yīng)急機(jī)制的不完善同樣是造成尾礦壩潰壩事故發(fā)生，產(chǎn)生災(zāi)難性后果的原因。對于一些早期或者較小型的尾礦壩，檢測設(shè)備的短缺或者檢測機(jī)制的缺失，也是尾礦壩失事的一個重要因素，尤其對于設(shè)計時，設(shè)計人員沒有考慮對尾礦壩各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定期檢測，缺失了檢測系統(tǒng)的建立，將為建成后的尾礦壩運(yùn)行帶來安全隱患。

3 尾礦壩設(shè)計

尾礦壩(庫)按照地形條件和建筑方式，可以分為3種形式，分別為:山谷型、山坡型和平地型。對于位于山西省的黃土高原部分，此地區(qū)溝壑縱橫，溝谷密布，有利于構(gòu)筑山谷型和山坡型的尾礦壩形式，但是山谷型和山坡型尾礦壩相對于平地型尾礦壩積水面積大，易受降雨和其他形式地面和地下徑流的影響，需要在筑壩前進(jìn)行精心的防滲與排水計算，對具有較高濕陷性的黃土地區(qū)所建的尾礦壩(庫)，尤其需要對水的滲透方向和滲透方式進(jìn)行嚴(yán)密設(shè)計與處理。其中，在尾礦壩防滲設(shè)計中，采用尾礦泥墊層設(shè)計，進(jìn)行地下水疏導(dǎo)，對高濕陷性的黃土地區(qū)是一種效果明顯的、廉價的工程措施。

3.1 壩的主體設(shè)計

3.1.1 壩型的選擇

對于初期壩，有不透水型初期壩和透水型初期壩兩種選擇。不透水型初期壩由透水性較小的材料制成，而透水型初期壩由透水性較好的材料制成，除了不用尾礦筑壩或有環(huán)保要求不允許滲流水流至下游，一般都采用透水型初期壩，且此種壩型有助于將水排向下游，利于提高壩體的穩(wěn)定性。

對于濕陷性嚴(yán)重的黃土地區(qū)，尾礦壩的壩型選擇為透水型初期壩有助于尾礦中水分排出，從而有利于減少黃土濕陷性對尾礦壩的影響，提高尾礦壩的安全性。

3.1.2 壩體的構(gòu)造

對于初期壩的設(shè)計，常常需要考慮到壩頂寬度、壩坡穩(wěn)定性、馬道、排水棱體和反濾層設(shè)計等問題，其中壩坡坡比設(shè)計包括:內(nèi)、外坡的坡比，馬道的寬度和馬道間的間隔等，一般情況下壩體下游每隔10 m～15 m設(shè)置一個寬為2 m的馬道，方便施工且利于提高壩體的整體穩(wěn)定性。

對于后期壩的設(shè)計，有上游式尾礦筑壩、下游式尾礦筑壩和中線式尾礦筑壩的方式。由于筑壩工藝簡單，費(fèi)用較低，在穩(wěn)定性可以滿足條件的情況下，我國多采用上游式尾礦筑壩的后期壩設(shè)計，然而對于具體的濕陷性黃土條件下尾礦壩后期設(shè)計，應(yīng)根據(jù)具體問題進(jìn)行具體分析，找出安全性和經(jīng)濟(jì)效益雙優(yōu)的設(shè)計方案。

3.2 水的控制

3.2.1 地表水的疏導(dǎo)

對于尾礦壩，其地表水來源主要有:尾礦(多為漿體)攜帶的水分，周圍地區(qū)產(chǎn)生地下水以及壩址所在地的降雨。控制地表水對壩體的影響，主要是控制尾礦池積水區(qū)的池水位;其中，池水位不能過高也不能過低，最低水位要滿足尾礦水澄清的要求，在此情況下，水位越低越利于壩的穩(wěn)定性。

在控制尾礦池中池水位的同時，應(yīng)注意汛期對尾礦庫的影響，做好度汛的各項(xiàng)準(zhǔn)備，并在尾礦壩設(shè)計時充分考慮汛期對其的影響。

3.2.2 地下水的疏導(dǎo)

在尾礦壩設(shè)計時，壩體中的浸潤線不宜在壩坡溢出，對于大型的尾礦壩常常要求浸潤線有一定的埋深。

對于濕陷性較大的黃土地區(qū)所建尾礦壩，常常希望地基受到的滲流水影響降到最小，設(shè)計尾礦壩時的滲流控制便是地下水疏導(dǎo)的主要設(shè)計方面。在尾礦壩滲流控制的設(shè)計中，常常設(shè)計一個不透水(透水性較小)的墊層。在墊層設(shè)計中，現(xiàn)今的技術(shù)方式主要有:尾礦泥墊層、粘土墊層與合成墊層等。對于黃土條件下的設(shè)計，尾礦泥墊層較其他幾種方式有著較多的優(yōu)點(diǎn):

1)高質(zhì)量的尾礦泥墊層可以有效減少滲流水向地基的下滲作用，有利于濕陷性黃土保持其穩(wěn)定性;

2)與此同時，尾礦泥墊層能夠承受相當(dāng)大的基礎(chǔ)沉降，甚至地震液化，且不喪失其防滲效果;

3)尾礦泥墊層構(gòu)造簡單，使用范圍廣泛，費(fèi)用較低，且有較多的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和較深厚的技術(shù)基礎(chǔ)。

在鋪設(shè)墊層的同時，可以設(shè)置滲流障從而達(dá)到進(jìn)一步提高壩體穩(wěn)定性和防滲效果的目的。滲流障的設(shè)計包括:截留溝(注意:此種方式設(shè)計時，只能采用下游型或中線型后期壩的設(shè)計形式，而不能采用上游型后期壩的設(shè)計形式，因?yàn)榻亓魷蠈ι嫌涡秃笃趬沃械臐B流起到了阻礙作用，并且不利于浸潤線的降低)、防滲墻和灌漿帷幕等。

同時，可以增設(shè)排水構(gòu)筑物來降低尾礦壩的浸潤線，其中，排水構(gòu)筑物又分為水平排滲型和垂直排滲型。

4 結(jié)語

對于黃土條件下的尾礦壩設(shè)計需要充分考慮到黃土濕陷性對尾礦壩安全產(chǎn)生的影響，其中，滲流作用對地基及周圍巖體作用更是需要著重分析，加入尾礦泥墊層和其他相應(yīng)的排水和降低浸潤線的措施，可以有效增加尾礦壩的穩(wěn)定性和可靠性，從而更好地保護(hù)廣大人民財產(chǎn)的安全，有力地避免類似尾礦壩潰壩事故的再次發(fā)生。

[1] 崔冠英，朱濟(jì)祥.水利工程地質(zhì)[M].第4版.北京:中國水利水電出版社，2008.

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