上向彎曲雙向槽孔排滲管技術(shù)在新廠溝尾礦庫的應(yīng)用

楊 燕，唐澤勛，魏作安

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明 650051;2.涼山礦業(yè)股份有限公司，四川涼山 615146;3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030)

1 新廠溝尾礦庫概況

尾礦壩的浸潤線是尾礦壩的生命線，直接影響到尾礦壩的穩(wěn)定與安全［1-3］。文獻(xiàn)［4］中提到浸潤線的位置相差1.0m，尾礦壩的穩(wěn)定系數(shù)相差1.2% ～2.5%。文獻(xiàn)［5-6］針對(duì)國內(nèi)外尾礦庫的主要病害事故進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)果壩體浸潤線過高造成的滲漏病害占到了1/4。所以，在尾礦庫的日常生產(chǎn)安全管理之中，降低壩體浸潤線的位置是確保尾礦庫安全的關(guān)鍵［7］。

新廠溝尾礦庫屬于山谷型尾礦庫，位于四川省會(huì)理縣拉拉銅礦礦山東南3.0km的納家灣溝谷內(nèi)(圖1)。該尾礦庫于1992年設(shè)計(jì)，1993年建成并投入使用。設(shè)計(jì)采用上游法堆壩方式筑壩。初期壩為透水堆石壩，初期壩高為29.8m，堆壩壩高為50.0m(標(biāo)高+2020m)。尾礦庫全庫容為1004×104m3，有效庫容為880×104m3，尾礦庫為三等庫;尾礦壩堆積坡度為1∶4.0;尾礦庫采用兩套直徑0.6m的圓形鋼筋混凝土排水管以及鋼筋混凝土排水斜槽的排洪方式排洪。采用管道輸送礦漿、壩前分散放礦。

目前，尾礦壩已堆積至+2014m標(biāo)高，再有兩年左右的時(shí)間，該尾礦庫就達(dá)到原設(shè)計(jì)規(guī)劃的壩高，進(jìn)入閉庫階段。

為此，礦山即將面臨著如何堆存尾礦的難題。為了節(jié)省土地，降低成本，保證礦山生產(chǎn)安全及可持續(xù)發(fā)展，涼山礦業(yè)股份有限公司通過綜合考慮后，決定對(duì)新廠溝尾礦庫進(jìn)行加高增容改造，以滿足礦山生產(chǎn)需要。

圖1 新廠溝尾礦庫現(xiàn)狀Fig.1 The outlook of Xinchanggou tailings pond

由于該尾礦庫曾經(jīng)出現(xiàn)過浸潤線從壩坡逸出，壩坡表面滲水、局部坍塌等不良現(xiàn)象(圖2)。2008年8月30日攀枝花-會(huì)里交界處發(fā)生6級(jí)地震，對(duì)尾礦庫造成了一定程度震害。同時(shí)，勘察揭示目前壩體浸潤線埋深過淺。通過穩(wěn)定性計(jì)算也發(fā)現(xiàn)(表1)，新廠溝尾礦庫目前不具備加高擴(kuò)容條件。需要對(duì)壩體實(shí)施排滲加固措施，降低壩體浸潤線，提高壩體穩(wěn)定性后才能考慮。為此，經(jīng)過慎重考量后，決定采用上向彎曲雙向槽孔排滲管技術(shù)進(jìn)行壩體排滲處理。

圖2 壩坡面滲水和沼澤化現(xiàn)象Fig.2 The phenomenon of dam slope surface water seepage and marsh

2 尾礦壩排滲措施設(shè)計(jì)與施工

2.1 雙向槽孔排滲管

雙向槽孔排滲管是一種PE材質(zhì)、槽孔結(jié)合的特制異型管［8-9］(圖 3)。管外徑 75mm，壁厚 6mm，在管外壁上，平行于管體的軸心方向均勻開有12個(gè)滲水凹槽，在滲水凹槽的底部，隔一定距離(150～200mm間距)、按照螺旋形布置方式鉆有滲水小孔，直徑一般為8mm。異型管外包不銹鋼絲網(wǎng)編織的過濾網(wǎng)。

圖3 雙向槽孔排滲管Fig.3 Two-way hole-slot drainage tube

這樣由過去的孔面滲水改變?yōu)椴勖鏉B水，使排滲管在壩體內(nèi)與尾砂實(shí)際接觸的滲水面積提高30倍左右，提高滲水能力20～25倍。同時(shí)，排水孔是設(shè)置在凹槽內(nèi)，排水孔之間為串聯(lián)形式，這樣單一孔的堵塞，不會(huì)影響整體的滲水效果，從而提高了排滲功能的持久性。

2.2 壩體排滲工程設(shè)計(jì)

根據(jù)壩體的實(shí)際情況和浸潤線位置等因素綜合考慮后，決定沿尾礦堆積壩坡面設(shè)置上向彎曲排滲孔。排滲孔由直線段和上向彎曲段組成，直線段坡度為3%，上向彎曲段末端與壩坡面的水平距離為50m左右。排滲孔沿壩軸線的水平間距為8.0m，孔內(nèi)放置雙向槽孔排滲管(圖4)。設(shè)計(jì)布置三排排滲孔，即初期壩壩頂、第5級(jí)和第8級(jí)子壩處，其中，初期壩頂處布置14個(gè)孔，第5級(jí)子壩布置26個(gè)孔，第8級(jí)子壩處布置20個(gè)孔。孔內(nèi)安置雙向槽孔排滲管，以滿足壩體排滲加固的要求。

圖4 上向彎曲雙向槽孔排滲管的布置示意圖Fig.4 A diagrammatic arrangements of up-curved two-way hole-slot drainage tubes

2.3 壩體排滲工程施工

該項(xiàng)排滲工程是由經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)隊(duì)伍、采用DDW-320型非開挖水平定向鋪管鉆機(jī)、按照排滲工程設(shè)計(jì)進(jìn)行工程施工的。工程于2009年7月26日開始施工，2009年10月10日竣工(圖5、圖6)。共實(shí)施完成60個(gè)鉆孔，初期壩頂處14個(gè)，鉆孔總長度2785.4m，第5級(jí)子壩處26個(gè)，鉆孔總長度4278.1m，第8級(jí)子壩處20個(gè)，鉆孔總長度3105.5m。

圖5 鉆孔完工后地下水從排滲孔口排出情況Fig.5 The underground water was flowing from the drainage hole after works finished

3 排滲工程實(shí)施效果

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測效果

為了更好地監(jiān)測浸潤線的變化情況(圖7)，分別在第4、8、12、15級(jí)子壩上，布置了12個(gè)浸潤線觀測孔，縱向3排，每排4個(gè)孔，排距50m，孔深12m。在排滲工程實(shí)施過程中，監(jiān)測孔亦進(jìn)行了施工。在排滲工程完工后的第6天(2009年10月16日)開始浸潤線和滲水量的觀測工作。

圖7 壩體浸潤線監(jiān)測孔平面布置及編號(hào)Fig.7 The examine hole location of phreatic surface and its number

2009年10月施工完成時(shí)，每天滲出水量約2000m3，至2010年3月，滲水量及浸潤線均處于穩(wěn)定期，滲水量降至每天約400～500m3，主要出水源來自初期壩處的排滲管。另外，旱季及雨季出水量有些差異外，但浸潤線埋深基本穩(wěn)定、沒有變化(圖8)。

同時(shí)，原來壩坡面滲水和沼澤化現(xiàn)象也全部消失。從現(xiàn)場觀測顯示，排滲工程效果顯著。

圖8 新廠溝尾礦壩實(shí)施排滲工程后浸潤線的觀測結(jié)果Fig.8 The examine result of phreatic surface after drainage works finished

3.2 排滲前后尾礦壩體穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探的壩體剖面圖和擬加高設(shè)計(jì)資料，選取了典型的壩體剖面圖，采用 Slide軟件［10-12］，對(duì)排滲前后壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。壩體尾礦的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

現(xiàn)狀(+2015m)情況下，壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2～表5。從表2中可以看出:當(dāng)前尾礦壩(+2015m標(biāo)高)的穩(wěn)定性在特殊工況下不滿足規(guī)范要求，必須對(duì)尾礦壩采取加固處理措施。

為此，先對(duì)壩體采取排滲措施，降低浸潤線的高度?？紤]到地勘資料中提出的尾礦地震液化深度等條件，宜將壩體浸潤線的埋深控制在8.0m以下，同時(shí)，洪水工況下干灘長度應(yīng)大于100m，這時(shí)，壩體穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 新廠溝尾礦庫壩體材料的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanics parameters of tailings of the dam

表2 新廠溝尾礦庫壩現(xiàn)狀(壩頂標(biāo)高+2015m)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2 The result of stability calculation of the dam at present status

表3 尾礦庫壩(+2015m)采取排滲加固措施后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 3 The result of stability calculation of the dam after drainage works finished

從表3中可以看出:采取降低浸潤線高度措施后，現(xiàn)狀下尾礦壩(+2015m)的穩(wěn)定性在特殊工況下滿足規(guī)范要求，因此，根據(jù)現(xiàn)狀情況，需要先對(duì)尾礦壩實(shí)施:壩體排滲、降低浸潤線的措施，才能使尾礦壩的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

根據(jù)加高擴(kuò)容初步設(shè)計(jì)，考慮加高壩體15m，即尾礦壩加高到+2030m標(biāo)高，這時(shí)的壩體的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 尾礦庫壩加高15m(+2030m標(biāo)高)后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 4 The result of stability calculation of the dam after heightening 15m

從表4中可以看出:加高15m(+2030m)后，尾礦壩的穩(wěn)定系數(shù)在特殊工況下不滿足規(guī)范要求，因此，按照規(guī)劃需要考慮采用塊石貼坡的措施進(jìn)行壩體加固。

在綜合分析后，考慮三種塊石貼坡的方案，即初期壩塊石貼坡，坡度1:2.5，初期壩壩頂加寬5.0m，之后，對(duì)堆積壩實(shí)施塊石貼坡反壓，貼坡坡度為1:2.0，寬度為5.0m，高度分別為:5.0m、10.0m兩種方案，這時(shí)壩體的穩(wěn)定系數(shù)見表5。從表5中可以看出:為了使尾礦壩加高達(dá)到15m(+2030m標(biāo)高)，則先采用壩體排滲，然后實(shí)施塊石貼坡(高度為10.0m)，這樣壩體的穩(wěn)定性才滿足規(guī)范要求。

表5 尾礦庫壩加高15m(+2030m)塊石貼坡后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 5 The result of stability calculation of the dam after heightening 15m and rubble pasting the slope

4 結(jié)論

采用上向彎曲雙向槽孔排滲管技術(shù)，對(duì)新廠溝尾礦壩實(shí)施壩體排滲加固后，經(jīng)過兩年多現(xiàn)場監(jiān)測檢驗(yàn)，效果顯著。

(1)壩體浸潤線的埋深達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)原有的壩坡面滲水和沼澤化現(xiàn)象也全部消失，排滲措施效果顯著。

(3)壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)施排滲措施后，該尾礦壩的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求;進(jìn)一步采取貼坡措施后，則能滿足加高擴(kuò)容的要求，并到可達(dá)預(yù)期的堆壩高度。

［1］Shamsai Abolfazl，Ali Pak，Bateni S.Mohyeddin and Ayatollahi S.Amir Hossein.Geotechnical characteristics of copper mine tailings:A case study［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2007，25(5):591-602.

［2］尹光志，魏作安，萬玲，等.龍都尾礦庫滲流場的數(shù)值模擬分析［J］. 巖土力學(xué)，2003，24(增2):25-28.YIN Guangzhi， WEIZuoan， WAN Ling， etal.Numerical simulation analysis about seepage field of Longdu tail bay［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24(S2):25-28.

［3］祝玉學(xué)，戚國慶，魯兆明，等.尾礦庫工程分析與管理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.ZHU Yuxue， QIGuoqing， LU Zhaoming， etal.Engineering analysis and management in tailings dam［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，1999.

［4］《中國有色金屬尾礦庫概論》編輯委員會(huì)，中國有色金屬尾礦庫概論［M］.中國有色金屬工業(yè)總公司，1992.Editorial Committee of Introduction of Nonferrous Metals Tailings Dam of China.Introduction of nonferrous metals tailings dam of China［M］.Beijing:China National Nonferrous Metals Industry Press，1992.

［5］敬小非.尾礦堆積壩穩(wěn)定性分析與潰決泥沙流動(dòng)特性研究［D］.重慶:重慶大學(xué)博士論文，2011.JING Xiaofei.Study on the flow characteristics of debris flow surging from tailings dam-break and disaster prevention［D］. Chongqing:Chongqing University，2011.

［6］Rico M，Benito G，Salgueiro A.R，et al.Reported tailings dam failures——A review ofthe European incidents in the worldwide context［J］. Journal of Hazardous Materials，2008，154(3):846-852.

［7］王鳳江，王來貴.尾礦庫災(zāi)害及其工程整治［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14(3):76-80.WANG Fengjiang，WANG Laigui.Hazardsoftail reservoir and its engineering control［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2003，14(3):76-80.

［8］付文堂.槽孔排滲管— 一種尾礦壩用新型排滲管［J］. 金屬礦山，2009，(增):73-74.FU Wentang.slot drainage tube—a new type drainage tube for tailings dam［J］.Metal Mine，2009，(S):73-74.

［9］付文堂，李湘濱，李恒軍，等.淺談尾礦壩排滲管的埋設(shè)［J］. 金屬礦山，2010，(增):44-46.FU Wentang， LIXiangbin， LIHengjun， etal.Discussion on the burial of drainage tube in tailings dam［J］.Metal Mine，2010，(S):44-46.

［10］YIN Guangzhi，LI Guangzhi，WEI Zuoan，et al.Stability analysis of a copper tailings dam via laboratory model tests:A Chinese case study［J］.Minerals Engineering，2011，24(2):122-130.

［11］Rocscience Slide，Scientific Software-2D limit equilibrium slope stability for soil and rock slopes.Version 5.0.Rocscience Inc.，Canada，2007.