淺析頭石山尾礦庫一期壩優(yōu)化設(shè)計

陸曉毅 李晶蕊 趙 麒 張 進(jìn)

(1.云南建工水利水電建設(shè)有限公司；2.云南建工集團(tuán)直屬總承包一部；

3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

淺析頭石山尾礦庫一期壩優(yōu)化設(shè)計

陸曉毅1李晶蕊2趙 麒1張 進(jìn)3,4,5

(1.云南建工水利水電建設(shè)有限公司；2.云南建工集團(tuán)直屬總承包一部；

3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；

5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

分析了頭石山尾礦庫一期壩原設(shè)計存在的問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過分析比較，優(yōu)化后的設(shè)計，尾礦庫一期壩的可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性得到較大提高。

尾礦庫 排滲體 黏土料 風(fēng)化料 均質(zhì)黏土壩 分區(qū)壩

頭石山尾礦庫是云南磷化集團(tuán)有限公司(晉寧)450萬t/a磷礦采選工程的配套設(shè)施，位于昆明市西山區(qū)?？阪?zhèn)石馬哨村南西約1 km處，距選廠北東約7.0 km。尾礦庫庫區(qū)三面環(huán)山，一面筑壩，屬山谷型尾礦庫。總壩高80 m，總庫容1 716.49萬m3，有效庫容1 497.72萬m3。該尾礦庫壩體設(shè)計為透水黏土壩，最終壩頂標(biāo)高2 055 m，分兩期建設(shè)，一期工程壩頂標(biāo)高2 035 m，壩高60 m。依據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》和《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》，屬于三等尾礦庫。鑒于尾礦庫下游有較多村莊，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，將設(shè)計等級提高一等，按二等尾礦庫建設(shè)。

1 頭石山尾礦庫一期壩設(shè)計

1.1 尾礦庫原設(shè)計

頭石山尾礦庫一期壩壩體為均質(zhì)黏土壩，上游壩臺階坡比1∶2.25，下游壩臺階坡比1∶3.0。下游壩腳設(shè)置排水棱體，排水棱體高25 m，頂高程1 995 m，上游面坡度1∶2，下游面坡度1∶2.5。壩體由碎石透水層及排水棱體組成，在碎石透水層的上、下面設(shè)置了雙糙面土工膜及加筋土工布，并在黏土填筑過程中，每5 m高度設(shè)置一層土工格柵。壩體外坡采用多邊形水泥混凝土空心塊護(hù)坡，空心部分植草。壩體內(nèi)坡2 010 m馬道以上設(shè)置3～15 m(水平厚度)碎石透水層作為尾礦固結(jié)排滲層，該層與壩體接觸部分采用2 mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜防滲，與尾礦接觸部分采用二層加筋土工布作為反濾層；2 010 m馬道以下按1∶2的坡度向外放坡并設(shè)置斜碎石透水層，上部與2 010 m馬道以上的碎石透水層相連，下部與鋪設(shè)在壩底1 970 m 標(biāo)高的水平碎石透水層相連，水平碎石透水層與壩體外坡腳的排水棱體相連。斜碎石透水層上下均鋪設(shè)2 mm 厚HDPE土工膜，水平碎石透水層下部鋪設(shè)2 mm 厚HDPE土工膜，上部鋪設(shè)500 g/m2土工布。見圖1。

1.2 優(yōu)化設(shè)計

頭石山尾礦庫一期壩筑壩工程于2011年1月18日開工，在筑壩施工過程中，黏土料場儲量與工勘存在一定的出入，致使黏土料不足、初步設(shè)計時選定的石料場不能提供足量石料，且周邊無滿足抗腐蝕要求的白云巖等多種因素，導(dǎo)致無法按照原設(shè)計施工。為此，對該尾礦庫一期壩進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后設(shè)計為分區(qū)壩，上游壩坡1∶2.25，下游壩坡為1∶3.0。下游壩腳設(shè)置排水棱體，排水棱體高25 m，頂高程1 995 m，上游面坡度1∶2，下游面坡度1∶2.5。

(1)排滲體設(shè)計優(yōu)化。取消從壩體內(nèi)部穿過的斜坡透水層，將內(nèi)坡透水層改由壩體內(nèi)坡壩腳一直填筑到壩頂，并在壩體內(nèi)坡的碎石透水層中鋪設(shè)φ400 mm，壁厚19.1 mm的HDPE花管，將尾礦滲水引至左、右岸坡后，將尾礦滲水引出壩外的排水溝。既起到降低庫內(nèi)尾礦浸潤線的作用，又可以將庫內(nèi)排滲與壩體排滲分開。

(2)筑壩材料設(shè)計優(yōu)化。將壩體2 025 m以下下坡部分黏土料變更為風(fēng)化料填筑，風(fēng)化料與黏土料壩體之間設(shè)含碎石黏土過渡帶，過渡帶碎石最大粒徑不大于15 cm，含碎石黏土中黏土碾壓干密度不低于1.51 g/cm3，最優(yōu)含水量25.5%，壓實度不低于99%。風(fēng)化料的最大粒徑不大于50 cm，填筑時要求級配連續(xù)，碾壓后干密度不低于2.01 g/cm3，壓實度不低于99%。

圖1 頭石山尾礦庫一期壩原設(shè)計剖面

(3)內(nèi)外坡護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。將壩體內(nèi)坡1 987 m 標(biāo)高以上的護(hù)坡塊石改為C20混凝土塊，外坡采用在鋼筋混凝土框格梁內(nèi)植草護(hù)坡，其中風(fēng)化料段壩體在坡面鋪設(shè)30cm厚耕植土后再植草護(hù)坡。

優(yōu)化后設(shè)計剖面見圖2。

圖2 頭石山尾礦庫一期壩優(yōu)化設(shè)計后壩剖面

1.3 頭石山尾礦庫一期壩穩(wěn)定性分析

1.3.1 原設(shè)計尾礦壩穩(wěn)定性計算及分析

根據(jù)頭石山尾礦庫的實際情況，選取一剖面對尾礦壩分二期進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算[1]。

尾礦壩最大壩高位置，一期壩頂標(biāo)高2 035 m，壩高60 m，在施工期，內(nèi)坡安全系數(shù)為1.365，外坡安全系數(shù)為1.329；正常水位工況下，安全系數(shù)為1.489；最高水位工況下，安全系數(shù)為1.432，最高水位考慮地震的工況下，安全系數(shù)為1.124。最終壩頂標(biāo)高2 055 m時，壩高80 m，在施工期，內(nèi)坡安全系數(shù)為1.471，外坡安全系數(shù)為1.308，正常水位工況下，安全系數(shù)為1.419；最高水位工況下，安全系數(shù)為1.380，最高水位考慮地震的工況下，安全系數(shù)為1.093，因此，采用瑞典法計算的結(jié)果符合規(guī)范要求。根據(jù)計算結(jié)果，本尾礦壩只要滿足特殊工況條件下的穩(wěn)定性要求，也就滿足了其他工況下的穩(wěn)定性要求[2]。

1.3.2 優(yōu)化設(shè)計后尾礦壩穩(wěn)定性計算及分析

穩(wěn)定性計算時的分析剖面及計算參數(shù)仍采用原設(shè)計安全專篇中的數(shù)據(jù)，其中風(fēng)化料的物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)見表1，根據(jù)實際情況，對該尾礦壩一期擬進(jìn)行靜力穩(wěn)定性計算。

表1 風(fēng)化料物理力學(xué)參數(shù)

分析計算結(jié)果，位于尾礦壩最大壩高位置，一期壩頂標(biāo)高2 035 m，壩高60 m，在施工期，內(nèi)坡安全系數(shù)為1.562，外坡安全系數(shù)為1.565；正常水位工況下，安全系數(shù)為1.336；最高水位工況下，安全系數(shù)為1.254；最高水位考慮地震的工況下，安全系數(shù)為1.072，因此，采用瑞典法符合規(guī)范要求。根據(jù)計算結(jié)果可知，本尾礦壩只要滿足特殊工況條件下的穩(wěn)定性要求，也就滿足了其他工況條件下的穩(wěn)定性要求。

2 方案比較

(1)根據(jù)工程勘查報告，頭石山尾礦庫黏土料場可用土料開挖厚度平均7 m，面積334 503 m2。但在施工過程中，現(xiàn)有黏土料場挖開形成工作面后，發(fā)現(xiàn)可用黏土層厚度僅3.0～6.0 m，可用土料開挖厚度平均4 m，按征地面積計算，最大可采量為133.8萬m3，而大壩需填筑黏土量為295.5萬m3。下部均為風(fēng)化巖層，且呈犬牙狀分布。綜合分析后，決定將壩體黏性土料填筑自上而下分為3個區(qū)域：黏性土料區(qū)、含碎石黏土區(qū)、風(fēng)化料區(qū)。

(2)根據(jù)筑壩工程現(xiàn)場施工情況及工程現(xiàn)狀，結(jié)合排洪導(dǎo)流措施，取消壩體中的斜坡碎石透水層，尾礦滲水改用管道由壩體內(nèi)坡通過左右岸向下游引出壩外，將庫內(nèi)排滲和壩體排滲分開，起到降低尾礦壩浸潤線的作用，更有利于尾礦滲水排滲，同時可解決施工期間雨季時2 008 m標(biāo)高以下的排洪問題。通過優(yōu)化，減少了原設(shè)計碎石透水層的填筑量12.49萬m3，節(jié)約施工成本104萬元。

(3)對原設(shè)計和優(yōu)化后設(shè)計主要工程量綜合分析對比，優(yōu)化設(shè)計后節(jié)約投資約2 100.842 9萬元。

3 結(jié) 語

對頭石山尾礦庫一期壩原設(shè)計和優(yōu)化后設(shè)計進(jìn)行了對比分析，優(yōu)化后的設(shè)計增強(qiáng)了壩體安全穩(wěn)定性，減少了施工成本和投資成本。該尾礦庫筑壩工程于2012年10月20日竣工，2013年6月28日通過了安全設(shè)施工程竣工驗收，工程質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，對其他尾礦庫壩設(shè)計具有很好的參考價值。

[1] 余湘娟，等.云南磷礦集團(tuán)頭石山尾礦庫力學(xué)特性試驗報告[R].南京：河海大學(xué)，2009．

[2] 田文旗，陳守仁，楊 燕，等.GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013．

2015-02-28)

陸曉毅(1976—),男，工程師，650041 云南省昆明市東郊路78號。