廢石中線法在強(qiáng)震區(qū)高尾礦壩建設(shè)中的應(yīng)用

崔 旋，周漢民，甘海闊

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

廢石中線法在強(qiáng)震區(qū)高尾礦壩建設(shè)中的應(yīng)用

崔 旋1，2，周漢民1，2，甘海闊1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

針對強(qiáng)震區(qū)高堆尾礦壩建設(shè)的特點(diǎn)，在總結(jié)分析國內(nèi)尾礦壩抗震經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一套以廢石中線法為主、多種加固措施為輔的筑壩思路。從滲流、穩(wěn)定等方面，對擬建于云南某溝谷內(nèi)的高堆尾礦壩的抗震能力進(jìn)行了研究和分析。研究結(jié)果表明，廢石中線法具有浸潤線低、穩(wěn)定性好、不易液化等特點(diǎn)，9級地震設(shè)防條件下壩體最小安全系數(shù)為1.096，能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。該成果對于今后地震區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)高尾礦壩的設(shè)計(jì)、建造以及抗震加固等具有指導(dǎo)意義。

尾礦壩；強(qiáng)震區(qū)；廢石中線法；穩(wěn)定分析

地震災(zāi)害作為一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，一旦發(fā)生便會(huì)帶來慘重的損失?？v觀國內(nèi)外尾礦庫工程，因地震遭受破壞的事例屢見不鮮。如1978年日本的Mochikoshi 1＃尾礦壩由于地震液化破壞，2＃尾礦壩在地震后約24 h倒塌［1］；1965年智利La Ligua地震中Cobre尾礦壩潰壩［2］；2008年我國四川汶川地震中也出現(xiàn)了大量尾礦壩震害，需及時(shí)加固的實(shí)例。據(jù)統(tǒng)計(jì)［3］，截至2012年底我國共有尾礦庫12 273座，絕大多數(shù)為上游式堆壩的尾礦壩。Vick指出［4］迄今所報(bào)道的所有在地震中發(fā)生流動(dòng)破壞的尾礦壩都是用上游法建造的，這種堆壩方法壩體沉積密度一般偏低，浸潤線偏高，滲流難以控制，大部分壩體處于飽和狀態(tài)。文獻(xiàn)［5-6］試驗(yàn)證明，飽和尾砂具有不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對振動(dòng)荷載非常敏感，在地震中很容易發(fā)生液化和破壞性變形。國外對在強(qiáng)震區(qū)修筑上游法尾礦壩表示懷疑，從穩(wěn)定性考慮認(rèn)為大型尾礦壩最好不要采用上游法［7］。因此，開發(fā)安全高效的高震區(qū)尾礦堆存技術(shù)一直是國內(nèi)礦業(yè)界追求的目標(biāo)。位于云南省境內(nèi)的某尾礦庫，由于地處9度地震烈度區(qū)及高堆壩的要求，其壩體抗震措施決策及抗震穩(wěn)定性成為了工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵。為此，本文在分析以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用廢石中線法的尾礦壩建設(shè)方案，并通過穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證了該壩型抗震的有效性及邊坡的穩(wěn)定性。成果可為今后高地震烈度區(qū)高尾礦壩的建設(shè)決策提供指導(dǎo)。

1 工程背景

該尾礦庫位于云南省東川區(qū)境內(nèi)東北部一溝谷內(nèi)，庫區(qū)溝底平均坡降約3%，溝谷上游窄、下游寬，呈“V”字型結(jié)構(gòu)，最窄處僅為27m，最寬處約為130 m。谷底和溝谷兩岸分水嶺高差200～400m，兩側(cè)地形坡度均較陡，坡度大多在45°～55°，局部形成坡度大于65°的陡壁，屬構(gòu)造剝蝕中等切割中低山地貌。壩址處為第四系泥石流堆積卵礫石含砂，松散—中密狀態(tài)，厚度0.00～47.50m，兩側(cè)薄，中間厚，不均勻夾薄層礫砂。兩側(cè)坡腳出露古生界二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β）玄武巖。

根據(jù)選廠生產(chǎn)工藝及尾礦庫服務(wù)要求，該尾礦庫的建設(shè)存在三方面的特點(diǎn)：1）入庫尾礦粒度細(xì)，其中粒徑d＜0.019mm的含量為31.4%，粒徑d＞0.037mm的含量為45.3%，粒徑d＞0.074mm的含量為21.8%；2）生產(chǎn)規(guī)模大，選廠生產(chǎn)規(guī)模為15 000t/d，年產(chǎn)尾礦量367萬m3；3）地震烈度高，9度地震區(qū)。為滿足選廠生產(chǎn)要求，尾礦壩還需設(shè)計(jì)為高堆壩，最大壩高為110m。為此安全、合理、有效地堆壩抗震措施決策成為了尾礦壩建設(shè)的關(guān)鍵問題，必須開展相關(guān)研究分析，以保證壩體穩(wěn)定性的要求。

2 國內(nèi)強(qiáng)震區(qū)尾礦筑壩經(jīng)驗(yàn)

一般來說，地震對尾礦壩的破壞具有以下方面的特點(diǎn)［8］：1）尾礦壩的破壞是尾礦的液化引起的；2）尾礦壩的破壞形式表現(xiàn)為流滑；3）遭地震破壞的尾礦壩，其壩坡坡度大都在30°～40°；4）停用或不用的尾礦壩的地震穩(wěn)定性比正在使用的要高一些?；谝陨咸攸c(diǎn)，在我國高地震烈度區(qū)尾礦壩建設(shè)中也積累了一些經(jīng)驗(yàn)：

1）干堆。與常規(guī)的尾礦處理方式相比，其最大特點(diǎn)是尾礦入庫的水分很少或者沒有，庫內(nèi)不存積水，壩體內(nèi)沒有浸潤線，地震時(shí)不會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，抗震安全度較高。但其尾礦運(yùn)行成本過高，細(xì)粒尾礦壓濾效率低，且不適用于多雨地區(qū)［9］。

2）中線法。采用旋流器分離粗粒級尾礦筑壩，其抗震性能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是粗尾礦滲透性強(qiáng)，壩體浸潤線低；二是研究表明［10］細(xì)粒尾礦（-0.074mm）含量在25%～35%時(shí)材料的抗液化能力最強(qiáng)，與中線法筑壩尾砂粒徑要求基本一致。但目前在中線法的實(shí)踐中也出現(xiàn)了一些問題，如砂量不足、下游壩體坡面上陡、下緩，暴雨時(shí)壩面拉溝嚴(yán)重，存在一定的安全隱患。

3）一次性堆壩。多采用分期建設(shè)堆石壩堆存尾礦。由于它自身的筑壩孔隙率在20%～28%，號稱“柔性壩”，因此其適應(yīng)地基變形能力很強(qiáng)，能較好地抵抗地震波的震蕩作用。但其壩體體積相對較大，壩體建設(shè)成本高，使得該壩型在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。

4）其它抗震加固措施。如加強(qiáng)排滲降低壩體浸潤線，采用分級沖積筑壩法形成足夠?qū)挼膲斡矚ぃ啪弶纹禄蚴┘臃磯后w提高壩體穩(wěn)定性，土工格柵或碎石樁加固壩體等。

3 廢石中線法在強(qiáng)震區(qū)高尾礦壩中的應(yīng)用

針對本工程所處9度地震區(qū)堆高壩的實(shí)際情況，綜合分析以上抗震措施：一是利用碾壓堆石壩優(yōu)良的抗震效果；二是中線法堆壩浸潤線低、抗震性能好；三是各項(xiàng)抗震措施的加固作用。本文結(jié)合庫區(qū)下游已形成的充裕泥石流堆積料（卵礫石料）及現(xiàn)場工程地質(zhì)地貌特征，提出該尾礦壩可采用以廢石中線法為主、多種加固措施為輔的筑壩思路，形成的廢石中線法尾礦壩最大壩高為110m。具體情況如下：

1）初期壩采用碾壓廢石壩，壩高50m，壩頂寬8 m。上游坡腳及基底設(shè)置防滲設(shè)施以防止尾礦庫運(yùn)行初期發(fā)生跑混。其后采用廢石中線法分級加高，每級壩高15m，頂寬10m，自下而上分層碾壓。上游坡比1︰2，壩基尾砂部分采用塊石分層碾壓夯實(shí)至承載力達(dá)300kPa以上。下游壩坡比1︰2.5，設(shè)“之”字形上壩公路，筑壩工藝如圖1所示。

圖1 廢石中線法尾礦壩剖面圖Fig.1 Sketch of centerline embankment tailings dam by using waste rock

2）為加速庫內(nèi)尾砂固結(jié)，降低壩體內(nèi)浸潤線，于每級中線法壩前設(shè)多層排滲盲溝。

3）大壩對地震波具有放大效應(yīng)，壩頂加速度較大。在大壩遭遇強(qiáng)震作用而發(fā)生破壞時(shí)，破壞將首先從壩頂部開始。為此，在中線法壩體外坡設(shè)置土工格柵加筋，格柵水平鋪設(shè)于壩體內(nèi)，豎向間距為2 m，加筋層數(shù)23層，最大加筋長度50m。

4）在每期中線法加高堆壩，坡腳外側(cè)設(shè)置長50 m、高10m的壓載平臺，平臺外坡坡比為1︰2.5。

4 壩體穩(wěn)定性計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

為充分論證該壩型在9度地震區(qū)的適用性，根據(jù)尾礦庫地質(zhì)資料及庫型條件，選取尾礦壩典型剖面開展?jié)B流計(jì)算及壩體穩(wěn)定性分析，計(jì)算范圍：左右寬共1 300m，底部取至基底玄武巖層。采用4節(jié)點(diǎn)等參單元，模型共3 772個(gè)單元、3 776個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告及相關(guān)試驗(yàn)獲得，如表1所示。

表1 尾礦壩體物料及地基物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of foundation and materials in tailings dam

4.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元計(jì)算軟件對尾礦壩不同運(yùn)行工況進(jìn)行滲流數(shù)值模擬，計(jì)算中考慮初期壩內(nèi)坡腳防滲及壩體內(nèi)部排滲設(shè)施，得到正常水位及洪水位運(yùn)行工況下的滲流場如圖2、3所示。

圖2 正常水位運(yùn)行壩體壓力水頭等值線（單位：m）Fig.2 The distribution of water head line in tailings dam under normal production level

從圖中看到，由于尾礦與廢石壩體材料滲透參數(shù)差異性較大，浸潤線由尾礦進(jìn)入壩體后迅速下降至壩體底部。比較洪水位工況計(jì)算結(jié)果，浸潤線在廢石壩體內(nèi)部上升幅度不明顯。壩體內(nèi)部浸潤線埋深較大，最高處距壩底約15m，之后沿壩體下游下降至庫底排出。

以滲流計(jì)算為基礎(chǔ)，參照《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50863-2013）》要求，分別采用瑞典圓弧法以及簡化Bishop法對尾礦庫運(yùn)行的正常工況、洪水工況以及地震工況等開展穩(wěn)定性分析，其中地震工況選取工程場地50年超越概率5%時(shí)水平向地震加速度為0.48g。計(jì)算結(jié)果見表2，圖4為各工況下壩體最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

圖3 洪水位運(yùn)行壩體壓力水頭等值線圖（單位：m）Fig.3 The distribution of water head line in tailings dam under flood level

表2 壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2 The results of dam stability calculation

圖4 壩體最小安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Minimum safety factor calculation results of tailings dam

從以上計(jì)算結(jié)果來看，壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算滑弧主要穿過中線法廢石壩體及地基兩部分，對庫內(nèi)尾砂力學(xué)強(qiáng)度影響不大。比較各工況計(jì)算結(jié)果，地震作用下的壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)最小，兩種方法計(jì)算出來的最小安全系數(shù)分別為1.098、1.163，均能滿足規(guī)范的要求，尾礦壩的穩(wěn)定性是有保障的。

5 結(jié)論

本文在總結(jié)國內(nèi)強(qiáng)震區(qū)尾礦壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以廢石中線法為主的尾礦壩筑壩思路。并運(yùn)用有限元分析軟件對該尾礦壩進(jìn)行了滲流場模擬及穩(wěn)定性分析。通過上述計(jì)算及分析，有下列幾點(diǎn)認(rèn)識：1）廢石中線法結(jié)合中線法與碾壓堆石壩良好的抗震性能，不直接采用尾砂筑壩，能夠較好地解決高地震烈度區(qū)高尾礦壩建設(shè)所面臨的問題。

2）從壩體滲流計(jì)算及穩(wěn)定性分析來看，廢石中線法具有浸潤線低、穩(wěn)定性好、不易液化等特點(diǎn)，在9度地震情況下各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求。

3）廢石中線法壩體穩(wěn)定性主要受中線法壩體及地基條件制約，實(shí)際應(yīng)用中可通過控制筑壩材料粒徑及碾壓指標(biāo)、壩體土工格柵加筋、加固地基等措施提高尾礦壩綜合抗震能力。

4）從擬靜力法的角度分析了廢石中線法壩體在地震作用下的穩(wěn)定性，但尚未考慮壩體在連續(xù)地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)、孔壓增長規(guī)律及液化區(qū)范圍，其具體情況還有待開展相關(guān)試驗(yàn)及理論研究進(jìn)行確定。

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Application of centerline embankment by using waste rock in tailings dam located in strong earthquake area

CUI Xuan1，2，ZHOU Hanmin1，2，GAN Haikuo1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

Based on the analyzing of aseismic experience of tailings dam in China，the damming method composed of centerline embankment by using waste rock and various strengthening measures is proposed considering the characteristics of high tailings dam located in the strong earthquake area.The aseismic capability is studied and evaluated by focusing the emphasis on the seepage and stability of high tailings dam in Yunnan Province.The study shows that centerline embankment by using waste rock has the following characteristic：low seepage line，well stability，difficult liquefaction and so on.The minimum safety factor is 1.096 under earthquake withM＝9.0，which can meet the need of specification.The results can be applied to guide the designing，construction and seismic strengthening of high tailings dam located in the strong earthquake area.

tailings dam；strong earthquake area；centerline embankment by using waste rock；stability analysis

TD854＋.6

Α

1671-4172（2015）06-0104-03

崔 旋（1987-），男，工程師，碩士，水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，主要從事礦山尾礦庫方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.022