擺紀磷石膏渣場回采邊坡的穩(wěn)定性分析

張建博，葛小博

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081;2.三峽大學(xué)，湖北宜昌443002)

磷石膏是化工廠用磷灰石與硫酸作用濕法生產(chǎn)磷酸的副產(chǎn)品。隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)快速發(fā)展，化工產(chǎn)品磷酸需求的不斷增大，產(chǎn)生了大量的磷石膏不能及時有效利用，目前普遍采用堆置處理。然而，磷石膏堆放處理存在著許多弊端:(1)磷石膏堆放占用大量土地，渣場運行管理成本也相應(yīng)增加;(2)長時間堆放會使磷石膏砂化，減少了單位面積的堆放量[1－2]。所以，面臨土地資源嚴重短缺的形勢，為了減少環(huán)境風(fēng)險_，降低渣場的維護費用，回采磷石膏對充分利用不可再生資源具有非常重要的意義。

然而，在磷石膏回采過程中，隨著對磷石膏的開采，壩體高度會逐漸降低，原壩坡和新形成的開挖邊坡的穩(wěn)定性會發(fā)生變化，從而引發(fā)很多的安全問題，形成了磷石膏渣場生產(chǎn)中的隱患[3－4]。而目前為止，關(guān)于磷石膏回采過程中壩體穩(wěn)定性的研究還較少，本文主要針對這個問題，從傳統(tǒng)巖土工程原理出發(fā)，利用Geo－studio軟件，對回采過程中磷石膏渣場的穩(wěn)定性問題進行研究。

1 擺紀渣場基本情況

擺紀磷石膏渣場位于馬場坪鎮(zhèn)東北部擺紀村山谷。渣場主要由初期壩、堆積子壩及壩體導(dǎo)排系統(tǒng)組成，壩體主要是在磷石膏沉積灘上取磷石膏干渣填筑子壩，再在子壩所形成的渣庫內(nèi)排放磷石膏渣漿，由粗顆粒磷石膏在子壩前沉積形成堆積壩;當堆積壩和沉積灘上升至一定高度后，再在堆積壩上填筑子壩，依次逐級向上填筑而成。

渣場初期壩頂高程為901 m，960 m高程以下為山谷型，即渣場只有一個地形缺口，平行于初期壩軸線方向向上收坡形成磷石膏渣場;960 m高程以上為貼坡型，即渣場以東側(cè)山體為依托，其余三面收坡最終形成磷石膏渣場[5]。渣場堆積壩現(xiàn)狀平面布置如圖1所示。

圖1 擺紀磷石膏渣場堆積壩現(xiàn)狀布置圖

擺紀磷石膏渣場自2000年投產(chǎn)使用以來，經(jīng)過了鋪膜防滲、加高擴容改造，現(xiàn)堆積終了高程為985 m，相應(yīng)庫容為3 347.6萬m3，最大堆積壩高84 m。根據(jù)壩高和庫容確定擺紀渣場工程等別為Ⅲ等[6]。

甕福集團磷石膏綜合利用所需的渣料采用擺紀渣場及原料堆場(緊鄰擺紀渣場東北部)輪換排放磷石膏及取渣的方式，根據(jù)原料堆場總庫容、磷石膏回采量設(shè)計的初期和后期供應(yīng)量，以及滿足取渣的同時而不破壞975 m高程導(dǎo)滲系統(tǒng)和940 m高程的全庫盆HDPE防滲膜的原則，確定初期取渣高程為976 m和后期回采終了高程960 m。

2 擺紀渣場滲流計算分析

渣場堆積體內(nèi)滲流狀態(tài)是控制堆積壩壩坡穩(wěn)定性的決定因素，磷石膏沉積層的滲透性直接影響到渣場堆積體內(nèi)滲流狀態(tài)、水位和尾礦壩的浸潤線。通過滲流場的分析，可以模擬浸潤線和水位的變化情況，尋求有效的技術(shù)措施，保障渣場回采的安全進行。

2.1 滲流分析的基本理論

滲流控制方程問題求解的泛函和有限元法的代數(shù)方程為式(1)和式(2)，當已知實際滲流域的大小后，式(2)的解{h1}即為滲流場的真解[7]。

式中:Π(h)為水頭量函數(shù)h的泛函;Ω1為滲流實域;[K1]，{hi}和{Qi}分別為滲流實域的總傳導(dǎo)矩陣、結(jié)點水頭列陣和結(jié)點等效流量列陣。由于事先不知道自由面的確切位置和逸出面的大小以及實際滲流域的大小，因此飽和無壓流滲流場是一個邊界非線性滲流問題，需通過下式迭代求解。

其中:[K]，{h}和{Q}分別為計算域Ω =Ω1+Ω2(Ω2為位于滲流自由面以上的滲流虛域)時的總傳導(dǎo)矩陣、結(jié)點水頭列陣和結(jié)點等效流量列陣{Ω2}為滲流虛域貢獻的結(jié)點等效流量列陣;{ΔQ}=[K2]{h}為滲流虛域中虛單元和過渡單元所貢獻的結(jié)點虛流量列陣。

2.2 磷石膏渣場現(xiàn)狀邊坡滲流分析

2.2.1 計算工況

根據(jù)規(guī)范[6]規(guī)定，滲流計算應(yīng)考慮尾礦庫運行中出現(xiàn)的各種不利條件，而本次渣場回采涉及兩種工況，即正常運行工況和極端降雨工況。正常運行工況下認為壩頂排水系統(tǒng)良好，壩頂將不出現(xiàn)水位。所以現(xiàn)狀邊坡滲流計算只進行極端降雨工況復(fù)核。

降雨工況下，堆渣體的最小干灘長度為70 m，即堆渣頂水位距離堆場頂馬道(寬15 m)內(nèi)側(cè)坡腳處70 m。

2.2.2 計算斷面及計算參數(shù)選取

為了解大壩現(xiàn)狀的實際滲流情況，本次復(fù)核選取A－A斷面進行滲流計算(圖2)。該斷面為大壩最大壩高斷面，據(jù)多年運行情況及現(xiàn)場檢查情況，壩腳處存在明顯滲漏溢出點(區(qū))。因此，選擇該斷面進行復(fù)核計算，可基本反映磷石膏堆體的整體滲流性態(tài)。

圖2 磷石膏堆場現(xiàn)狀滲流計算典型A—A剖面圖(簡化)

磷石膏堆體地質(zhì)參數(shù)選取見表1。

表1 磷石膏堆體各層滲透系數(shù)參數(shù)取值表

2.2.3 滲流分析模型建立

磷石膏中的細粒含量越多，其滲透系數(shù)就越低，經(jīng)過一段時間的壓縮固結(jié)，尾礦砂的滲透性也會降低;在自然沉積過程中，磷石膏尾礦砂和磷石膏尾礦泥互層出現(xiàn)，因而垂直和水平方向上的滲透系數(shù)Kx和Ky存在差異。根據(jù)資料[8]表明Kx和Ky的比值為2。本分析計算在不影響滲流分析的結(jié)果的情況下對模型做以下簡化:

(1)模型按穩(wěn)定滲流考慮;

(2)考慮到磷石膏堆場做了全庫盆防滲，初期壩及地基視為不透水，磷石膏滲透系數(shù)K1遠大于初期壩及地基滲透系數(shù)K2(K1≥100K2)，可視初期壩壩頂標高以下為不透水地基進行滲流計算。

2.2.4 計算結(jié)果及分析

極端降雨工況下計算斷面滲透比降值及滲流量值見表2，流網(wǎng)分布見圖3。

表2 極端降雨工況計算斷面滲透坡降值及滲流量值

圖3 極端降雨工況磷石膏堆體流網(wǎng)分布

(1)臨界水力比降的確定:

臨界水力比降根據(jù)公式

式中:JCr為土的臨界水力比降;GS為土的顆粒密度和水的密度之比;n為土的孔隙率。

根據(jù)資料[9]其破壞比降從細粒級到粗粒級為0.70 ～0.87。

(2)最終磷石膏的允許比降:

根據(jù)工程的重要性取安全系數(shù)為2.0，最終磷石膏的允許比降為0.70/2 ～0.87/2=0.35 ～0.43。

結(jié)合計算結(jié)果表明，由于HDPE膜防滲效果較好，故有兩條浸潤線在下游壩坡出逸，HDPE膜上方的浸潤線出逸點不高，滲透比降不大。

2.3 磷石膏渣場回采邊坡滲流分析

2.3.1 初期回采邊坡滲流分析

為了分析堆場初期開采時，穩(wěn)定滲流場和鋪設(shè)導(dǎo)滲系統(tǒng)對堆場滲流場的影響，本次選擇堆場初期開采時的2個計算工況，分別為:極端降雨工況(水位位于堆場頂內(nèi)側(cè)坡腳處)，正常洪水工況(水位距離堆場頂內(nèi)側(cè)坡腳處70 m)，具體見圖4初期開采滲流計算典型剖面圖。磷石膏滲透系數(shù)取值為表1。

磷石膏堆場初期回采，兩種工況下計算斷面滲透比降值及滲流量值見表3，流網(wǎng)分布見圖5。

圖4 磷石膏堆場初期開采滲流計算典型剖面圖(簡化)(單位:m)

表3 磷石膏堆場初期回采斷面滲透坡降及滲流量值

圖5 磷石膏堆場初期回采流網(wǎng)分布

結(jié)合計算結(jié)果表明，初期開采的兩種工況滲透比降不大，發(fā)生滲透變形破壞可能性小。

2.3.2 后期回采邊坡滲流分析

磷石膏堆場后期回采滲流計算考慮的計算工況與前期回采滲流計算工況相同。根據(jù)擺紀渣場后期回采方案比選，當后期回采到終了高程960 m時磷石膏堆場后期最大開采高度由初期開采形成的9 m變?yōu)?5 m，為最不利工況，故后期開采滲流計算典型剖面圖見圖6。

圖6 磷石膏堆場后期開采滲流計算典型剖面圖(簡化)(單位:m)

磷石膏堆場后期回采，兩種工況下計算斷面滲透比降值及滲流量值見表4，流網(wǎng)分布見圖7。

結(jié)合計算結(jié)果表明，后期開采的兩種工況滲透比降不大，發(fā)生滲透變形破壞可能性小。

表4 磷石膏堆場初期回采斷面滲透坡降及滲流量值

圖7 磷石膏堆場后期回采流網(wǎng)分布

3 擺紀渣場穩(wěn)定性分析

磷石膏渣場的穩(wěn)定性分析在堆場的設(shè)計和日常生產(chǎn)管理中具有非常重要的作用。穩(wěn)定性分析從總體上定量評價和預(yù)測壩體的工作狀態(tài)，以確定規(guī)劃中或正在運行中的尾礦庫是否安全、安全程度如何、有多大的富余，評價壩體是否能滿足規(guī)范要求的安全值，為磷石膏回采順利進行提供科學(xué)依據(jù)。

本文采用《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[10](SL274－2001)有效應(yīng)力法計算公式(簡化畢肖普法)對擺紀渣場邊坡的穩(wěn)定性進行分析。

式中:w1在壩坡外水位以上的條塊實重;w2在壩坡外水位以下的條塊浮重;u為作用于土條底面的孔隙壓力;α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角。φu、cu土條底面的強度指標(°)、(kPa);b為土條寬度。

3.1 磷石膏渣場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定復(fù)核

3.1.1 計算工況

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[6](GB50863 －2013)的規(guī)定以及現(xiàn)狀滲流計算的結(jié)果，按極端降雨工況下形成最小干灘(70 m)時形成穩(wěn)定滲流期的下游坡穩(wěn)定。

擺紀渣場磷石膏堆體可視為均質(zhì)壩堆體，采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法和滿足力和力矩平衡的Morgenstern－Price法分別進行計算。穩(wěn)定滲流期下游坡穩(wěn)定計算采用總效應(yīng)力法，土層參數(shù)選用c、φ指標。

3.1.2 計算斷面及地質(zhì)參數(shù)的選取

根據(jù)擺紀渣場磷石膏堆體的結(jié)構(gòu)情況，磷石膏堆體壩坡整體抗滑穩(wěn)定計算斷面的選擇總體參照滲流所選取的A－A斷面(圖2)。各土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表5。

表5 磷石膏堆積體各層物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.1.3 計算結(jié)果及分析

各工況下計算斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表6。圖8給出了極端降雨工況下現(xiàn)狀邊坡形成的滑裂面。

計算結(jié)果表明，現(xiàn)狀壩坡在極端降雨工況下邊坡穩(wěn)定為最不利狀況，但該工況的現(xiàn)狀邊坡抗滑穩(wěn)定采用計及條塊間作用力的簡化Bishop法和滿足力和力矩平衡的Morgenstern－Price法計算的安全系數(shù)都是符合規(guī)范要求的。

表6 磷石膏堆積體壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果表

圖8 磷石膏堆場現(xiàn)狀極端降雨工況邊坡滑裂面

3.2 磷石膏渣場回采開挖邊坡穩(wěn)定計算

3.2.1 磷石膏堆體初期回采邊坡穩(wěn)定計算

(1)初期回采開挖邊坡穩(wěn)定計算工況、計算模型和前面滲流計算相同，邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)見表5。

(2)計算結(jié)果及分析

各工況下不同開挖高度計算斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表7。

表7 磷石膏堆積體初期回采邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果表

由表7可知，回采開挖深度為9 m時，邊坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)遠遠滿足規(guī)范要求值，即磷石膏初期回采設(shè)計方案中的磷石膏堆體邊坡是穩(wěn)定的。

3.2.2 磷石膏堆體后期回采邊坡穩(wěn)定計算

(1)后期回采開挖邊坡穩(wěn)定計算工況、計算模型和前面滲流計算相同，邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)與初期回采開挖邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)相同。

(2)計算結(jié)果及分析

各工況下不同開挖高度計算斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表8。

由表8可知，回采開挖深度為25 m時，邊坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求值，即磷石膏后期回采設(shè)計方案中的磷石膏堆體邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語

結(jié)合工程實例，對擺紀渣場堆積體的滲流和穩(wěn)定進行了分析，為工程的實施奠定了一定的指導(dǎo)作用。

表8 磷石膏堆積體開挖邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果表

(1)通過對磷石膏渣場現(xiàn)狀邊坡的滲流分析和穩(wěn)定復(fù)核，認為渣場現(xiàn)狀邊坡不會發(fā)生滲透變形破壞，在正常運行條件下渣場邊坡是安全的。

(2)對磷石膏渣場初期回采和后期回采方案確定的開挖邊坡進行了滲流和穩(wěn)定分析，認為回采方案確定的開挖深度在穩(wěn)定性方面是滿足要求的。

[1]李光明，李 霞，賈 磊，等.國內(nèi)外磷石膏處理與處置概況[J].無機鹽工業(yè)，2012，44(10):11-13.

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[3]張 明.尾礦手冊(上、下冊)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

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[5]中國五環(huán)化學(xué)工程公司.磷石膏渣場初步設(shè)計報告[R].武漢:中國五環(huán)化學(xué)工程公司，1995.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50863－2013.尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2013.

[7]毛昶熙.滲流計算分析與控制(2版)[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[8]南京水利科學(xué)研究院.磷石膏物理力學(xué)性質(zhì)研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院，2013.

[9]南京水利科學(xué)研究院土工研究所.甕福磷石膏堆場工程土工試驗及數(shù)值分析[R].南京:南京水利科學(xué)研究院，2014.

[10]中華人民共和國水利部.SL274－2001.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，2001.