尾礦庫土石初期壩坡面沼澤化治理措施

陳 星，劉發(fā)清，朱遠樂

（1．長沙礦山研究院有限責任公司a．湖南銘生安全科技有限責任公司；b．金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，長沙 410012）

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尾礦庫土石初期壩坡面沼澤化治理措施

陳 星1a，1b，劉發(fā)清1a，1b，朱遠樂1a，1b

（1．長沙礦山研究院有限責任公司a．湖南銘生安全科技有限責任公司；b．金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，長沙 410012）

摘 要：對于初期壩為透水堆石壩、后期采用尾砂筑壩的上游式尾礦庫，由于庫水位高、干灘長度短、尾砂滲透性差、堆積壩坡陡、未設(shè)置排滲設(shè)施等原因，往往在后期尾礦堆積壩坡面出現(xiàn)沼澤化現(xiàn)象。目前對這種堆積壩坡面沼澤化的治理已積累了豐富的經(jīng)驗，而對于土石初期壩沼澤化現(xiàn)象，因出現(xiàn)較少，研究不多，治理措施也較少。通過對初期壩坡面沼澤化的原因分析和治理措施比選，將水平排滲管用于尾礦庫土石初期壩坡面沼澤化治理中，根據(jù)浸潤線觀測及現(xiàn)場查看，經(jīng)治理的土石初期壩浸潤線埋深逐步降低、坡面沼澤化消除、壩體穩(wěn)定性逐步提高，具有良好的治理效果。采用水平排滲管可消除土石初期壩沼澤化，施工中積累的經(jīng)驗可為類似工程治理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：尾礦庫；土石壩；初期壩；沼澤化；水平排滲管

1 土石初期壩坡面沼澤化問題的提出

尾礦庫是非煤礦山的主要危險源，其危害僅次于地震、霍亂、洪水和氫彈爆炸等而居于第18位［1］，尾礦庫安全問題已引起政府、企業(yè)及老百姓的高度關(guān)注。水是影響尾礦庫安全最重要的因子，其滲流穩(wěn)定直接關(guān)系到尾礦庫安全，由于滲流異常造成尾礦庫失事的比例高達30%～40%［2］，因此對尾礦庫的滲流控制及排滲方法研究變得尤為重要。

圖1　土石初期壩結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Structure of earth?rock starter dam

我國非煤礦山尾礦庫大多采用上游式構(gòu)筑，上游式尾礦庫初期壩一般優(yōu)先采用廢石堆筑，當庫區(qū)周邊無充足石料時，結(jié)合當?shù)夭牧蠈嶋H情況，經(jīng)論證可行也可設(shè)計為土石壩或其他壩型。因土石初期壩自身滲透系數(shù)遠小于堆石初期壩，往往導(dǎo)致后期尾礦堆積壩浸潤線抬升，易在初期壩或堆積壩的坡面出現(xiàn)水逸出而導(dǎo)致沼澤化。起初是壩體本身沼澤化，進而壩體逐漸開裂，慢慢形成滑體，局部地段發(fā)生管涌，最后釀成整體滑移導(dǎo)致泥石流坍塌，其破壞力是毀滅性的［3］。為了有效降低浸潤線保證壩體滲流穩(wěn)定，防止發(fā)生坡面沼澤化，除了常規(guī)的在土石初期壩內(nèi)坡設(shè)置反濾層、在外坡腳設(shè)排水棱體外，往往還需設(shè)置壩底反濾層、壩體排滲體、內(nèi)坡腳集滲層及庫底排滲層。通過設(shè)置以上反濾排滲設(shè)施并按設(shè)計要求進行施工，浸潤線可降至庫底排滲層，尾礦庫的水可通過壩下預(yù)埋排滲管或壩底埋設(shè)的反濾層順利排出。圖1所示的土石初期壩結(jié)構(gòu)圖在許多非煤礦山企業(yè)尾礦庫得以應(yīng)用，壩體滲流正常未曾發(fā)生過壩體浸潤線出逸現(xiàn)象。

查明某多金屬礦尾礦庫初期壩結(jié)構(gòu)，分析產(chǎn)生沼澤化的原因，進而提出治理措施。通過對比實施排滲設(shè)施前后壩體浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明本文提出的將水平排滲管用于土石初期壩沼澤化治理是有效的，為今后類似工程的治理提供了借鑒。

2 尾礦庫實例

某山谷型尾礦庫尾礦壩平面布置如圖2所示，排洪系統(tǒng)為排水斜槽接排水管，內(nèi)徑均為1．2 m，防洪高度3．7 m。初期壩為碾壓土石壩，壩底標高高程為＋140．0 m，壩頂標高高程為＋155．0 m，壩高15．0 m，壩頂寬5．0 m，壩頂軸線長60．0 m，下游坡采用石灰?guī)r塊石干砌，厚度0．2～0．4 m，坡比1∶1．8，上游坡采用石灰?guī)r片石貼面，厚度約0．2 m，坡比1∶1．7。下游壩坡高程為＋142．0 m，標高處設(shè)0．65 m寬馬道。

圖2　尾礦壩平面布置Fig．2 Plane layout of tailings dam

堆積壩前采用放礦管為分散放礦，有3級子壩，堆積壩平均坡比1∶4。設(shè)計總庫容66．0×104m3，設(shè)計總壩高28．0 m，設(shè)計服務(wù)年限13．4 a，目前尾礦庫壩高22．0 m，庫內(nèi)堆存尾砂量約35．0×104m3，為五等庫。為了延伸澄清距離使尾礦水滿足環(huán)保要求，礦方于2014年2月加蓋排水斜槽蓋板抬升庫內(nèi)水位，尾礦庫長期處于高水位運行，浸潤線逐漸抬升；2014年5月，初期壩2／3壩高以下外坡出現(xiàn)浸潤線逸出現(xiàn)象，且已形成徑流，壩面沼澤化嚴重，存在較大的安全隱患，如不及時處理可能導(dǎo)致潰壩。

圖3　尾礦壩剖面Fig．3 Section of tailings dam

3 沼澤化原因分析

礦方有大量采礦廢石可供使用，設(shè)計初期壩采用廢石碾壓形成，上壩石料抗壓強度≥40 MPa，軟化系數(shù)≥0．8，最大粒徑≤0．6 m，級配良好，施工時要求分層碾壓填筑厚度≤0．6 m。初期壩構(gòu)造見表1，尾礦壩剖面圖如圖3所示。設(shè)計壩高15．0 m，壩頂寬5．0 m，下游坡比1∶1．8，上游坡比1∶1．7。為防止尾砂泄漏流失，在上游坡設(shè)置砂礫石－無紡?fù)凉げ迹?00 g／m2）－砂礫石反濾層，初期壩上下游坡均采用0．3 m厚干砌石護坡。

表1　初期壩構(gòu)造Table 1 Parameters of starter dam structure

初期壩飽和密度為1．96 g／m3，固結(jié)快剪凝聚力為29．3 kPa、內(nèi)摩擦角為16．1°，水平滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)分別為3．90×10－6，1．72×10－6m／s。

在實際施工時考慮到運石成本、施工進度等因素，在庫區(qū)就近取土筑壩，私自將壩型變更為土石壩，但并沒有按土石壩構(gòu)造要求對內(nèi)外坡比進行相應(yīng)調(diào)整，未設(shè)置反濾層及排水棱體，也未設(shè)置其他反濾排滲設(shè)施，且長期高水位運行，當前死水位為＋159．3 m，防洪高度僅為2．7 m，遠小于設(shè)計要求的3．7 m。

通過以上分析并結(jié)合有關(guān)研究成果［4－7］，導(dǎo)致初期壩沼澤化產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：①壩型發(fā)生變化后，未對壩體上下游坡比進行相應(yīng)調(diào)整、放緩；②未按規(guī)范構(gòu)造要求設(shè)置上游坡反濾層及坡腳排水棱體；③未設(shè)置其他壩體排滲與庫底排滲等加快尾砂固結(jié)、降低浸潤線的設(shè)施；④未按要求控制庫內(nèi)水位，尾礦庫長期處于高水位運行；⑤壩型由透水性好的堆石壩變更為透水性較差的土石壩，筑壩材料主要成分為黏性土及全風化板巖碎石、角礫，風化料長期浸水后逐漸變軟，透水性逐漸變?nèi)?，滲透系數(shù)與鄰近尾砂滲透系數(shù)比進一步減小。

由于初期壩的阻水作用進一步加大，導(dǎo)致壩前浸潤線抬升，從而導(dǎo)致初期壩坡面沼澤化的產(chǎn)生，若不及時加以治理，當發(fā)生暴雨洪水庫水位抬升，浸潤線勢必進一步抬升并在堆積壩壩坡出逸，尾礦壩穩(wěn)定性降低，尾礦庫發(fā)生潰壩的可能性加大。

4 沼澤化治理方案

上游式尾礦庫堆積壩發(fā)生沼澤化時有發(fā)生，而初期壩沼澤化發(fā)生情況不多見。治理堆積壩沼澤化效果較好的有排滲輻射井、水平排滲管或兩者聯(lián)合排滲。相比水平排滲管排滲，排滲輻射井的排滲管進入尾砂層的位置更低、輻射管能夠更廣泛地分布在透水性更好的尾砂層，因此輻射井的排滲能力較水平排滲管好。然而，對于出現(xiàn)在初期壩體的沼澤化，在初期壩上施工輻射井會對壩體本身造成嚴重破壞，而在外坡進行貼坡排水并不能從根本上降低浸潤線消除沼澤化。對于透水性較弱的土石壩，必須在壩體內(nèi)打通滲水通道才能逐漸排走壩內(nèi)及壩前水，從而將浸潤降至合理高度以消除壩坡沼澤化。

在初期壩內(nèi)設(shè)水平排滲管簡單方便、對壩體破壞小、施工機動靈活且便于后期管理維護，當施工至設(shè)計長度時發(fā)現(xiàn)排滲效果不好時還可以適當延伸排滲管長度，也可以在排滲管處打入豎向排水板或豎直砂井以增強豎向方向的滲透性，當水平排滲管出現(xiàn)淤堵排滲能力降低時［8］，可通過洗孔恢復(fù)其排滲能力。

結(jié)合以往尾砂堆積壩沼澤化治理的成功經(jīng)驗，根據(jù)本工程的實際情況，采用工程造價低、排滲效果較好、施工及后期維護簡便的水平排滲管治理方案。在治理方案實施前，要求庫內(nèi)死水位必須降低至壩頂3．7 m以下，為了后期排滲需要，距灘頂60 m處平行壩軸線鋪設(shè)2段排滲席墊，內(nèi)設(shè)Φ100 mm軟式透水管集滲，垂直壩軸線另設(shè)3根DN150排滲管，將滲水引入壩坡排水溝，完善尾礦壩浸潤線觀測設(shè)施并加強監(jiān)測工作。

根據(jù)當前浸潤線埋深（見圖4）與滲流計算分析（見圖5），治理初期土石壩沼澤化的具體方案是在初期壩內(nèi)布置2組水平排滲管（見圖2）。第1組于初期壩＋142．0 m標高，該標高處壩軸線長34．0 m，共布設(shè)5根，管距約6 m，編號1＃—5＃，總長度270．0 m。其中：2＃，3＃，4＃管長60 m（壩體段長47．0 m，尾砂段長13．0 m），在尾砂段設(shè)集滲段長10 m，排滲段長50 m；1＃，5＃管長為45．0 m，全段均在壩體內(nèi)，集滲段長20 m，排滲段長25 m。第2組于初期壩＋150．0 m標高處，該標高處壩軸線長50．0 m，也布設(shè)5根，編號6＃—10＃，管距8 m，每根管長50 m（壩體段20 m、尾砂段30 m），集滲段長25 m，排滲段長25 m，總長度250 m。在2組排滲管出口處均設(shè)壩坡排水溝。

圖4　現(xiàn)狀浸潤線Fig．4 The present saturation line

圖5　增設(shè)水平排滲管滲流分析Fig．5 Seepage analysis in the presence of horizontal seepage draining pipe

5 水平排滲管設(shè)計與施工

5．1 水平排滲管設(shè)計

5．1．1 管材管徑選擇

水平排滲管一般采用鋼管或UPVC管。鋼管密度大、開孔困難不便于施工，且治理費用較高；UPVC管密度一般為鋼管的1／5，施工方便易于加工成排滲管［9］，治理費用較低，且UPVC管能耐強酸、強堿有足夠強度抵擋尾砂水壓力，是當前較為理想的排滲管材料。

設(shè)計起初選用DN150UPVC管，施工DN150管需選用GLP－150型鉆機，該鉆機L×B＝5．0 m×2．0 m，施工時需在進孔點位置開挖5．5 m×3．0 m基坑以制作基礎(chǔ)反力墩。結(jié)合本工程初期壩外坡比1∶1．8，基坑開挖L×B×H＝5．5 m×3．0 m×3．1 m，因此選用該型鉆機施工時會對初期壩造成較嚴重破壞，為避免對初期壩的嚴重破壞，改選用WKDG－160型鉆機，其L×B＝2．7 m×1．0 m，需開挖尺寸L×B×H＝3．0 m×2．0 m×1．7 m，大大減小了對初期壩體的破壞，該型鉆機施工管徑一般為DN56 mm和DN75 mm，為了適當增加排滲管表面積，最終選擇了DN75UPVC管。

5．1．2 開孔布置與開孔率

孔徑與開孔率應(yīng)綜合考慮來確定，一般孔徑取10～15 mm，考慮到管徑為75 mm，孔徑取15 mm。開孔率一般取8%～11%，有經(jīng)驗表明，當開孔率從7%增加到15%時，其綜合滲透系數(shù)幾乎不變［3］。因此，從既滿足水平排滲管良好排滲能力，又能保證其具有足夠承受尾礦及水的壓力能力考慮，開孔率取8%～9%。

為了達到8%～9%的開孔率，每周開6個直徑為15 mm圓孔，梅花形布置，孔間距為50 mm，開孔率為8．5%，管鉆孔后外包400 g／m2土工布1．5層，用鐵絲或抗腐蝕橡膠繩每隔20 cm綁扎一道。水平排滲管制作詳圖如圖6所示。

圖6　水平排滲管Fig．6 Details of horizontal seepage draining pipe

5．1．3 坡度、長度與標高

當浸潤線達到排滲管附近時，由于排滲管滲透系數(shù)遠大于尾砂與壩體，水滲入管中，為了利于排滲水排出，排滲管與水平方向呈一定夾角，其坡度一般為1%～3%，結(jié)合該庫實際浸潤線埋深情況，坡度取1%。

排滲管的長度分為集滲段和排滲段，集滲段開孔而排滲管不開孔，在此需要注意的2點：一是集滲段要么全部布置在尾砂內(nèi)，要么全部布置在壩體內(nèi)，以防止初期壩體發(fā)生滲透破壞；二是距離基礎(chǔ)面較近的一組排滲管，其兩側(cè)排滲管不要打穿初期壩壩體以免鉆入基巖。排滲管長度與標高應(yīng)由浸潤線埋深來確定，通過滲流與穩(wěn)定性計算出浸潤線最高控制值，與實際浸潤線高度比較可求出浸潤線必需的降低值，從而確定水平排滲管貫入深度與標高。讓排滲管出水口標高低于該處浸潤線的標高，這樣對排滲有利，兩者之間的高差控制在2 m左右。

5．1．4 出口處理與排滲時間選擇

需求情況：國內(nèi)市場方面，磷復(fù)肥會議過后，東北、西北地區(qū)二銨市場價格明朗，冬儲價格較前期有所上漲，下游接受度不高，新單跟進放緩；華北地區(qū)有零星成交，價格延續(xù)秋季市場報價。出口市場方面，國際需求總體放緩，采購需求仍存，我國部分企業(yè)出口接單持續(xù)，但出口商談價繼續(xù)走低。

為了有效防止空氣進入排滲管發(fā)生化學(xué)淤堵，需在出水口設(shè)UPVC彎頭，彎頭朝上。為了防止水平排滲管發(fā)生物理淤堵，排滲管安裝后需將出口先塞住，待集滲段周邊尾砂固結(jié)穩(wěn)定后（約20 d）方可排水。

5．2 水平排滲管施工

施工水平排滲管之前，應(yīng)把浸潤線觀測孔全部施工完畢，并堅持每天觀測浸潤線、庫水位、放礦位置的變化情況。

水平排滲管的施工工序為：

（1）開挖反力墩基坑，制作鋼筋墩基，混凝土標號采用C20。

（2）鉆機安裝。

（3）采用螺旋鉆排渣、套管鉆頂成孔法成孔，選用?127 mm×10 mm×1．0 m套管，為確保套管軸線和鉆機軸線相重合，須用拉線法在事先測定軸線的基礎(chǔ)上指導(dǎo)水平孔開孔。

（5）UPVC管安裝，將制作好的管子連接好，使其成為一個整體，送入孔內(nèi)，直至達到設(shè)計長度。

（6）套管拔出，排滲管下入到設(shè)計深度后拔出套管水平排滲管才安裝完畢。

（7）封堵孔口，水平排滲管安裝完畢后，需堵住濾管與拱形孔壁間在孔口處的間隙。其方法是，采用大量小塊土工布包扎一定量的黏土塞入孔口與管壁間隙之間，并逐層搗實，直到管外不漏水為止。

在以上施工工序中需要特別注意的是鉆機角度的問題，為了達到設(shè)計所要求排滲管與水平方向呈1%的坡，在實際施工時應(yīng)適當加大鉆機仰角，本次施工鉆機坡度為2．5%，實際打出來的排滲管坡度約為1%，基本達到設(shè)計要求的坡度。

6 治理效果及分析

表2　水平排滲管流量統(tǒng)計Table 2 Statistics of flow in horizontal seepage draining pipes

從表2中的8—10月份排滲流量統(tǒng)計來看，最大排滲流量為120．9 m3／d，出現(xiàn)在第2排的尾砂10＃管中，該管集滲段長25 m；由于土石壩滲透性較粗尾砂差，第1組初期壩體內(nèi)的1＃管滲流量僅為2．07 m3／d。除了9＃管以外，其他9根管經(jīng)過一段時間的排滲，滲流量逐漸趨于穩(wěn)定，從排滲穩(wěn)定后的流量來看，滲流量基本正常，能夠滿足設(shè)計要求。對于出現(xiàn)異常的9＃管，通過對鉆孔排出的砂渣分析，該集滲段剛好處于軟弱夾層尾礦泥里，尾礦泥的滲透性較差，導(dǎo)致排滲流量較小，后經(jīng)過增加排滲管貫入長度，增強了排滲能力。

通過表3可以看出，經(jīng)過近3個月的排滲，浸潤線埋深在2．0 m以上，其中布置在初期壩壩頂＋155．0 m標高浸潤線埋深降低了3．63 m，初期壩頂處浸潤線由壩高2／3處降至壩高1／2處，原壩坡滲水部位已全部疏干，沼澤化現(xiàn)象得到消除，壩體穩(wěn)定性得到明顯改善。

表3　浸潤線排滲前后變化情況Table 3 Variation of saturation line before and after seepage drainage

7 結(jié) 語

對于因未設(shè)置反濾排滲設(shè)施或反濾排滲設(shè)施失效導(dǎo)致土石初期壩出現(xiàn)的沼澤化給出了將水平排滲管置入初期壩體內(nèi)的治理方案，該方案治理效果明顯，沼澤化得到消除。為了更好地對今后從事類似治理的工程設(shè)計人員和施工人員提供借鑒，結(jié)合過往工程與本治理工程經(jīng)驗，給出了水平排滲管設(shè)計要點和施工中需注意的事項。

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（編輯：姜小蘭）

Treatment of Slope Swamping of Earth?rock Starter Dam of Tailings Pond

CHEN Xing1，2，LIU Fa?qing1，2，ZHU Yuan?le1，2
（1．Mingsheng Safety Technology Co．，Ltd．，Changsha Institute of Mining Research Co．，Ltd．，Changsha 410012，China；2．State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines，Changsha Institute of Mining Research Co．，Ltd．，Changsha 410012，China）

Abstract：For upstream tailings pond with permeable rock?fill starter dam，slope swamping of tailings?fill dam is of?ten found in later stage due to high water level，short dry beach，inadequate tailings permeability，steep slope，or absence of seepage facilities．We have rich experiences in the treatment of such slope swamping，but researches and treatment measures on the swamping of earth?rock starter dam are rare．Through analyzing the causes of starter dam swamping and comparing the treatment measures，we applied horizontal seepage draining pipes to the treatment．By observation and on?site investigation，we found that the depth of saturation line of earth?rock starter dam gradually declined，slope swamping diminished，and the dam’s stability improved．Through the experience we conclude that horizontal seepage draining pipes could eliminate the swamping of earth?rock starter dam．

Key words：tailings pond；earth?rock dam；starter dam；swamping；horizontal seepage draining pipes

作者簡介：陳 星（1984－），男，安徽濉溪縣人，工程師，碩士，主要從事尾礦庫研究，（電話）0731－88670450（電子信箱）hhuchenxing＠163．com。

收稿日期：2014－11－24；修回日期：2015－01－04

中圖分類號：TD926

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0122－05