尾礦庫防汛應(yīng)急筑壩現(xiàn)場試驗研究

劉欣欣 盛明強(qiáng) 薛光緒

摘 要：為保障上游法尾礦庫安全度汛，提出了可快速成壩的分級模袋寬體子壩筑壩方法并開展了現(xiàn)場筑壩試驗。首先，對全尾模袋寬體子壩筑壩工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出了分級模袋寬體子壩的筑壩工藝流程;其次，開展現(xiàn)場旋流分級試驗，研究了不同旋流分級參數(shù)下底流中-200目顆粒含量以及底流產(chǎn)率兩項指標(biāo)的變化特征，從而優(yōu)選出適宜于現(xiàn)場筑壩的旋流分級參數(shù);隨后，在選定旋流分級參數(shù)基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場筑壩試驗，提出了模袋圍埝充灌與分級尾砂充填協(xié)同逐層加高的筑壩施工方法;最后，試驗結(jié)束3 d后對壩體進(jìn)行取樣分析并開展基礎(chǔ)物理力學(xué)試驗檢測，結(jié)果表明相對于全尾礦，分級尾砂具有較高的脫水固結(jié)效率，能夠滿足汛期尾礦庫應(yīng)急筑壩需求。

關(guān)鍵詞：旋流分級;尾礦壩;模袋;應(yīng)急防汛

中圖分類號：TV522 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.030

Abstract：In order to ensure the safety of upstream tailings ponds during flood seasons， a method of damming the “wide bottom sub-dams constructed with graded tailings filling geotextile tubes” was proposed and the on-site damming test was carried out. Firstly， based on the damming process of “wide bottom sub-dam constructed with original tailings filling geotextile tubes”， the damming process of “wide bottom sub-dam constructed with graded tailings filling geotextile tubes” was proposed. Secondly， on-site hydraulic cyclone grading test was carried out， and the variation characteristics of the content of tailings with particle size less than 0.074 μm and the yield of the underflow tailings were studied， so as to optimize the grading parameters suitable for on-site damming. And then， the on-site damming test was carried out based on the selected grading parameters. The construction method of tailings dams with geotextile tube side walls and layer-by-layer heightening graded tailings was proposed. After the end of the test for 3 days， the dam body was sampled and analyzed， and the basic physical mechanics experiment was carried out. The results show that when compared with the original tailings， the graded tailings have a higher dewatering and consolidation efficiency， which can meet the requirements of emergency tailings dam construction of tailings ponds during the flood season.

Key words： hydraulic cyclone grading; tailings dam; geotextile tube; emergency flood control

尾礦庫汛期能否安全度汛，不僅能夠驗證尾礦庫工程建設(shè)質(zhì)量的優(yōu)劣，也是對上游法筑壩安全生產(chǎn)管理的一個重要考驗[1-3]。要確保尾礦庫汛期安全，除保證排洪與排滲工程設(shè)施安全可靠外，還需要保持足夠的調(diào)洪庫容和安全超高，這就要求在汛期尾礦堆積壩具有一定的干灘長度，并且預(yù)留足夠的壩體超高[4-5]。簡而言之，就是要“攔得住，排得掉”。受入庫尾礦粒徑變化等因素的影響，一些尾礦庫存在排洪設(shè)施泄流能力低于設(shè)計排洪要求的問題，給尾礦庫的防汛安全帶來一定的隱患[6-8]。針對此類問題，通常采取的方法是在汛期來臨之前修建新的排洪設(shè)施，或者對現(xiàn)有的排洪設(shè)施進(jìn)行修繕，從而提高尾礦庫排洪能力;此外，也可堆筑加高子壩，增加尾礦庫的蓄洪能力[9]。對于上游法尾礦庫，若汛期采取拋填廢石方式筑壩，施工流程雖簡單易行，但也存在廢石擠占庫容的問題;因此，較為合理的筑壩方式是直接采用尾礦筑壩，如此便相當(dāng)于將本應(yīng)入庫的尾礦堆筑成壩，形成更多的庫容[10-12]。對于上游法尾礦筑壩，目前應(yīng)用廣泛且技術(shù)較為成熟的方式便是模袋法[13-14]。

常規(guī)的模袋法指的是全尾模袋法，即采用全顆粒尾礦直接充灌模袋，袋體脫水固結(jié)并堆疊后形成壩體。對于上游法尾礦庫，灘面承載力普遍較低，若汛期直接在灘面鋪設(shè)模袋筑壩，相當(dāng)于在軟弱基礎(chǔ)上進(jìn)行快速堆載，壩基的穩(wěn)定性難以保證[15]。除采取在灘面鋪設(shè)土工格柵、插打塑料排水板等常規(guī)手段外，亦可加大壩體底面設(shè)計寬度，從而增加壩體與灘面的接觸面積，降低灘面承載力需求[16]。然而，對于模袋法而言，增加壩體設(shè)計斷面尺寸，模袋工程量與施工成本將會顯著提升，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮明顯不合適。針對上述問題，工程技術(shù)人員提出了一種既能夠增加尾礦壩斷面尺寸，又不會顯著增加成本的模袋法筑壩方式——全尾模袋寬體子壩，即采用全尾礦充灌模袋構(gòu)筑圍埝，在模袋圈圍形成的圍埝池內(nèi)直接排放全尾礦，待池內(nèi)尾礦固結(jié)后逐級上升成壩。按照設(shè)計的順序和速率先后充填多個圍埝池，能夠保證每個圍埝池內(nèi)的尾礦具有充分的固結(jié)時間;此外，模袋具有透水不透漿的特性，四周模袋成為透水邊界，能夠有效增加圍埝池內(nèi)尾礦的脫水固結(jié)效率[17-18]。

由于汛期尾礦庫筑壩時間緊迫，為進(jìn)一步提高尾礦的固結(jié)效率與強(qiáng)度，筆者提出了一種分級模袋寬體子壩筑壩方法，即將全顆粒尾礦稀釋并旋流分級后充灌模袋構(gòu)筑圍埝，而后在圍埝池內(nèi)充填分級尾砂用以堆筑尾礦壩?；谠摲椒?，依托某尾礦庫開展了現(xiàn)場筑壩試驗，提出了適宜于該尾礦庫的旋流分級標(biāo)準(zhǔn)與筑壩工藝，通過竣工后壩體取樣分析，對該工藝的可靠性進(jìn)行了論證，以期為類似工程提供參考。

1 分級模袋寬體子壩筑壩工藝流程

如圖1所示，分級模袋寬體子壩筑壩的基本工藝流程如下：

（1）對原尾礦進(jìn)行稀釋，稀釋后的尾礦采用渣漿泵送至水力旋流器進(jìn)行分級，溢流尾礦直接排放至尾礦庫內(nèi)。

（2）經(jīng)旋流分級后產(chǎn)生的底流稀釋至可管道輸送濃度，采用渣漿泵將其輸送至筑壩區(qū)域。

（3）按照設(shè)計要求在筑壩區(qū)域鋪設(shè)第1層模袋并采用稀釋底流充灌，模袋充灌完成后在圍埝池內(nèi)充填第1層分級尾砂，直至與模袋頂部齊平。

（4）在第1層模袋與第1層分級尾砂形成的基礎(chǔ)上向圍埝池內(nèi)部偏移一定的距離鋪設(shè)第2層模袋。

（5）重復(fù)步驟（3）、（4），直至尾礦壩的高度達(dá)到設(shè)計要求。

相對于全尾模袋寬體子壩所采用的原尾礦筑壩，分級模袋寬體子壩筑壩的優(yōu)勢在于：采用旋流分級后的粗顆粒尾砂充灌模袋以及充填圍埝池，尾砂脫水固結(jié)效率高，所堆筑的壩體能夠在相對較短的時間內(nèi)固結(jié)并達(dá)到一定強(qiáng)度，且壩體固結(jié)后所產(chǎn)生的沉降量相對較小。同時，也應(yīng)當(dāng)注意到，分級模袋寬體子壩筑壩需要對原尾礦以及分級后的底流尾礦進(jìn)行稀釋，需水量較大;此外，溢流尾礦直接排放至尾礦庫內(nèi)，對尾礦庫回水的影響需要進(jìn)一步開展論證。綜上所述，分級模袋寬體子壩筑壩較為適用于灘面上升速度快以及筑壩時間緊迫的尾礦庫。

2 現(xiàn)場筑壩試驗

2.1 工程概況

某尾礦庫冬季凍期長達(dá)7個月，春季有暴風(fēng)雪，最大凍土深度3.89 m，風(fēng)速最大達(dá)40 m/s。尾礦庫設(shè)計服務(wù)能力為80 000 t/d，壩高70 m，其中初期壩高30 m，后期上游法堆壩高40 m，總庫容2.27億m3，尾礦濃度65%，尾礦壩筑壩軸線長近4 km。該尾礦庫具有服務(wù)能力大、壩體上升速度快、排放濃度高、筑壩工程量大等特點(diǎn)，為此，依托該尾礦庫開展了分級模袋寬體子壩現(xiàn)場筑壩試驗研究。該尾礦庫尾礦的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，全尾礦粒徑分析試驗結(jié)果見表2。

2.2 旋流分級

適宜的分級參數(shù)對分級模袋寬體子壩筑壩至關(guān)重要。旋流分級參數(shù)主要包括入料濃度、入料壓力以及旋流器沉沙嘴尺寸等，旋流分級參數(shù)發(fā)生變化，旋流分級效果也會產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整。旋流分級效果可以通過底流尾礦中-200目（小于0.074 mm）顆粒含量以及產(chǎn)率兩項指標(biāo)反映。底流尾礦中-200目顆粒含量越少，采用底流尾礦筑壩的固結(jié)效率與固結(jié)強(qiáng)度就越高，然而由于原尾礦中粗顆粒總量是一定的，則底流尾礦的產(chǎn)率相應(yīng)越低，旋流分級后底流尾礦量越少，從而導(dǎo)致筑壩工程量不足的問題;若提高底流尾礦產(chǎn)率，筑壩工程量雖然能夠滿足要求，但底流中會摻入大量細(xì)顆粒，導(dǎo)致底流中-200目顆粒含量提高，此時采用底流尾礦筑壩將會降低脫水效率和固結(jié)強(qiáng)度，影響筑壩效果。因此，需要開展旋流分級試驗，探索適宜的旋流分級參數(shù)，從而達(dá)到滿足筑壩需求的旋流分級效果。現(xiàn)場旋流分級試驗工況及相應(yīng)分級參數(shù)見表3。

現(xiàn)場旋流分級試驗如圖2所示。對于每種工況，旋流分級試驗過程如下：

（1）按照對應(yīng)底流口直徑更換水流旋流器沉沙嘴。

（2）原尾礦通過原礦接礦管輸送，經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進(jìn)入入料礦漿池，在池中加水?dāng)嚢柘♂屩猎摴r所對應(yīng)的入料濃度。

（3）打開與入料池連接的渣漿泵，將稀釋原礦輸送給水力旋流器，不斷調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，直至水力旋流器入料壓力達(dá)到對應(yīng)工況設(shè)定值。

（4）分級后的底流尾礦流入底流尾礦池，溢流尾礦則直接排放至尾礦庫內(nèi)。

對于每種工況，待渣漿泵與水力旋流器運(yùn)行平穩(wěn)后，以1 h為間隔共計3次分別在入料礦漿池、旋流器底流口以及溢流尾礦管口位置取入料、溢流和底流尾礦樣，現(xiàn)場開展樣品濃度、粒度以及底流產(chǎn)率測定試驗，試驗結(jié)果見表4。

對比以上3種工況發(fā)現(xiàn)：

（1）工況三底流尾礦產(chǎn)率為63.01%，雖高于工況一和工況二，但底流中-200目細(xì)顆粒含量高達(dá)31.37%，降低了筑壩尾礦強(qiáng)度，影響筑壩效果;此外，工況三入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（34.80%），需要稀釋尾礦的水量更多，增加施工成本。

（2）對比工況二與工況一，兩種工況底流尾礦產(chǎn)率均在55%左右，但工況二底流中-200目顆粒含量為17.91%，小于工況一產(chǎn)率26.23%，表明工況二旋流分級底流尾礦中粗顆粒含量相對較多，采用工況二旋流分級對筑壩施工更有利。

綜上所述，工況二滿足旋流分級筑壩要求，適宜作為現(xiàn)場筑壩試驗的設(shè)計工況。

2.3 現(xiàn)場筑壩

現(xiàn)場筑壩試驗所采取的尾礦壩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖3所示?，F(xiàn)場試驗在庫內(nèi)拋填廢石基礎(chǔ)上筑壩，試驗筑壩區(qū)域長×寬=40 m×40 m，試驗段尾礦壩由四周模袋圍埝與中間分級尾砂兩部分組成，壩高設(shè)計為3 m。其中，模袋圍埝均采取貼坡結(jié)構(gòu)方式設(shè)計，外坡比為1∶3，內(nèi)坡為倒坡，坡比1∶3，模袋圍埝頂寬與底寬均為5 m;模袋圍埝內(nèi)部為分級尾砂充填區(qū)，底寬30 m，頂寬12 m，兩側(cè)坡比均為1∶3。模袋采用150 g/m2的塑料扁絲編織土工布縫制加工而成。

在選定的試驗工況基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場筑壩試驗?，F(xiàn)場試驗采取逐層加高的方式筑壩，試驗過程如圖4所示。試驗流程如下：

（1）將全尾礦接入入料尾礦池中，加水稀釋至預(yù)定濃度后對其進(jìn)行旋流分級，產(chǎn)生的溢流尾礦直接排入尾礦庫，分級尾砂則匯集到底流礦漿池中。

（2）分級尾砂加水稀釋至55%左右，采用渣漿泵輸送至試驗區(qū)域充灌模袋以構(gòu)筑圍埝，待四周模袋充灌完成后，在圍埝池四周搭設(shè)支架向圍埝池內(nèi)排放分級尾砂。

（3）待一個排礦位置處分級尾砂堆積高度與模袋圍埝頂部齊平后，切換至臨近位置繼續(xù)充填，直至分級尾砂整體高度與四周模袋圍埝頂部齊平，預(yù)留24 h的晾曬固結(jié)時間，使圍埝池內(nèi)分級尾砂能夠充分固結(jié)。

（4）在四周模袋圍埝與分級尾砂頂面鋪設(shè)下一層模袋，重復(fù)模袋充灌與圍埝池充填過程，直至形成尾礦壩結(jié)構(gòu)。

3 壩體取樣分析

現(xiàn)場筑壩試驗結(jié)束3 d后在圍埝池內(nèi)取固結(jié)尾砂原狀樣，開展密度、含水率以及直剪等基礎(chǔ)試驗，研究圍埝池內(nèi)尾砂的固結(jié)規(guī)律，從而分析分級模袋寬體子壩的筑壩效果。取樣截面為圖3（a）所示截面1，截面上原狀樣取樣位置如圖5所示，可以看出，原狀樣取樣點(diǎn)共計9個，均位于模袋圍埝中間的分級尾砂充填區(qū)域頂部，相互之間間隔約1.5 m，取樣深度約30 cm。為便于分析圍埝池內(nèi)不同位置處分級尾砂的固結(jié)特征，以試驗段壩體頂部中心位置為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。

壩體原狀樣物理力學(xué)試驗結(jié)果如圖6所示，其中橫坐標(biāo)零點(diǎn)位置與圍埝池中心頂部坐標(biāo)原點(diǎn)重合，原點(diǎn)左側(cè)坐標(biāo)為負(fù)，原點(diǎn)右側(cè)坐標(biāo)為正。

從試驗結(jié)果可以看出：

（1）固結(jié)約3 d后充填區(qū)分級尾砂含水率變化范圍為16.0%～25.9%，濕密度變化范圍為1.564～1.925 g/cm3，干密度變化范圍為1.349～1.546 g/cm3，黏聚力變化范圍為7.33～14.45 kPa，內(nèi)摩擦角變化范圍為28.7°～30°。

（2）沿模袋圍埝到充填區(qū)中間方向，隨著離圍埝距離越遠(yuǎn)，分級尾砂含水率越高，濕密度也越高，直剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力與內(nèi)摩擦角）則不斷降低，而干密度變化幅度不顯著。

上述規(guī)律與現(xiàn)場筑壩試驗所采取的圍埝池充填方式有關(guān)?，F(xiàn)場筑壩試驗過程中，采取的是周邊排礦的方式充填圍埝池。在排礦過程中較粗的顆粒運(yùn)移距離較短，多沉積在圍埝池周邊附近，因此模袋圍埝附近的分級尾砂滲透性能較好，脫水速率快，含水率及濕密度相應(yīng)較低，力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)則相對較高;而細(xì)顆粒由于運(yùn)移距離較長，隨大部分水分繼續(xù)向圍埝池中心低洼區(qū)域匯集，從而造成圍埝池中心部位分級尾砂的含水率及細(xì)顆粒成分比例均較高，因此該位置分級尾砂的含水率與濕密度均大于模袋圍埝附近的分級尾砂，力學(xué)指標(biāo)則相對較低。此外，模袋圍埝在堆疊過程中形成的搭接縫隙，能夠充當(dāng)分級尾砂脫水的滲透通道，從而進(jìn)一步提高了模袋圍埝附近分級尾砂的脫水固結(jié)速度。

從圍埝池內(nèi)分級尾砂的整體固結(jié)效果來看，分級尾砂經(jīng)3 d脫水固結(jié)后含水率由55%降低至26%以下，而相同條件下的全尾礦含水率降低到25%左右需要近30 d。因此，采用分級模袋寬體子壩筑壩方式能夠有效縮短施工時間，從而提高施工效率。

4 結(jié) 論

針對汛期尾礦庫筑壩時間緊迫的問題，在全尾模袋法與全尾模袋寬體子壩的基礎(chǔ)上，提出了分級模袋寬體子壩筑壩技術(shù)，通過現(xiàn)場試驗研究，對該技術(shù)的筑壩效果進(jìn)行了系統(tǒng)論證。研究取得的主要結(jié)論如下：

（1）旋流分級參數(shù)可通過開展旋流分級試驗確定，根據(jù)底流尾礦中-200目顆粒含量與底流尾礦產(chǎn)率兩項指標(biāo)綜合選擇所需旋流分級參數(shù)，在適當(dāng)提高底流產(chǎn)率的條件下盡可能降低底流尾礦中-200目顆粒含量。

（2）分級模袋寬體子壩筑壩可采取模袋圍埝與分級尾砂充填相結(jié)合的方法筑壩，底流尾礦充灌模袋同時充填圍埝池，模袋與圍埝池內(nèi)分級尾砂分層逐級加高，從而最終形成壩體。

（3）采用上述方法筑壩，靠近圍埝的分級尾砂顆粒較粗，脫水固結(jié)效率與力學(xué)強(qiáng)度均較高，沿圍埝池中心方向推進(jìn)，分級尾砂的顆粒逐漸趨細(xì)，脫水固結(jié)效率及力學(xué)強(qiáng)度具有不同程度的降低。

（4）現(xiàn)場筑壩試驗中分級模袋寬體子壩筑壩具有較高的脫水固結(jié)效率，遠(yuǎn)高于全尾礦的脫水固結(jié)速率，能夠有效縮短工期，提高施工效率，滿足汛期尾礦庫的應(yīng)急筑壩需求。

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【責(zé)任編輯 崔瀟菡】