9度地震區(qū)上游法尾礦庫抗震措施研究

程 敏 于忠鋒 譚杰驥

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

尾礦庫是一個(gè)具有高勢能的重大危險(xiǎn)源，特別是在強(qiáng)地震烈度區(qū)，萬一發(fā)生潰壩事故，將造成嚴(yán)重的環(huán)境影響，甚至生命財(cái)產(chǎn)損失。處在地震區(qū)域的尾礦庫特別是上游法濕排尾礦庫，由于壩體大部分處于飽和狀態(tài)，對地震作用非常敏感，更容易受地震因素的影響發(fā)生壩體失穩(wěn)甚至潰壩事故。如1965年智利COBRE尾礦壩因地震發(fā)生潰壩，2008年受汶川地震影響的4座上游法尾礦庫發(fā)生了不同程度的損毀甚至潰壩。因此，推動(dòng)發(fā)展強(qiáng)震區(qū)尾礦壩堆壩技術(shù)一直是國內(nèi)外尾礦行業(yè)的重要研究課題。

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）相關(guān)要求，地震設(shè)防烈度為8～9度的地區(qū)，宜采用下游法或中線法筑壩，采用上游法筑壩時(shí)應(yīng)采取抗震措施。對加高擴(kuò)容工程采用的筑壩方式，要考慮尾礦庫已經(jīng)存在的地形條件、征地難度等局限條件，對高地震烈度區(qū)采用上游法筑壩要考慮的具體抗震措施格外重要。主要從放緩?fù)鈮纹缕露群徒档蛪误w浸潤線2個(gè)方面保證壩體安全。

1 工程概述

某尾礦庫工程位于塔吉克斯坦西部某山區(qū)，根據(jù)塔吉克斯坦地震區(qū)域劃分圖，尾礦庫所在地塊的地震活動(dòng)級為8級，按地震特性，尾礦庫盆地巖土的等級為III級，設(shè)計(jì)地震烈度為9級，場地基本地震水平加速度為0.4g。

該尾礦庫原設(shè)計(jì)的初期壩體標(biāo)高為1 255 m，中線法筑壩至最終壩頂1 290 m標(biāo)高，總壩高為72.5 m，總庫容約1 600萬m3，剩余的庫容不能滿足貯存未來礦山生產(chǎn)的全部硫化礦尾礦的要求，急需加高擴(kuò)容。加高擴(kuò)容可節(jié)省基建投資，加快建設(shè)進(jìn)度，減輕建設(shè)難度，減少礦山用地，同時(shí)對保證選廠持續(xù)運(yùn)行有至關(guān)重要的影響。

而根據(jù)尾礦庫實(shí)際地形條件及當(dāng)?shù)卣鞯卣?，采用下游法加高的壩體工程量巨大，建設(shè)成本高，占用更多土地，征地難度大；采用中線法加高下游也需占用較多土地，且運(yùn)行管理復(fù)雜，難以滿足要求。所以該尾礦庫采用上游法筑壩加高方案成為唯一的選擇，從現(xiàn)狀1 290 m標(biāo)高按1∶5平均邊坡采用上游法尾礦堆積至1 317 m，總壩高為99.5 m，新增有效庫容近2 800萬m3，為三等庫，可滿足礦山未來堆存需要。

本尾礦庫采用上游法加高，主要從放緩?fù)鈮纹缕露群驮鲈O(shè)排滲設(shè)施2個(gè)方面保證壩體的抗震和穩(wěn)定。

2 放緩?fù)鈮纹路桨副冗x［1-5］

根據(jù)抗震穩(wěn)定要求和工程經(jīng)驗(yàn)，1 290 m標(biāo)高下游平均坡比從現(xiàn)狀的1∶2.5調(diào)整為1∶3.5，設(shè)計(jì)對放緩?fù)鈮纹碌?個(gè)方案進(jìn)行比選。

放緩?fù)鈮纹路桨敢唬焊鶕?jù)現(xiàn)狀1 290 m標(biāo)高下游平均坡比為1∶2.5，直接培厚至平均坡比1∶3.5，每隔15 m高設(shè)置一級寬6 m的馬道，坡腳1 230 m標(biāo)高以下設(shè)排水棱體，見圖1。

放緩?fù)鈮纹路桨付嚎紤]1 290 m標(biāo)高現(xiàn)有平臺(tái)寬度將近50 m左右，在現(xiàn)有壩坡的基礎(chǔ)上進(jìn)行削坡至平均坡比1∶3.5，平均坡比沒有達(dá)到1∶3.5的壩段再進(jìn)行培厚，每隔15 m高設(shè)置一級寬6 m的馬道，同樣在坡腳1 230 m標(biāo)高以下設(shè)排水棱體，見圖2。

根據(jù)表1可知，方案二的工程量較小，對下游占地面積相對較少，且在同樣下游坡比的條件下，方案二抗震效果略好于方案一，故推薦按上部削坡、下部培厚的方式放緩已有尾礦壩外壩坡。

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3 增設(shè)排滲設(shè)施方案比選

本次擴(kuò)容設(shè)計(jì)尾礦繼續(xù)向上堆高27 m，浸潤線對壩體穩(wěn)定性意義極為重大，而目前尾礦壩未采用有效的降低浸潤線措施，浸潤線埋深為14～18 m，相對較高。為保證尾礦庫穩(wěn)定，在放緩?fù)鈮纹碌幕A(chǔ)上，需在壩體內(nèi)部設(shè)置排滲設(shè)施，以確保浸潤線降深滿足設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)對2種排滲方案進(jìn)行比選。

排滲方案一：往庫內(nèi)直接偏移設(shè)置6組輻射井，輻射井內(nèi)徑3.0 m，其中4組輻射井深36 m，2組輻射井深H=32 m。每組輻射井設(shè)置長80 m集滲管4排，每排6根。輻射井布置方案見圖3。

排滲方案二：考慮輻射井距壩體外坡距離較遠(yuǎn)，施工較困難，在輻射井中間加中集井。現(xiàn)狀1 290 m標(biāo)高壩軸線位置設(shè)中集井，往庫內(nèi)垂直距離30 m設(shè)6口輻射井，并與中集井通過管道進(jìn)行連接。6組輻射井內(nèi)徑為3.0 m，其中4組輻射井深為36 m，2組輻射井深為32 m。2組中集井內(nèi)徑為3.4 m，深37 m。每組輻射井設(shè)置長80 m集滲管4排，每排6根。輻射井布置方案見圖4。

經(jīng)初步估算，2套方案投資相差不大。從施工難度比較，排滲方案一施工難度大，主要表現(xiàn)在排滲管要一次性經(jīng)過約32 m長的碎石初期壩體，排滲管長達(dá)195 m；排滲方案二在壩軸線位置施工中集井，中集井施工難度較小，縮短了排滲管長度至160 m，降低了整體施工難度。綜合比較，推薦采用排滲方案二降低壩體浸潤線。

為降低后期堆積壩體的浸潤線，在原設(shè)計(jì)壩頂1 290 m標(biāo)高及以上堆積壩體內(nèi)每上升5 m設(shè)置1層水平排滲設(shè)施。即在距離灘頂200 m處平行壩軸線鋪設(shè)1層土工布包裹的土工席墊，土工席墊厚12 mm，寬2.0 m，鋪設(shè)3排，間距為2.0 m，長度至壩體與山體交接處，并在每層席墊中預(yù)埋1根MY100集滲盲溝，垂直壩軸線每間距50 m布置1個(gè)DN100排水鋼管，與集滲盲溝三通相連，將堆積壩體內(nèi)的滲水排入壩坡排水溝。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)尾礦庫工勘資料和工程經(jīng)驗(yàn)，壩體穩(wěn)定計(jì)算分析的各層材料計(jì)算參數(shù)見表2。根據(jù)增設(shè)的排滲設(shè)施及削坡培厚方案，經(jīng)計(jì)算在最終堆積壩頂1 317 m位置時(shí)，壩體浸潤線平均降深為25～30 m。

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采取上述抗震措施后，采用瑞典圓弧法對尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，地震工況下壩體的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.053，可滿足規(guī)范要求最小值1.05，典型剖面最小安全系數(shù)滑弧見圖5。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)尾礦庫地形和壩坡實(shí)際情況，從抗震安全和經(jīng)濟(jì)可行方面考慮，采取削坡+培厚的放緩壩坡方案要優(yōu)于單純培厚放緩壩坡方案。

（2）從減小施工難度和增強(qiáng)可操作性方面考慮，采用大口輻射井+中集井的排滲措施，可明顯降低壩體內(nèi)的浸潤線。

（3）通過放緩壩坡以增大坡腳壓重和增設(shè)排滲措施以降低浸潤線等有效抗震措施，可增大抗滑力，減小飽和土體，在9度地震下壩體抗滑穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。