剛果（金）某尾礦壩注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

楊懿全，劉超，郭其林，王宏亮，王乃斌，許永權(quán)

(北方礦業(yè)有限公司， 北京 100053)

0 引言

尾礦庫是礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，尾礦滲漏和尾礦壩失穩(wěn)是需要重點(diǎn)防范的尾礦庫安全環(huán)保隱患，而滲流與其穩(wěn)定性息息相關(guān)[1]。目前，對(duì)尾礦壩邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法包括極限平衡法、基于有限元或有限差分的強(qiáng)度折減法、可靠度理論 等[2]。林杰等[3]基于有限元法，研究了土工席墊對(duì)尾礦壩滲流控制效果和穩(wěn)定性的影響。武偉偉等[4]基于有限元法，利用露天采石場(chǎng)實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)，對(duì)灰渣壩的進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析。蔣水華等[5]采用考慮參數(shù)空間變異性尾礦壩可靠度分析的非侵入式隨機(jī)有限元法，探究了尾礦材料的空間變異性對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性的影響。李洪梁等[6]利用極限平衡法評(píng)價(jià)了高速率筑壩下的五道溝尾礦庫穩(wěn)定性。

注漿加固是通過把固化漿液注入壩體，達(dá)到有效堵塞壩體導(dǎo)水通道，改善壩體材料物理力學(xué)性質(zhì)，提高壩體穩(wěn)定性的效果。在治理浸潤(rùn)線過高，滲流量加劇的尾礦壩應(yīng)用廣泛。王光進(jìn)[7]利用注漿對(duì)富家塢尾礦庫初期壩進(jìn)行了有效加固，劉福東[8]利用化學(xué)注漿技術(shù)對(duì)某尾礦庫進(jìn)行了帷幕注漿。秦鵬 飛[9]利用FLAC3D分析了某尾礦庫注漿后形成帷幕帶對(duì)壩體應(yīng)力的影響。

國(guó)內(nèi)為尾礦庫主體部分一般由尾礦堆積而成，控制干灘長(zhǎng)度可有效增大滲徑，降低浸潤(rùn)線，增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性，但生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中需不斷延伸排尾管道[10]；碾壓土石壩型尾礦庫一次性筑壩，管理方便，運(yùn)營(yíng)成本低，在非洲地區(qū)應(yīng)用較多。本文針對(duì)剛果（金）某土石碾壓壩型尾礦壩壩面防滲膜出現(xiàn)破損的情況，借助基于有限元的流固耦合三維數(shù)值計(jì)算，采用灌漿加固的方式提高了壩土體材料的力學(xué)性質(zhì)，降低了壩體浸潤(rùn)線，提高了壩體安全系數(shù)。

1 注漿加固前壩體滲流穩(wěn)定性

剛果（金）某銅鈷礦一期尾礦庫位于一條腹空開闊的“U”型山谷，山谷呈南北走向。設(shè)計(jì)壩頂標(biāo)高1482 m，壩高48 m，軸長(zhǎng)246 m，有效庫容為282萬m3，上游自頂而底共兩級(jí)放坡，坡比均為1:2，一級(jí)放坡至1468 m處，二級(jí)放坡至壩底。下游自頂至底共3級(jí)放坡，坡比分別為1:2.2，1:2.5，1:1.8，一級(jí)放坡至1468 m處，二級(jí)放坡至1452 m處，三級(jí)放坡至壩底。尾礦壩主壩采用碾壓土石料一次性建壩，壩體下游設(shè)置石料碾壓的排水棱體子壩，壩體上游面采用1.5 mm HDPE防滲膜作為防滲層，膜下采用400 g/m2土工布保護(hù)，并在土工布下設(shè)置3 m厚粉土過渡層，形成防滲鋪蓋。

在尾礦庫運(yùn)行約4年后，壩體上游水位為1478 m，壩面上游HDPE防滲膜局部老化破損、脫焊， 壩面下游局部滲水。

1.1 模型的建立

根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況，建立真三維有限元計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格

1.2 物理力學(xué)參數(shù)

發(fā)現(xiàn)壩體滲流后，即刻開展工勘工作，以驗(yàn)證主壩內(nèi)土體情況。結(jié)合鉆孔樣原狀土剪切試驗(yàn)結(jié) 果與項(xiàng)目積累的資料，確定巖土物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 注漿前各材料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 計(jì)算方式

由于防滲膜局部破損，分別以純應(yīng)力場(chǎng)和壩面上游1478 m總水頭條件下的滲流應(yīng)力場(chǎng)耦合的計(jì)算方式，模擬防滲膜完好和完全失效兩種狀態(tài)。滲流應(yīng)力耦合方式為：通過滲流計(jì)算得出孔隙壓力，基于沙太基（Terzaghi）理論，計(jì)算單元有效應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的間接耦合。

1.4 計(jì)算結(jié)果

純應(yīng)力及滲流應(yīng)力耦合計(jì)算的壩體等效應(yīng)變分別見圖2、圖3。結(jié)果表明，壩面應(yīng)變主要出現(xiàn)在主壩西部與主壩1452 m馬道處。主壩1452 m處主要受上部碾壓土壓力而產(chǎn)生橫向應(yīng)變；主壩西部原地形較陡，壩體產(chǎn)生不均勻沉降，因剪切而產(chǎn)生法向應(yīng)變，由于碾壓土抗剪能力較弱，壩體西部易出現(xiàn)法向裂紋。由于滲流的作用，碾壓土受孔隙壓力影響，有效應(yīng)力增加，壩面應(yīng)變?cè)黾用黠@，與防滲膜局部破碎后壩體位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增大的實(shí)際情況相符。

圖2 純應(yīng)力計(jì)算下的等效應(yīng)變

圖3 滲流應(yīng)力耦合計(jì)算下等效應(yīng)變

利用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到，在純應(yīng)力場(chǎng)作用下，壩體邊坡的安全系數(shù)為1.71，壩體穩(wěn)定性良好；在滲流應(yīng)力場(chǎng)作用下的邊坡的安全系數(shù)為1.25，接近尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范中正常工況下的安全系數(shù)（1.15～1.25）。由此可見，壩體滲流會(huì)導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性明顯下降，防滲是壩體加固的關(guān)鍵。

2 注漿加固后壩體滲流穩(wěn)定性

2.1 注漿加固

為提高壩體穩(wěn)定性，采用鉆孔注漿的方式加固壩體。分別沿1482 m壩頂及1468 m馬道軸線布置2條注漿帶，總長(zhǎng)為188 m，鉆孔底部進(jìn)入弱含水層或相對(duì)隔水層，即超過軟泥層。設(shè)計(jì)施工190個(gè)注漿孔，實(shí)際根據(jù)鉆孔揭露土層情況加密為251個(gè)注漿孔，鉆探4533.9 m，注漿終孔壓力不大于0.5 MPa，注水泥漿量為201.3 m3，使用水泥152.2 t，設(shè)計(jì)的注漿鉆孔見圖4。在注漿孔之間施工4個(gè)驗(yàn)證孔，并進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定注漿后主壩土體物理力學(xué)參數(shù)見表2。注漿后鉆土芯泥化現(xiàn)象得到顯著改善，如圖5所示。

圖5 注漿前后鉆孔土芯對(duì)比

表2 注漿后主壩物理力學(xué)參數(shù)

圖4 設(shè)計(jì)注漿孔

利用注漿后的物理力學(xué)參數(shù)，假設(shè)壩面防滲 膜完全失效為假設(shè)，重新對(duì)壩體進(jìn)行滲流應(yīng)力耦合計(jì)算。

2.2 注漿加固對(duì)滲流的影響

注漿前后的滲流計(jì)算壩體孔隙壓力如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，壩面孔隙水壓最大的 區(qū)域位于壩體中部，即1468 m馬道附近，與壩面實(shí)際主要滲水區(qū)域相符。注漿前，壩體中部截面的1482 m壩頂、1468 m馬道、1452 m馬道浸潤(rùn)線深度分別為7.3 m、1.6 m和2.6 m；注漿后，浸潤(rùn)線深度分別降低至9.2 m、6.7 m和11.1 m，隨著滲流距離的增長(zhǎng)，浸潤(rùn)線降低量逐漸增減，接近子壩排水棱體時(shí)，速度水頭增加，浸潤(rùn)線降低更加明顯（見圖8）。可見，注漿使得壩體碾壓土的滲透性降低，滲流狀態(tài)得到了較大的改善。

圖6 注漿加固前孔隙壓力

圖7 注漿加固后孔隙壓力

圖8 滲流距離與浸潤(rùn)線降低的關(guān)系

2.3 注漿加固對(duì)穩(wěn)定性的影響

注漿前后計(jì)算的壩體沉降如圖9、圖10所示。由圖可知，壩體沉降最大區(qū)域?yàn)閴雾斴S線靠西位置，靠近對(duì)堆石子壩附近，則出現(xiàn)隆起。這是由于沉降主要受原始地形影響，沉降最大區(qū)域正下方為原溝谷，碾壓土高度最大，主壩整體向原溝谷軸中方向沉降；而子壩堆石剛度較大，主壩碾壓土在此附近受到擠壓，出現(xiàn)一定隆起。由于注漿液改變了碾壓土容重，壩頂沉降量從81 cm增加到88 cm，同時(shí)，由于漿體的黏結(jié)作用，主壩整體剛度增加，最大隆起量減小約0.4 cm。

圖9 注漿前沉降

圖10 注漿后沉降

注漿前后極限平衡狀態(tài)下的等效應(yīng)變?nèi)鐖D11、圖12所示。由圖可知，注漿后，由于浸潤(rùn)線的下降和碾壓土力學(xué)性質(zhì)的改善，壩體安全系數(shù)從1.25增加至1.30。

圖11 注漿前極限平衡狀態(tài)下等效應(yīng)變

圖12 注漿后極限平衡狀態(tài)下等效應(yīng)變

3 實(shí)際效果分析

（1）壩面浸潤(rùn)線降低。注漿前，壩面1468 m馬道區(qū)域出現(xiàn)較多滲流點(diǎn)，注漿后壩面滲水流量明顯減少，注漿1個(gè)月后滲水點(diǎn)滲流量持續(xù)減少，部分滲流點(diǎn)陸續(xù)干涸，注漿約2個(gè)月后滲流點(diǎn)全部干涸；同時(shí)，驗(yàn)證孔表明，主壩內(nèi)浸潤(rùn)線整體降低了5～10 m，注漿止?jié)B效果明顯。

（2）位移變化速率減緩。如圖13所示，壩面1468 m馬道中部為浸潤(rùn)線最高的區(qū)域，土壤飽和度較高，每周位移變化量幅度較大。注漿前，壩軸法向（X向）每周最大位移變化量超過20 mm，注漿后，基本控制在5 mm以內(nèi)，各向位移變化量降低也較為明顯，壩體整體位移趨于平緩。

圖13 1468 m馬道中部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

利用注漿工作，有效地堵截了壩體滲漏通道，降低了壩體浸潤(rùn)線，提高了壩體土體強(qiáng)度，壩體位 移也趨于穩(wěn)定，壩體安全系數(shù)提高。

4 結(jié)論

針對(duì)剛果（金）某銅鈷礦碾壓土石壩型尾礦壩上游壩面上游HDPE防滲膜局部老化破損、脫焊，壩面下游局部滲水的情況，借助基于有限元的流固耦合三維數(shù)值計(jì)算，采用注漿加固的方式加固壩體，得出如下結(jié)論。

（1）壩面上游HDPE防滲膜局部破損使得壩體浸潤(rùn)線升高，壩體安全系數(shù)下降明顯，隨著防滲膜破損程度的增加，壩面滲流點(diǎn)易多發(fā)于1468 m馬道附近，壩體西部易出現(xiàn)法向裂紋。

（2）注漿可有效堵截壩體滲漏通道，降低壩體浸潤(rùn)線，同時(shí)通過黏合碾壓土顆粒，增強(qiáng)其黏結(jié)力，提高壩體穩(wěn)定性。

（3）浸潤(rùn)線降低程度與滲流距離呈正相關(guān)，可改為壩前放礦的方式，增大壩體厚度，進(jìn)一步降低壩體浸潤(rùn)線，提高壩體穩(wěn)定性。