撫順東興礦業(yè)公司呂家堡鐵礦尾礦庫治理分析

喬云航

(1.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013; 2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北中心，遼寧 沈陽 110013)

2016年5月20日,原國家安全監(jiān)管總局印發(fā)了《遏制尾礦庫“頭頂庫”重特大事故工作方案》,要求各地區(qū)積極開展“頭頂庫”綜合治理,全面提高“頭頂庫”安全保障能力,確?！邦^頂庫”安全運(yùn)行。原丹東市安監(jiān)局為了貫徹落實(shí)《實(shí)施方案》的相關(guān)要求,保證頭頂庫安全穩(wěn)定,要求撫順東興礦業(yè)有限公司對(duì)其呂家堡鐵礦尾礦庫進(jìn)行治理,撫順東興礦業(yè)有限公司接到相關(guān)要求后立即委托相關(guān)具有資質(zhì)的單位進(jìn)行《撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫隱患綜合治理工程設(shè)計(jì)》。該尾礦庫是屬于頭頂型尾礦庫,因而對(duì)它的治理進(jìn)行深入的分析對(duì)全國的頭頂型尾礦庫的研究具有非常重要的借鑒意義。

1 自然環(huán)境概況

1.1 地形地貌

庫區(qū)地貌類型為低山丘陵地貌,地形呈現(xiàn)西部、南部、東部高,中部為溝谷,北部為溝谷出口沖積扇。溝谷及山坡松散堆積物厚0.5 m～2.0 m,地表植被發(fā)育。

該尾礦庫所在溝谷地勢三東、西、南面環(huán)山,北面筑壩。山谷走向呈南至北地勢逐步降低,谷口向北,屬山谷型尾礦庫。溝谷長約1.53 km,溝谷狹長,呈“V”字形。坡度為29.8%,匯水面積為0.592 km2。庫區(qū)海拔標(biāo)高在313.4 m～645.0 m區(qū)間內(nèi),最大相對(duì)高差達(dá)到321.6 m。

1.2 氣候與水文條件

尾礦庫所在區(qū)域?qū)俦睖貛О霛駶櫦撅L(fēng)型大陸氣候,因此該地區(qū)在冬季多西北風(fēng),夏季多東南風(fēng),溫度變化較為顯著,四季冷暖干濕分明。除此之外,這個(gè)地區(qū)年平均氣溫達(dá)到5.3 ℃。7月份的時(shí)候氣溫達(dá)到頂峰,平均氣溫大概為22.9 ℃;1月份的時(shí)候氣溫降到最低,平均氣溫大概為-16 ℃。該尾礦庫下游有一條季節(jié)性河流,河內(nèi)有水,但水量較小。該尾礦庫下游沿村級(jí)公路向東經(jīng)呂家堡村、王家堡村、黃金堡村,然后偏南向過高速公路G1212和國道G202共約10 km處見渾河。渾河在清原滿族自治縣境內(nèi)長度為83 km。

2 地層巖性特性和場地地震效應(yīng)

該尾礦庫場地地層主要由素填土(子壩)、尾礦堆積物、天然地層組成。對(duì)于尾礦堆積物而言,其通過多個(gè)部分構(gòu)成,比較主要的包括尾細(xì)砂、尾粉砂等,少數(shù)情況下涵蓋尾粉質(zhì)黏土和尾粉土薄層。堆積層下部屬于天然地層,其一般通過強(qiáng)風(fēng)化花崗巖構(gòu)成。

結(jié)合壩高和庫容進(jìn)行分析,按照《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]提出的要求,該尾礦壩抗震等級(jí)應(yīng)界定為四級(jí);對(duì)于尾礦壩部分而言,其所在區(qū)域應(yīng)劃分為抗震一般地段,相應(yīng)的場地類型屬于Ⅱ類。

3 尾礦庫現(xiàn)狀

撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫位于撫順市清原滿族自治縣南口前鎮(zhèn)呂家堡村。該尾礦庫隸屬于撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦,屬正常運(yùn)行尾礦庫,但自2012年企業(yè)由于受市場影響,尾礦庫內(nèi)未按年限規(guī)劃堆存尾礦,截止目前一直處于停用狀態(tài)。

結(jié)合實(shí)際勘測的結(jié)果,我們可以判斷該庫為山谷形尾礦庫,相應(yīng)的尾礦類型為鐵礦尾礦。這個(gè)尾礦庫對(duì)應(yīng)的壩高達(dá)到49 m,壩體本部分的平均坡比為1∶2.14,除此之外,其實(shí)際庫容達(dá)到37萬m3,按照《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的要求,該庫應(yīng)劃分為Ⅳ等庫。

4 工程治理原則及措施

按照尾礦庫《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》[3]等有關(guān)資料,結(jié)合現(xiàn)場踏勘的實(shí)際情況,消除尾礦庫安全隱患,在保證尾礦庫安全的情況下增設(shè)適當(dāng)安全環(huán)保設(shè)施。在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí),以盡量節(jié)省投資為原則,充分體現(xiàn)工程與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一,適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展原則。

根據(jù)現(xiàn)場勘測,該尾礦庫堆積壩體平均外坡比1∶1.88,最大可達(dá)1∶1.28,坡度較陡,且按照《撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析巖土工程勘察報(bào)告書》(沈陽建材地質(zhì)工程勘察院有限公司,2017年12月),該尾礦庫現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性為:“在正常運(yùn)行時(shí),壩坡抗滑最小安全系數(shù)為1.16;洪水運(yùn)行時(shí),壩坡抗滑對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)達(dá)到1.14;特殊運(yùn)行時(shí),壩坡抗滑對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)達(dá)到1.10?！笨梢娫撐驳V庫現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備較小,為了提升該“頭頂庫”尾礦庫壩體的穩(wěn)定性,本設(shè)計(jì)對(duì)其堆積壩體進(jìn)行削方壓坡,同時(shí)設(shè)置壩坡面排水溝和客土綠化,以水土保持。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取及計(jì)算

滲流計(jì)算:

瑞典圓弧法抗滑穩(wěn)定性計(jì)算:

先假設(shè)條塊間的作用力并未對(duì)法向應(yīng)力分布產(chǎn)生任何影響,在這種情況下各部分垂直條塊承受的力具體參考圖4.4-1,則FS可計(jì)算如下:

其中，i為第i條塊;r為圓弧半徑;Ui為孔隙水壓力;Wi為條塊重量;Qi為水平向地震慣性力;Q/i為垂向地震慣性力;Mc為力矩之和;Li為條塊底部長度;ci,φi分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。如果忽略地震所造成的影響,Qi,Q/i,Mc均等于0。

計(jì)算模型的確定:

對(duì)于該尾礦庫整治后終期壩體,以其工勘報(bào)告中提供的主軸剖面為基礎(chǔ),參照初步設(shè)計(jì)中尾礦庫尾礦堆積壩體的堆筑方式,同時(shí)考慮尾礦自然沉積規(guī)律,對(duì)剖面實(shí)現(xiàn)延伸,以此構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的仿真模型(見圖1，圖2)。

壩體正常運(yùn)行條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壩體正常運(yùn)行條件下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

洪水計(jì)算：

1)洪水計(jì)算參數(shù)的確定。

依據(jù)遼寧省水文手冊(cè)(1998年版),撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫處于Ⅲ5水文分區(qū),水文參數(shù)如下:

參考常規(guī)地形圖,各項(xiàng)主要參數(shù)具體如表2所示。

表2 不同匯水區(qū)各使用期其他水文計(jì)算參數(shù)

2)洪峰流量的計(jì)算。

結(jié)合《遼寧省水文手冊(cè)》進(jìn)行分析,洪峰流量可通過下述式子進(jìn)行明確:

對(duì)于匯水面積小于0.1 km2的特小排水區(qū)域,直接用上述推理公式遼寧法計(jì)算有較大誤差,本設(shè)計(jì)對(duì)于庫內(nèi)及溢洪道東側(cè)匯水區(qū)洪峰流量計(jì)算采用下式計(jì)算。

Qp=0.278(Sp-1)F，

其中，Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量;Sp為設(shè)計(jì)頻率的雨力;F為匯水面積。

3)洪水總量計(jì)算。

設(shè)計(jì)洪水總量按下列公式計(jì)算:

W(三-24)p=0.1×α(三-24)p×(p三p面-p24p面)×F。

W24p=W三p-W(三-24)p。

其中，W三p,W(三-24)p,W24p分別為頻率不盡相同的設(shè)計(jì)三日洪量、前鋒洪量和主峰洪量;p三p面,p24p面為三日、24 h設(shè)計(jì)面暴雨量;F為匯水面積。

4)洪水過程線的計(jì)算。

結(jié)合手冊(cè)進(jìn)行分析,假如洪水過程線形狀系數(shù)rp未超過0.05,則主要以Qp為高,并將Tt作為其總歷時(shí),W調(diào)P作為其面積。假如rp超過0.05,則此時(shí)洪水過程線主要參考手冊(cè)內(nèi)容。

洪水過程線形狀系數(shù):

其中，Qp為洪峰流量,m3/s;W24P為24 h洪水總量;T為主峰洪水歷時(shí),此時(shí)主峰洪水歷時(shí)T=51 h。

對(duì)于該尾礦庫,各匯水區(qū)域各頻率下洪水過程線形狀系數(shù)均小于0.05。那么此庫主要將T作為簡化三角形過程線,將Qp作為流量極大值,W調(diào)P作為調(diào)洪的洪量,則:

W調(diào)p=0.67W24+0.12Qp·τ，

洪水計(jì)算結(jié)果見表3，表4。

表3 各匯水區(qū)200 a一遇洪峰流量及洪水總量計(jì)算結(jié)果

表4 尾礦庫截洪壩上游匯水區(qū)洪水過程線

調(diào)洪演算:

對(duì)于截洪壩上游匯水區(qū)域,由于壩前調(diào)洪庫容極小,不對(duì)其進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。而溢洪道東側(cè)匯水區(qū)匯水直接入溢洪道排出庫外,無須進(jìn)行調(diào)洪。本設(shè)計(jì)僅對(duì)庫內(nèi)匯水區(qū)域在現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高和終期壩頂標(biāo)高條件下分別進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。

該尾礦庫各頻率下洪水過程線形狀系數(shù)均小于0.05,依據(jù)遼寧省水文手冊(cè)(1998年版),可以將洪水過程線概化為三角形過程線。對(duì)于洪水過程線可概化為三角形,且排水過程線可近似為直線的簡單情況,其調(diào)洪庫容和泄流量之間的關(guān)系可按以下公式確定。算出不同壩頂標(biāo)高在0.2%洪水頻率下洪水總量(萬m3),代入公式即可進(jìn)行調(diào)洪。

q=Qp(1-Vt/Wp)。

其中，q為所需排水構(gòu)筑物的泄流量,m3/s;Qp為設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量,m3/s;WP為設(shè)計(jì)頻率為P的一次洪水總量,m3;Vt為某壩頂標(biāo)高時(shí)的調(diào)洪庫容,m3。

則該尾礦庫各堆積標(biāo)高調(diào)洪計(jì)算結(jié)果(沉積灘坡比按1.0%計(jì))如表5所示。

表5 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上述分析我們能夠發(fā)現(xiàn),在通過規(guī)范化的整治工作之后,壩體在各類條件下最小穩(wěn)定性系數(shù)都超過規(guī)范提出的最小安全系數(shù),因此其具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 治理措施

4.2.1 壩坡削方及坡腳壓覆

為了放緩邊坡坡度,保持壩體穩(wěn)定,對(duì)現(xiàn)狀堆積壩體進(jìn)行削坡,每級(jí)子壩削坡后坡比為1∶2,子壩間留設(shè)平臺(tái),其中一級(jí)子壩與二級(jí)子壩間平臺(tái)寬3 m,二級(jí)子壩與三級(jí)子壩間平臺(tái)寬4 m。整治后壩體向庫內(nèi)平移5 m形成臺(tái)階,然后堆筑壩體高度至設(shè)計(jì)最終高度(設(shè)計(jì)總壩高55 m)。削方尾礦可以用來堆筑后期子壩,后期子壩堆筑高度6 m,內(nèi)坡比可選1∶2,外坡比1∶3,壩頂寬度不小于5 m。對(duì)于該尾礦庫內(nèi)東側(cè)沿溢洪道走向子壩(副壩)外坡比為1∶2,且堆筑時(shí)應(yīng)碾壓密實(shí),要求碾壓后相對(duì)密實(shí)度不低于0.70。削坡整治后,壩體總平均坡比為1∶2.5。為了充分保證壩體穩(wěn)定,增加坡腳壓重,對(duì)削坡后壩體進(jìn)行壓坡腳,由地面坡腳壓覆至一級(jí)尾礦堆積子壩頂,由坡腳向上15 m高度處堆設(shè)一平臺(tái),平臺(tái)寬度為2 m,一級(jí)堆積子壩頂壓覆平臺(tái)寬5.3 m,壓覆體外坡比1∶2,對(duì)壓覆后壩坡面進(jìn)行平整,以便于坡面防護(hù)。

4.2.2 壩坡排水溝

為了保證坡面有序排水,避免水流沖刷,本次設(shè)計(jì)在整治后的尾礦堆積壩坡平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝,壩間平臺(tái)坡向內(nèi)側(cè),坡比0.01。排水溝斷面主要表現(xiàn)為矩形,相應(yīng)的斷面規(guī)格為:B×H=500 mm×500 mm,壁厚300 mm,底板厚300 mm,M10水泥砂漿漿砌石結(jié)構(gòu),塊石強(qiáng)度MU30,此時(shí)我們可以通過M10水泥砂漿勾縫,在處理的過程中主要采用平縫。排水溝沿壩坡走向與左右壩肩排水溝相接,排水溝溝底坡比不小于0.01。

4.2.3 坡面防護(hù)

本設(shè)計(jì)對(duì)采用選礦廢石坡體壓覆部位進(jìn)行干砌片石防護(hù),砌石厚度400 mm,需要干砌片石方量為1 515 m3。干砌片石護(hù)坡應(yīng)自下而上逐排砌筑,厚度均勻,砌體片石應(yīng)互相搭疊錯(cuò)縫,間隙塞滿,表面平整。對(duì)于尾礦堆積壩坡面,為了保護(hù)坡面,避免揚(yáng)塵,同時(shí)避免受到水流沖刷形成沖溝,造成水土流失,本治理設(shè)計(jì)對(duì)整治后后期堆積壩坡面采用客土植被防護(hù)。

4.2.4 截洪壩改造

改造截洪壩采用碾壓式土石壩,筑壩材料可采用碎石土料,在通過一系列改造之后,壩頂標(biāo)高達(dá)到374 m,總壩高6 m,壩頂寬5 m,設(shè)計(jì)內(nèi)、外坡比1∶2,其中外坡于現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高370 m處向庫內(nèi)平移1 m留作平臺(tái),堆筑壩長72 m。

5 結(jié)語

該工程是關(guān)系到當(dāng)?shù)叵掠未迕裆?cái)產(chǎn)安全的重要工作,得到地方各級(jí)政府和人民群眾的廣泛積極支持。尾礦庫屬于礦山安全領(lǐng)域的最重要分支,而頭頂庫又屬于尾礦庫中最危險(xiǎn)的,通過本次工程的實(shí)施,對(duì)于遼東地區(qū)其他的尾礦庫治理帶來了重要的借鑒意義,其社會(huì)效益、環(huán)境效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益。