王海龍，張延億，劉啟旺，唐安輝

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧鞍山111000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京100048；3.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局，遼寧鞍山111000）

風(fēng)水溝尾礦庫(kù)選礦廢棄料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究

王海龍1，張延億2，劉啟旺2，唐安輝3

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧鞍山111000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京100048；3.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局，遼寧鞍山111000）

為滿足鞍鋼風(fēng)水溝尾礦庫(kù)增容所需，擬對(duì)已建的尾礦壩進(jìn)行加高，由此需在現(xiàn)有庫(kù)周?chē)藿ǜ眽?，壩型初定為堆石壩，筑壩材料擬采用選礦廢棄料。對(duì)于堆石壩而言，合理的筑壩材料碾壓參數(shù)是確保大壩填筑質(zhì)量、提高堆石體的壓實(shí)密度及控制壩體變形的關(guān)鍵。本文針對(duì)副壩填筑擬采用的選礦廢棄料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，研究選礦廢棄料的壓實(shí)性能，分析影響筑壩材料壓實(shí)質(zhì)量的因素。試驗(yàn)研究表明：筑壩材料的顆粒級(jí)配特性對(duì)壓實(shí)質(zhì)量有顯著的影響，碾壓8遍后進(jìn)一步增加碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)干密度的影響不明顯。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，最終提出了筑壩材料的碾壓施工控制參數(shù)，為副壩設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)依據(jù)。

選礦廢棄料；現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)；顆粒級(jí)配

鞍鋼風(fēng)水溝尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)壩頂高程140.0m，對(duì)應(yīng)的有效庫(kù)容為1.68億m3。到2008年為止，已累計(jì)入庫(kù)尾礦砂0.96億m3，還剩余有效庫(kù)容0.72億m3。目前所屬選礦廠每年向尾礦庫(kù)中排放的尾礦料折合體積為1 409萬(wàn)m3，計(jì)算剩余庫(kù)容還可服務(wù)約5年。為滿足未來(lái)使用需求，擬從現(xiàn)壩頂設(shè)計(jì)高程140.0m擴(kuò)容加高至160.0m。為配合現(xiàn)有尾礦庫(kù)的增容，需要在目前尾礦壩周?chē)陀谠O(shè)計(jì)增容對(duì)應(yīng)高程的山嶺埡口部位修建副壩，壩型初擬為堆石壩，筑壩材料擬采用選礦廢棄料。對(duì)堆石壩而言，壩體變形是關(guān)乎壩體安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。已有的研究成果和統(tǒng)計(jì)資料表明［1-2］，壩體變形量與壓縮模量成反比，而壓縮模量又與堆石體的壓實(shí)密度或孔隙率密切相關(guān)，為了減小壩體的變形，必須提高堆石體的壓實(shí)密度或降低堆石體的孔隙率。由此，確定合理的碾壓參數(shù)是保證堆石體壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵。由于堆石壩建設(shè)中選用采礦廢棄料作為填筑材料的工程實(shí)踐較少，對(duì)此類材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的研究顯得尤為重要。

1 研究?jī)?nèi)容及試驗(yàn)流程

擬采用的選礦廢棄料的巖性大致為千枚巖、花崗巖以及千枚巖與花崗巖混合材料（簡(jiǎn)稱混合料）3種材料。在設(shè)計(jì)擬定壩料填筑厚度和碾壓設(shè)備指標(biāo)的基礎(chǔ)上，研究確定碾壓過(guò)程中是否加水、碾壓遍數(shù)等參數(shù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況對(duì)壓實(shí)密度進(jìn)行綜合分析，為設(shè)計(jì)選定壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及確定碾壓參數(shù)提供依據(jù)。碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求整平并振動(dòng)壓實(shí)，采用水準(zhǔn)儀控制試驗(yàn)場(chǎng)地的平整度，場(chǎng)地準(zhǔn)備完畢后在其表面鋪50 cm厚同種試驗(yàn)材料作為墊層料，墊層經(jīng)振動(dòng)平碾振動(dòng)碾壓12遍，以使其具有足夠剛度。試驗(yàn)區(qū)域兩側(cè)預(yù)留一定寬度作為過(guò)渡帶，振動(dòng)碾壓設(shè)備采用16 t自行式振動(dòng)平碾。

根據(jù)類似堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)和壩體填筑經(jīng)驗(yàn)，將3種筑壩材料的碾壓遍數(shù)定為8遍、10遍和12遍，振動(dòng)平碾行車(chē)速度不大于4 km/h，試驗(yàn)場(chǎng)地鋪土厚度50 cm，試驗(yàn)材料的最大控制粒徑為350mm。碾壓試驗(yàn)主要由攤鋪、碾壓和檢測(cè)三部分組成［3］。試驗(yàn)料攤鋪采用后退法。試驗(yàn)料堆放完畢后用推土機(jī)按設(shè)計(jì)鋪土厚度整平。各試驗(yàn)工況組合區(qū)域交接處預(yù)留2m寬度的過(guò)渡帶，以減少不同試驗(yàn)條件間的相互影響。各試驗(yàn)組合內(nèi)間隔布置沉降測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)料碾壓依序同步進(jìn)行，碾壓過(guò)程中采用水準(zhǔn)儀測(cè)定試驗(yàn)料表面沉降量，碾壓完畢后在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)開(kāi)挖試坑并采用灌水法進(jìn)行原位密度檢測(cè)［4］，檢測(cè)完畢后對(duì)試坑開(kāi)挖料進(jìn)行全級(jí)配顆粒分析試驗(yàn)，對(duì)小于5mm的試驗(yàn)料采用酒精燃燒法進(jìn)行含水量檢測(cè)。確定碾壓參數(shù)后對(duì)3種試驗(yàn)料分別進(jìn)行一組復(fù)核試驗(yàn)。

2 壓實(shí)干密度檢測(cè)結(jié)果及分析

采用灌水法對(duì)千枚巖、花崗巖和混合料3種試驗(yàn)料在不同碾壓遍數(shù)工況下分別選取10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)干密度值檢測(cè)。確定碾壓參數(shù)后，在復(fù)核試驗(yàn)場(chǎng)地分別選取5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)干密度檢測(cè)，3種試驗(yàn)料的壓實(shí)密度檢測(cè)值見(jiàn)表1、表2和表3。

為便于對(duì)比壓實(shí)干密度值的分布及大小，將千枚巖和花崗巖壓實(shí)干密度值繪制在圖1內(nèi)，由圖1可見(jiàn)，除剔除個(gè)別明顯異常值并不考慮碾壓遍數(shù)影響，千枚巖試驗(yàn)料壓實(shí)干密度值分布在2.25～2.49 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為80％，其值變化范圍約0.24 g/cm3；花崗巖試驗(yàn)料壓實(shí)干密度值分布在2.13～2.38 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為88％，其值變化范圍約0.25 g/cm3；據(jù)復(fù)核試驗(yàn)壓實(shí)干密度檢測(cè)結(jié)果，千枚巖壓實(shí)干密度值在2.27～2.44 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為80％，干密度值變化范圍約0.17 g/cm3；花崗巖壓實(shí)干密度值在2.20～2.36 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為80％，干密度值變化范圍約0.16 g/cm3。

兩種試驗(yàn)料壓實(shí)干密度值均有一定程度的離散，分析認(rèn)為：（1）碾壓試驗(yàn)3種試驗(yàn)料均取自鞍鋼齊大山鐵礦的排巖場(chǎng)堆積料，由于在排巖過(guò)程中顆粒分離明顯，堆積體底部附近粗粒徑顆粒集中，中上部細(xì)粒徑顆粒集中。挖取試驗(yàn)料從底部開(kāi)始，未對(duì)堆積體的材料進(jìn)行充分拌合，盡管在取運(yùn)料及攤鋪過(guò)程中已對(duì)試驗(yàn)料級(jí)配進(jìn)行控制，但仍無(wú)法避免粗顆料集中的現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致各試坑土料級(jí)配存在差異，壓實(shí)干密度檢測(cè)值存在一定程度的離散；（2）由于試驗(yàn)料取自鐵礦棄料，其中有含量不一的鐵礦石存在，而當(dāng)試坑中包含有較多此類顆粒時(shí)，也將導(dǎo)致其壓實(shí)干密度值出現(xiàn)一定程度的離散性；（3）復(fù)核試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)料進(jìn)行了簡(jiǎn)單拌合，一定程度上避免了粗顆粒集中和細(xì)顆粒積聚現(xiàn)象，干密度值均有一定程度的提高，且離散程度相對(duì)減小。由此認(rèn)為，對(duì)于礦山選礦后的排巖堆石料，由于其堆積過(guò)程的特殊性，在用作筑壩材料時(shí)，應(yīng)充分考慮其顆粒分離的影響，避免粗、細(xì)顆粒的集中和聚積。

3 壓實(shí)干密度值的影響因素

3.1 試驗(yàn)料級(jí)配對(duì)壓實(shí)干密度值的影響為對(duì)比研究顆粒級(jí)配對(duì)壓實(shí)干密度的影響，在進(jìn)行混合料碾壓試驗(yàn)過(guò)程中只對(duì)混合料進(jìn)行最大粒徑控制。而在復(fù)核試驗(yàn)時(shí)除將超徑顆粒剔除外，取料過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)料也進(jìn)行了一定程度的拌合，降低了試驗(yàn)料的級(jí)配差異性。圖2為混合料壓實(shí)干密度檢測(cè)值。由圖2可見(jiàn)，采用不同取料及攤鋪方式后干密度檢測(cè)值存在明顯的差異?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)（不包括復(fù)核試驗(yàn)）后的壓實(shí)干密度值分布在1.92～2.36 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為80％，其中干密度值變化范圍約0.44 g/cm3；復(fù)核試驗(yàn)后的壓實(shí)干密度值分布在2.22～2.38 g/cm3范圍內(nèi)的比例約為80％，其中干密度值變化范圍約0.16 g/cm3。

分析認(rèn)為，對(duì)試驗(yàn)料級(jí)配進(jìn)行控制后壓實(shí)干密度值有顯著的提高，且其離散程度顯著降低?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)料級(jí)配不良的試坑內(nèi)部存在明顯架空現(xiàn)象。此類試坑內(nèi)粗顆粒間少有細(xì)料，顆粒間空隙非常明顯，振動(dòng)碾壓過(guò)程中，顆粒骨架間無(wú)細(xì)顆粒有效填充，導(dǎo)致此類試坑壓實(shí)干密度值顯著偏低。

為進(jìn)一步對(duì)比試驗(yàn)料顆粒級(jí)配對(duì)壓實(shí)干密度的影響，選取了混合料試驗(yàn)區(qū)域中4個(gè)典型的試坑，進(jìn)行開(kāi)挖料級(jí)配曲線與干密度值對(duì)比分析，見(jiàn)圖3。試驗(yàn)料的顆粒級(jí)配指標(biāo)見(jiàn)表4。根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不均勻系數(shù)Cu≥5和曲率系數(shù)Cc=1～3時(shí)，試驗(yàn)料的粒徑分布不均勻，級(jí)配良好，較大顆粒間的孔隙可有較小顆粒填充，試驗(yàn)料容易被壓實(shí)；不完全滿足上述兩個(gè)條件的試驗(yàn)料，均屬于級(jí)配不良，不易被壓實(shí)。結(jié)合圖3及表4結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，“碾壓8遍-1”和“碾壓8遍-3”試坑開(kāi)挖料的顆粒級(jí)配均屬于級(jí)配良好，“碾壓12遍-2”和“碾壓12遍-3”試坑開(kāi)挖料的顆粒級(jí)配均屬不良級(jí)配。對(duì)應(yīng)碾壓8遍的干密度值反而明顯高于碾壓12遍條件下的值，這與一般的堆石料壓實(shí)規(guī)律相左。由此可以認(rèn)為，顆粒級(jí)配對(duì)于排巖堆石材料的壓實(shí)質(zhì)量有顯著的影響，是壩體填筑壓實(shí)的關(guān)鍵因素。

3.2 碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)干密度的影響3種試驗(yàn)料的碾壓遍數(shù)均分別取8遍、10遍和12遍。圖4是千枚巖和花崗巖壓實(shí)干密度值與碾壓遍數(shù)變化關(guān)系圖。由圖4可見(jiàn)，碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)干密度的影響不明顯。綜合考慮壩體壓實(shí)質(zhì)量保證及施工填筑效率，建議碾壓遍數(shù)不低于8遍。

4 加水有效性分析

已有堆石料填筑碾壓成果顯示［1，5-7］，堆石料加水碾壓可起到兩種作用：一是起潤(rùn)滑作用，可減小碾壓時(shí)顆粒間相互移動(dòng)的摩擦阻力，有利于堆石體的壓實(shí)；二是巖塊棱觸點(diǎn)受到軟化，在振動(dòng)力作用下易于壓碎，細(xì)料可以填充骨架中的孔隙。在此兩種作用影響下，加水碾壓有助于提高堆石料的壓實(shí)密度。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，受所在區(qū)域持續(xù)降雨影響，試驗(yàn)前各試驗(yàn)料已達(dá)較高的含水率，盡管在試驗(yàn)加水區(qū)域?yàn)⑺s3％（體積含水率），但試坑開(kāi)挖料中＜5 mm土料的含水量顯示（見(jiàn)表1、表2及表3），試驗(yàn)料中細(xì)粒料的含水量大多處于5％～6％之間，與不加水時(shí)相近，說(shuō)明對(duì)試驗(yàn)料進(jìn)行加水的效果不明顯，由此，在對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析時(shí)也忽略了加水的影響，均按不加水工況考慮。

參照其它工程碾壓施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)通過(guò)取料、卸料及攤鋪分階段進(jìn)行加水，總加水量可按5％（體積含水量）左右控制。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用廢棄鐵礦料進(jìn)行筑壩時(shí)，由于堆料造成的顆粒分離及填筑料顆粒中程度不一的含鐵量將會(huì)造成壩體壓實(shí)干密度檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)明顯的離散性。因此，壩體填筑質(zhì)量控制宜采取施工工藝參數(shù)和壓實(shí)指標(biāo)雙控的方法，把填筑料源及施工過(guò)程控制作為主要控制環(huán)節(jié)。

（2）填筑料的顆粒級(jí)配將顯著影響壓實(shí)干密度結(jié)果及壩體填筑的壓實(shí)效果，采用此類材料進(jìn)行壩體填筑時(shí)需對(duì)上壩料的顆粒級(jí)配進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）填筑層鋪土厚度為50 cm，采用16 t振動(dòng)平碾壓實(shí)，在碾壓遍數(shù)達(dá)到8遍后，進(jìn)一步增加遍數(shù)對(duì)壓實(shí)干密度的提高不明顯。綜合考慮壩體壓實(shí)質(zhì)量及填筑效率兩種因素，碾壓遍數(shù)可控制不低于8遍；加水量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的氣候條件靈活掌握，按干料加水5％左右控制。

（4）壩體填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)三種筑壩材料的的復(fù)核碾壓試驗(yàn)結(jié)果確定。

參考文獻(xiàn)：

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Site rolling test of ore-d ressing waste gravels for Fengshuigou Tailing Reservoir

WANG Hai-long1，ZHANG Yan-yi2，LIU Qi-wang2，TANG An-hui3

（1.Anshan Iron and steel group corporation，Anshan 111000，China；2.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100048，China；3.Liaoningmetallurgical geological exploration bureau，Anshan 111000，China）

To enhance its capacity，the Fengshuigou Tailing Reservoir will be heightened.Hence，the sad?d le dam for this project，which is composed of ore-dressing waste gravels，is considered.As far as the rock-filled dam is concerned，reasonable rolling parameters are important to ensure rolling density and de?formation.Thus，the site rolling test of ore-dressing waste gravels is adopted to study the key factor of roll?ing density.It is demonstrated that the grain gradation of these materials has significant influence on rolling quality.On the other hand，rolling round has little influence on rolling density after 8 rolling round.Final?ly，based on comprehensive analysis of test results，the reasonable rolling parameters of these materials are proposed，which can provide reference for design and construction of saddle dams.

ore-dressing water materials；site rolling test；grain gradation

TU413.6

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.011

1672-3031（2014）01-0065-06

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2013-05-09

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院院專項(xiàng)（巖集1021）

王海龍（1974-），男，遼寧鞍山人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)工程研究。

張延億（1979-），男，甘肅人，碩士，工程師，主要從事土的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。E-mail：zhangyanyi@iwhr.com