劉加冬 邱 宇 路洪斌

某礦山尾礦庫壩體隱患分析及治理研究

劉加冬1邱 宇2路洪斌2

(1.河海大學(xué)文天學(xué)院 安徽馬鞍山 243031;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司 安徽馬鞍山 243000)

對某礦山尾礦庫壩體存在的隱患進(jìn)行了調(diào)查和分析，采用理正軟件對壩體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，并針對當(dāng)前隱患進(jìn)行了防治研究。結(jié)果表明，在采取防治措施后該尾礦庫安全狀況得以改善。建議在尾礦庫管理過程中加強(qiáng)對壩體的監(jiān)測與維護(hù)，確保壩體穩(wěn)定。

尾礦庫 隱患 穩(wěn)性性分析 治理措施

尾礦是礦物加工工業(yè)生產(chǎn)中的一種廢料［1］，在生產(chǎn)過程中不斷地積累，在自身重力及外界環(huán)境作用下，極易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，諸如滑坡、泥石流和尾礦庫潰壩等［2－3］，給社會帶來極大損失。如2011年9月21日銀巖錫礦高旗嶺尾礦庫發(fā)生潰壩事件，共造成22人死亡，房屋全倒戶523戶，受損戶815戶，受潰壩影響下游流域范圍內(nèi)交通、水利等公共基礎(chǔ)設(shè)施以及農(nóng)田、農(nóng)作物等嚴(yán)重?fù)p毀?？梢?，尾礦庫壩體安全與人民群眾的生命安全密切相關(guān)，必須加強(qiáng)尾礦庫的管理和實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隱患及時查明隱患存在的原因，提出合理可行的治理對策［4－5］。

1 某尾礦庫現(xiàn)狀

某礦山尾礦庫地勢北高南低，呈一較窄狹口，由于南面地勢較緩，壩軸線相應(yīng)增長。壩體為碾壓式黏土斜墻堆石壩，下游設(shè)排水棱體，尾礦壩筑壩材料為當(dāng)?shù)氐乃槭?。尾礦壩軸線長382.91 m，最大斷面處壩頂標(biāo)高 +81.5 m，大壩內(nèi)坡腳地面標(biāo)高+60.5 m，外坡腳地面標(biāo)高+57.5 m，壩高24.0 m。壩頂寬3.5 m，內(nèi)坡比1:2.25，外坡比1:2.25。并于+71.5 m標(biāo)高處設(shè)2.0 m寬馬道，于+61.5 m標(biāo)高處設(shè)2.5 m寬(排水棱體頂寬)排水棱體。壩體內(nèi)底部及中部增設(shè)了水平排滲管，排滲管水平間距8 m，縱坡率2%。壩基采用3:7灰土壓實。

該尾礦庫2006年竣工驗收后即開始蓄水、放礦。但在尾礦庫運行中發(fā)現(xiàn)該庫存在一定程度的安全問題:當(dāng)尾礦庫蓄水、放礦水位至+70.0 m標(biāo)高左右時，在樁號1+78.57到樁號2+58.57段的下游壩坡68.0 m標(biāo)高處發(fā)現(xiàn)滲水逸出點，浸潤線逸出明顯，但壩坡無集中滲透出口，+68.0 m標(biāo)高以下下游壩坡土體含水量大，土體含水約呈飽和狀態(tài)，壩坡表面土體成片濕潤，壩坡行人有下沉感。壩腳排水棱體干燥、無排水，壩體底部+58.5 m標(biāo)高和中部+71.5 m標(biāo)高 SH－100 mm導(dǎo)滲管均無滲水排出。內(nèi)坡塊石的平整度明顯減低，多處出現(xiàn)小幅鼓起和凹下的現(xiàn)象，內(nèi)坡水泥標(biāo)尺梁上見2～3道寬約3～5 mm的拉張裂縫，塊石護(hù)坡向下滑移的跡象明顯。

2 壩體存在隱患的原因分析

從現(xiàn)狀來看，該尾礦庫壩體滲水，壩面出現(xiàn)沼澤化，護(hù)坡向下滑移。壩體滲水和壩面沼澤化主要是由壩體滲漏引起的，而產(chǎn)生壩體滲漏主要在庫內(nèi)水位+65.0～70.0 m高程之間樁號1+78.57到樁號2+58.57段。庫內(nèi)蓄水位愈高，壩體滲漏愈加劇，庫內(nèi)蓄水位降低，壩體滲漏明顯減弱。說明壩體在+65.0～70.0 m高程之間樁號1+78.57到樁號2+58.57段黏土斜墻、土工布等防滲措施未完全起到防滲作用，原因是此段區(qū)間黏土斜墻碾壓不密實或填筑黏土斜墻材料透水性強(qiáng)，造成壩體滲漏。護(hù)坡向下滑移，主要原因是護(hù)坡材料和厚度不足，此外，由于庫內(nèi)蓄水較深，軟化了其基底的摩擦力，也是產(chǎn)生滑移的一個原因。

3 壩體整改前的穩(wěn)定性分析

由于尾礦庫存在壩體滲水，壩面出現(xiàn)沼澤化等現(xiàn)象，其穩(wěn)定性堪憂，為了防止壩體存在的隱患影響尾礦庫的正常運行，確保尾礦庫壩體的安全，需對其穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真分析和校核，為提出合理可行的治理對策提供依據(jù)。

3.1 作用于壩體的荷載及其組合

(1)壩體自重。在計算壩體自重荷載時，在靜水面以下的土體部分，要按浮容重計算;在浸潤線以下，靜水面以上的土體按飽和容重計算;在浸潤線以上部分土體按濕容重計算。

(2)筑壩期正常高水位的滲透壓力。

(3)壩體及壩基中的孔隙水壓力。

(4)最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力。

(5)地震荷載。尾礦壩所在地區(qū)，地震烈度為六度。

3.2 計算原理

尾礦壩的穩(wěn)定性分析和土體邊坡穩(wěn)定性分析相類似［6］。壩體的失穩(wěn)是部分土體沿某滑裂面滑動，根據(jù)土力學(xué)可知，滑動面的形狀假定稍有出入，對安全系數(shù)影響不大［7］。因此采用瑞典圓弧法［8］對壩體穩(wěn)定性校核，考慮到壩體的孔隙水壓力，壩體穩(wěn)定性分析采用有效應(yīng)力法，采取有效強(qiáng)度指標(biāo)。

《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006－2005)中對壩坡抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)規(guī)定見表1，該尾礦庫壩坡等別為五級，按五級尾礦庫規(guī)范取值為:正常運行1.15;洪水運行1.05;特殊運行1.00。

取尾礦壩最大斷面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本次壩體穩(wěn)定性分析，采用計算公式為:

式中:Fs——安全系數(shù);第i土條滑面上的有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角;Ui——作用于第i土條底面中點處的孔隙水壓力，其計算可采用此條塊中點到浸潤線的水柱高度代替;Li——第i土條底面弧長;αi——第i土條底面中心的法線(過圓心)與過圓心的鉛直線間的夾角;Wi——第i土條的重量。

表1 壩坡抗滑穩(wěn)定性最小安全系數(shù)Table 1 The minimum safety factor of sliding stability of dam slope

3.3 尾礦物理力學(xué)指標(biāo)

壩體穩(wěn)定性計算斷面按最不利的剖面計算。結(jié)合現(xiàn)有的尾礦資料和規(guī)范，根據(jù)工勘報告中提供的各土層物理力學(xué)指標(biāo)，不利的剖面土料平均物理性質(zhì)指標(biāo)見表2，將該坡面按照正常、洪水和特殊運行工況分別進(jìn)行穩(wěn)定計算。

表2 土料平均物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Average physical property indicators

3.4 尾礦壩穩(wěn)定性計算

該尾礦壩最大斷面處壩頂標(biāo)高+81.5 m，大壩內(nèi)坡腳地面標(biāo)高+60.5 m，外坡腳地面標(biāo)高+57.5 m，最大壩高24.0 m，壩頂寬3.5 m，內(nèi)坡比1:2.25，外坡比1:2.25，+71.5 m標(biāo)高處設(shè)2.0 m寬馬道，+61.5 m標(biāo)高處設(shè)2.5 m寬排水棱體。采用理正巖土軟件進(jìn)行計算，壩坡穩(wěn)定計算示意圖見圖1。

通過對該尾礦壩壩體邊坡的正常、洪水和特殊運行工況分別進(jìn)行穩(wěn)定計算，將其計算穩(wěn)定性分析結(jié)果整理如下，見表3。

圖1 尾礦壩加固前穩(wěn)定性計算示意圖Fig．1 Stability calculation results of the tailing dam before reinforcement

表3 壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 3 Average physical property indicators

分析結(jié)果顯示:目前該尾礦上游水位在+72.0 m時，壩體安全系數(shù)已基本處于規(guī)范臨界值。隨著生產(chǎn)需要，庫內(nèi)將繼續(xù)蓄水，必然導(dǎo)致上游水位上升。當(dāng)上游水位上升至+73.0 m，+75.0 m，+78.5 m，壩體安全系數(shù)經(jīng)計算均不滿足規(guī)范要求，表明庫內(nèi)水位超過+73.0 m時，尾礦壩局部將可能產(chǎn)生變形或破壞，其整體穩(wěn)定性將受到影響。

4 壩體整改措施及穩(wěn)定性分析

任何一種壩體的穩(wěn)定性都與壩體的變形和滲透有關(guān)，要保證壩體安全，應(yīng)從兩個方面入手:(1)采取排滲、防滲措施，改善壩體的滲流情況，降低壩體的浸潤線，提高壩體安全系數(shù);(2)對壩體進(jìn)行加固，使壩體滿足安全穩(wěn)定性要求。

4.1 壩體滲漏的治理措施

針對該尾礦已出現(xiàn)滲漏，應(yīng)采取防滲措施，降低壩體的浸潤線。首先應(yīng)在壩體上游面設(shè)防滲復(fù)合體，阻止庫內(nèi)水向碎石土壩體滲透。防滲復(fù)合體采用C42.5礦渣水泥以一定的配合比與庫內(nèi)尾砂攪拌成砂漿，在內(nèi)坡干砌塊石護(hù)坡上直接澆筑而成，防滲復(fù)合體設(shè)計砌筑厚度為20 cm，總體強(qiáng)度大于C5，局部強(qiáng)度不低于C2.5。防滲復(fù)合體外層鋪設(shè)2 mm厚HDPE防滲土工膜，增強(qiáng)防滲效果。此外設(shè)置排滲系統(tǒng)，使尾礦中的水能沿著滲流通道及時排出，可在垂直壩軸線方向下游壩面構(gòu)筑大小為400 mm×400 mm排滲盲溝，排滲盲溝沿壩面每隔6 m設(shè)置一條。

4.2 壩體加固

由于壩體出現(xiàn)沼澤化，護(hù)坡向下滑移，壩體強(qiáng)度已受到影響。為了保證壩體整體穩(wěn)定，應(yīng)提高壩體強(qiáng)度。具體措施如下:在壩體下游修建碾壓式塊石齒槽壩，碾壓式塊石齒槽壩高為4 m，地面以下齒槽為2 m，壩頂寬為2.5 m，上下游坡面坡比為1:2.0，壩的上游面和底面皆用土工布和礫砂碎石組成反濾層，反濾層的設(shè)置為上下兩層200 mm的礫砂層，中間為兩層300 g/m2無紡?fù)凉げ肌６咽瘔蔚南掠谓ㄒ慌潘疁?，凈斷面尺寸為B×H=600 mm×800 mm，壁厚為500 mm。利用碾壓碎石土加固壩坡，加固區(qū)從齒槽壩壩頂?shù)?71.5 m馬道之間區(qū)域，加固后+71.5 m馬道寬度由原來的2 m變?yōu)?.0 m，+71.5 m標(biāo)高以下壩坡比由原來的1:2.25變?yōu)?:3.0。

4.3 尾礦壩整改后穩(wěn)定性分析

尾礦庫經(jīng)過整改后，壩體滲透流量明顯減少，降低了壩體的水體壓力，同時使得壩體強(qiáng)度提高。將原來的模型進(jìn)行調(diào)整，在+71.5 m標(biāo)高處寬馬道改為4.0 m，+71.5 m標(biāo)高以下壩坡比改1:3.0，其余參數(shù)均不變。考慮多種因素的影響，按不利組合進(jìn)行重新計算，計算結(jié)果顯示:目前上游水位為+72.0 m，在下游少量滲出的前提下，正常、洪水、特殊工況的壩坡安全系數(shù)為1.345，1.213，1.142，安全系數(shù)比整改前有明顯提高，而且將上游水位提高至+80.8 m，正常、洪水、特殊工況的壩坡安全系數(shù)為1.198，1.102，1.045，均大于五級尾礦庫規(guī)范取值，滿足后續(xù)的生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

(1)尾礦壩壩體穩(wěn)定性是影響尾礦庫安全的主要因素之一，一旦壩體某一區(qū)域防滲措施起不到防滲作用，將造成壩體滲漏，導(dǎo)致壩體浸潤線較高，壩坡的安全系數(shù)降低，可能使壩體產(chǎn)生變形或蠕變破壞。

(2)壩體的整改和加固應(yīng)結(jié)合尾礦庫的實際情況，并經(jīng)計算分析，確保采取整改措施后令尾礦庫的隱患情況得到妥善處理。

(3)壩體安全受各種因素的影響，時時刻刻都在發(fā)生變化。為了保證壩體安全，還應(yīng)加強(qiáng)對壩體的安全管理，建立監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時了解和掌握各種條件下壩體的變化狀態(tài)，提供不穩(wěn)定狀態(tài)的詳細(xì)信息，及時發(fā)現(xiàn)危險征兆，及時采取措施防止事故發(fā)生，最大限度減輕災(zāi)害損失。

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Accident Potential Analysis and Management Research of Tailings Pond Dam of a Mine

LIU Jia－dong1，QIU Yu2，LU Hong－bin2

(1.College of Wentian，Hehai University，Ma－anshan 243031，Anhui，China; 2.Sinosteel Ma－anshan Institute of Mining Research Co.，Ltd，Ma－anshan 243000，Anhui，China)

Accident potential of tailings pond dam was studied and analyzed，the slope stability was checked using Lizheng software and control of the current accident potential was researched.Study results show that the security situation of tailings pond will be improved after taking measures.In the future management process of the tailings pond dam it should strengthen the monitoring and maintenance of the tailings pond dam to ensure its stability.It is certain reference significance for the improvement，stability analysis and governance of the similar tailings pond dam.

Tailings pond;Accident potential;Stability analysis;Control measures

X751

A

1671－8755(2015)03－0031－04

2015－02－04

劉加冬(1982—)，女，碩士，講師，研究方向為巖土安全。E－mail:lid8209@163.com