鄭 偉，于 菲

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038； 2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司,陜西 華縣 714100)

1 前言

尾礦庫作為礦山的重要附屬設(shè)施日益受到重視，其主要構(gòu)筑物——尾礦壩、排洪設(shè)施等都是關(guān)注的重點(diǎn)。尾礦壩設(shè)計(jì)及研究的重點(diǎn)通常都集中于主壩，因其壩高相對(duì)較高，占地面積大，建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，輔助設(shè)施多(排放設(shè)施、排滲設(shè)施、監(jiān)測(cè)設(shè)施)。主壩壩高是確定尾礦庫等別的重要依據(jù)，進(jìn)而影響到防洪標(biāo)準(zhǔn)、最小干灘長(zhǎng)度、最小安全超高等控制標(biāo)準(zhǔn)的確定，是尾礦庫整體方案的基礎(chǔ)。

對(duì)于一些地形比較復(fù)雜的尾礦庫，埡口較多，需要修建副壩使尾礦庫庫區(qū)形成封閉以達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的庫容，此時(shí)副壩的問題就十分突出，因其直接影響到尾礦庫的最終淹沒標(biāo)高、總庫容和服務(wù)年限。同主壩通常采用尾礦堆筑不同，副壩的結(jié)構(gòu)形式更為多樣，可以是混凝土壩、均質(zhì)土壩、堆石壩、尾礦壩等，不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)尾礦庫整體方案的影響也不同。對(duì)于一些地質(zhì)情況復(fù)雜、山體較薄、壩高也較高的情況，副壩的穩(wěn)定性問題很突出，副壩的結(jié)構(gòu)形式的選擇就非常重要，不但涉及到副壩自身的穩(wěn)定，還關(guān)系到整個(gè)山體的穩(wěn)定性，大大增加了尾礦庫的設(shè)計(jì)難度。

2 尾礦庫概況

國內(nèi)某大型礦山的尾礦庫原設(shè)計(jì)淹沒標(biāo)高1 300m，

總壩高(主壩)164.5m，總庫容16 930萬m3。初期壩為透水堆石壩，壩高40.5m，尾礦堆積壩壩高124m，采用上游式尾礦筑壩法，堆積壩總坡比為1∶5。二期工程在原設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上尾礦上游法加高30m，尾礦庫最終淹沒標(biāo)高1 330m，總壩高(主壩)194.5m，尾礦堆積壩壩高154m，總庫容2.5億m3。

尾礦庫庫區(qū)東側(cè)存在5個(gè)埡口，鞍部標(biāo)高1 285～1 327m不等，平面圖見圖1，各埡口的基本情況見表1。其中2號(hào)埡口標(biāo)高最低，長(zhǎng)度最長(zhǎng)。原設(shè)計(jì)尾礦庫淹沒標(biāo)高1 300m時(shí)， 2號(hào)埡口需要修建副壩，當(dāng)二期工程加高至1 330m時(shí)，1號(hào)～5號(hào)全部5個(gè)埡口都需要修建副壩。由于2號(hào)埡口處山體最薄、擬建副壩的壩高最高、壩軸線最長(zhǎng)，一期工程及二期工程都要涉及，因此2號(hào)埡口副壩的方案是研究的重點(diǎn)，也是其他副壩研究工作的基礎(chǔ)，2號(hào)埡口副壩的形式?jīng)Q定其他埡口副壩的形式以及尾礦庫的整體方案。本文主要圍繞2號(hào)埡口處的副壩方案進(jìn)行闡述。

圖1 埡口分布平面圖

埡口1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)5號(hào)鞍部最低標(biāo)高/m13031285132713131321長(zhǎng)度/m1113720810

3 工程地質(zhì)情況

在一期工程運(yùn)行后期，重新對(duì)2號(hào)埡口補(bǔ)充工程地質(zhì)勘察，勘察基本情況如下。

(1)擬建副壩壩址區(qū)坡度一般40°～60°，山脊處近垂直的陡崖分布。地形起伏較大，兩側(cè)山峰聳立，山坡較陡，一般坡度35°～60°。

(2)因經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，壩址處巖層受擠壓嚴(yán)重，小構(gòu)造形跡以小褶皺、斷裂、節(jié)理裂隙為主，巖石破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體已切割成碎塊、碎片狀，呈碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，局部應(yīng)力集中地帶節(jié)理裂隙極度發(fā)育，壩基不均勻沉降嚴(yán)重。

(3)壩址區(qū)內(nèi)受區(qū)域構(gòu)造控制，小型斷裂、節(jié)理、裂隙及劈理都很發(fā)育。區(qū)內(nèi)未見軟弱夾層及可能形成的滑動(dòng)面，但壩體受力方向與巖層存在順層關(guān)系的不利組合。

(4)擬建副壩壩址區(qū)地層可分為第四系坡積物和強(qiáng)～中等風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單～中等，巖層構(gòu)造發(fā)育，工程地質(zhì)條件中等～復(fù)雜。

第四系坡積物主要成分由粉質(zhì)粘土含大小不等棱角狀硅質(zhì)灰?guī)r碎石組成，稍濕，松散～稍密狀態(tài)，層厚0～2.60m。

強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r呈碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖石主要組成成份為長(zhǎng)石及石英。巖芯呈砂狀或碎塊狀，巖層產(chǎn)狀為80°～105°∠5°～16°，層厚約1.40～9.00m。中等風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r巖芯呈碎塊狀或短柱狀，局部地段巖芯呈砂狀，巖層產(chǎn)狀為80°～105°∠5°～16°，目前揭露層厚約74.50m?？碧竭^程中在中等風(fēng)化層內(nèi)鉆進(jìn)、取樣等均異常困難，充分體現(xiàn)出“硬、脆、碎”的特點(diǎn)。中等風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為55.59MPa，巖層承載力特征值為5.56MPa，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特點(diǎn)和破碎程度，工程地質(zhì)性能較差。

(5)副壩壩基(肩)強(qiáng)風(fēng)化巖層滲透性強(qiáng)，中風(fēng)化層為弱～微透水性同，35m以下(相對(duì)于1 286m)為基本不透層。

4 副壩方案

4.1 方案比選

原設(shè)計(jì)2號(hào)埡口處副壩有兩種方案，當(dāng)時(shí)對(duì)應(yīng)的尾礦庫最終淹沒標(biāo)高為1 300m，方案一為重力壩方案，方案二為尾礦堆壩方案，見圖2和圖3。

圖2 方案一典型剖面圖

圖3 方案二典型剖面圖

方案一采用漿砌石副壩，壩頂標(biāo)高1 300m，壩底標(biāo)高1 273m，壩高27m，壩頂寬5m，上游坡比1∶0.15，下游坡比1∶0.75，壩長(zhǎng)208.4m(見圖2)。由于埡口處山脊寬度不夠，無法放坡，需要將壩軸線向庫內(nèi)適當(dāng)平移，清除山脊處的坡積物及強(qiáng)風(fēng)化巖層并換填漿砌條石基礎(chǔ)，壩基平均開挖6m至中風(fēng)化巖石。同時(shí)采用帷幕灌漿降低揚(yáng)壓力并減少向庫外滲漏。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.1，壩址處抗壓強(qiáng)度0.54MPa，壩踵處抗壓強(qiáng)度0.046MPa，均符合規(guī)范要求。

方案一的優(yōu)點(diǎn)在于一次性建壩，相當(dāng)于抬高山體，運(yùn)行管理方便，副壩不受干灘長(zhǎng)度的限制，排洪設(shè)施、回水設(shè)施、尾礦輸送與排放設(shè)施等基本不受影響，操作管理靈活。缺點(diǎn)為壩體加高困難，二期工程壩頂標(biāo)高為1 330m，需要在一期工程的基礎(chǔ)上加高30m，如果仍然采用重力壩一次性加高，繼續(xù)削平山脊已不現(xiàn)實(shí)(庫內(nèi)水位標(biāo)高1 271m)，必然有相當(dāng)一部分壩基落到尾礦沉積灘上，不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致壩基失穩(wěn)。如采用其他方式堆壩，會(huì)在現(xiàn)有漿砌石重力壩壩頂上加荷載30m，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)0.94，將東梁山體與壩體作為整體進(jìn)行計(jì)算，壩坡抗滑穩(wěn)定性的安全系數(shù)0.98，不滿足規(guī)范要求。

修建副壩對(duì)于東梁山體主要的影響有下列兩項(xiàng)，第一是相當(dāng)于在現(xiàn)狀山體滑弧頂部加載，增加下滑力；第二是導(dǎo)致現(xiàn)狀山體內(nèi)部浸潤(rùn)線抬升，巖石自身物理力學(xué)指標(biāo)下降。因此方案二的思路是盡量利用現(xiàn)有條件盡可能少擾動(dòng)現(xiàn)有山體，在保證東梁山體自身穩(wěn)定的前提下進(jìn)行副壩加高，首先通過基礎(chǔ)灌漿加固山體，為修建副壩提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，副壩加高采用上游式筑壩工藝，采用直接沖積法筑壩。副壩壩底標(biāo)高為1 286m，最終壩頂標(biāo)高為1 300m，副壩總壩高14m(見圖3)。

方案二的優(yōu)點(diǎn)在于不擾動(dòng)現(xiàn)有山體，穩(wěn)定性有保障，而且可以采用同樣的方式加高到1 330m，尾礦排放與筑壩方式與主壩相同，經(jīng)濟(jì)有效，運(yùn)行管理也較為簡(jiǎn)單。二期工程壩頂加高至1 330m時(shí)，將副壩壩體與東梁山體整體建模并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算方法采用瑞典圓弧法，計(jì)算結(jié)果見表2，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。方案二的缺點(diǎn)是副壩也是尾礦壩，受到干灘長(zhǎng)度的限制，排洪設(shè)施、回水設(shè)施等布置要充分考慮到副壩的干灘長(zhǎng)度，且需要對(duì)尾礦輸送設(shè)施、排放設(shè)施進(jìn)行改造，新增副壩處滲水回收設(shè)施、排滲設(shè)施等。

表2 副壩及東梁山體壩坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算成果

4.2 最終方案

鑒于東梁山體較薄，而且工程地質(zhì)條件較差，從東梁山體的穩(wěn)定性以及副壩壩體的穩(wěn)定性角度選擇方案二作為最終方案。即盡可能少擾動(dòng)現(xiàn)有山體，在保證東梁山體自身穩(wěn)定的前提下采用上游式筑壩工藝向庫內(nèi)堆壩，一次性考慮到二期工程的最終淹沒標(biāo)高1 330m，同時(shí)通過調(diào)整副壩壩軸線，避開1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)埡口，將5個(gè)副壩減為一個(gè)副壩。通過調(diào)整尾礦排礦方式，最終將整個(gè)尾礦主、副壩壩頂連為一體。

為將副壩對(duì)東梁山體的影響降到最低，副壩采取的主要技術(shù)手段為基礎(chǔ)灌漿處理、埡口平臺(tái)處理、上游式筑壩工藝加高3個(gè)部分，這3種技術(shù)手段都是保證東梁山體穩(wěn)定的有效措施。整體工程的施工工序?yàn)椋汗探Y(jié)灌漿—帷幕灌漿—埡口處拋石擠淤—分散放礦—平整場(chǎng)地—平臺(tái)護(hù)底—堆筑初期壩—分期堆筑子壩。

副壩壩基基礎(chǔ)處理包括固結(jié)灌漿及帷幕灌漿。固結(jié)灌漿的主要作用是處理壩基強(qiáng)風(fēng)化巖石，提高整體強(qiáng)度并為修建副壩提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；帷幕灌漿的主要作用是延長(zhǎng)滲徑，降低東梁山體內(nèi)部的浸潤(rùn)線，減輕山體滲透壓力，同時(shí)也減輕副壩修建后由于浸潤(rùn)線上升對(duì)于東梁現(xiàn)狀山體的影響。

固結(jié)灌漿深度10m，固結(jié)灌漿底標(biāo)高1 275m，固結(jié)灌漿孔呈梅花形布置，共布置3排，孔徑φ100mm，孔距3.5m，梅花形布置。帷幕灌漿布置一排孔，孔徑φ75mm，采用水泥粘土漿，帷幕厚度3～5m，帷幕灌漿深度至相對(duì)不透水層，灌漿深度為10～26m。

埡口平臺(tái)處理包括拋石擠淤及分散放礦，提前利用剝離廢石在埡口處拋填，將埡口處水面以下細(xì)粒尾砂進(jìn)行置換。同時(shí)對(duì)尾礦輸送及排放設(shè)施進(jìn)行改造，將尾礦排放主管提前引入埡口公路路面，按照主壩壩頂放礦的方式進(jìn)行副壩壩頂分散放礦，形成干灘，粗顆粒尾砂集中于壩前。放礦完畢后應(yīng)進(jìn)行平整場(chǎng)地以及平臺(tái)護(hù)底施工，包括開挖現(xiàn)有路面表層以及部分區(qū)域回填，平整場(chǎng)地后路面標(biāo)高為1 286m。平臺(tái)護(hù)底作業(yè)是在副壩干灘區(qū)域拋填碎石、預(yù)埋排滲管、開挖排水溝、干砌塊石護(hù)底等工作，最終平臺(tái)頂標(biāo)高為1 287m。

副壩初期壩采用風(fēng)化石渣筑壩，總壩高5m，壩頂標(biāo)高1 291m，壩底標(biāo)高1 286m，壩長(zhǎng)250m，壩頂寬3m，下游坡面在標(biāo)高1 289m處設(shè)置一道馬道，馬道寬2m，馬道可以和現(xiàn)有南側(cè)公路聯(lián)為一體，形成1 289m平臺(tái)。副壩堆積壩采用子壩分期堆筑，筑壩材料為干灘粗尾礦。堆積壩起堆標(biāo)高為1 291m，最終堆積壩壩高為1 330m，堆積壩壩高為39m。每級(jí)子壩壩高3m，壩頂寬3m，子壩外坡坡比為1∶2，內(nèi)坡坡比為1∶1.5，共13級(jí)子壩。每級(jí)子壩之間設(shè)置4m平臺(tái)，副壩堆積壩平均外坡坡比為1∶4。

副壩壩面排水設(shè)施包括縱向排水溝、橫向排水溝、壩底平臺(tái)排水溝、壩肩截洪溝，坡面雨水由縱、橫向排水溝導(dǎo)入兩側(cè)壩肩排水溝，最終由壩底平臺(tái)排水溝排至山體外側(cè)。排滲設(shè)施為集水井，在1 287m平臺(tái)處設(shè)置，井內(nèi)布置自吸泵，將滲水收集并揚(yáng)送至庫內(nèi)。堆積壩形成后，根據(jù)實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線的情況適時(shí)增設(shè)輻射井。

5 需要注意的問題

副壩采用尾礦堆筑，對(duì)尾礦庫二期加高設(shè)計(jì)的整體方案還是有一定的影響。尾礦庫的干灘控制與監(jiān)測(cè)、水邊線、庫水位等都需要綜合主壩與副壩統(tǒng)籌考慮，排洪設(shè)施與回水設(shè)施的布置也要綜合考慮主壩干灘與副壩干灘長(zhǎng)度，保證洪水期間的主壩及副壩都留有足夠的最小干灘長(zhǎng)度及最小安全超高。實(shí)際運(yùn)行中要求主壩副壩統(tǒng)一排放，分散放礦，均勻上升，保證壩前粗顆粒尾砂沉積，細(xì)粒尾砂流向庫內(nèi)水域，控制庫內(nèi)水位低于灘頂標(biāo)高6.5m，主壩汛前控制干灘長(zhǎng)度為650m，副壩汛前控制干灘長(zhǎng)度為420m，由于副壩距離排洪設(shè)施更近，反而副壩處汛期的最小干灘長(zhǎng)度及最小安全超高成為整個(gè)尾礦庫的控制條件。

6 結(jié)語

對(duì)于尾礦庫而言，副壩的結(jié)構(gòu)形式較主壩更為多樣，需要做的工作也更多，特別是對(duì)于山體工程地質(zhì)條件差、副壩較高的尾礦庫，副壩的結(jié)構(gòu)形式需要綜合多方面的因素確定。尾礦庫副壩采用尾礦堆筑也是一種非常有效的方法，非常適合山體薄、工程地質(zhì)差的情況，穩(wěn)定性有保障，且投資小，與主壩的堆筑方式一致，不增加操作及管理的難度，但尾礦堆筑副壩有最小干灘長(zhǎng)度及最小安全超高的限制，會(huì)對(duì)尾礦庫的排洪設(shè)施及回水設(shè)施的布置、輸送及排放方案帶來一定影響，需要統(tǒng)籌兼顧。

[參考文獻(xiàn)]

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