某金礦初期壩與堆積壩體穩定性計算與分析

趙云剛 許德鮮 文 君

0 引言

尾礦壩(庫)是用來存放選礦或有用礦物提取后剩余的排棄物,即尾礦,是選礦生產設施重要組成部分。尾礦壩能否安全穩定運行,對選廠生產起著至關重要的作用,同時尾礦壩又是一個重大的危險源。因此,準確評價尾礦壩的穩定性是防止尾礦失穩潰壩、威脅人民生命財產安全的前提,并為最終的防治提供依據,也是確保尾礦安全運行的必要條件。

1 尾礦壩現狀特點分析

1.1 初期壩現狀條件

因初期壩當初未按1990年設計的壩坡施工,人為縮小了壩體斷面。原設計迎水坡比 1∶1.75和 1∶2,而實際為1∶1和1∶1.75;原設計背水坡比為 1∶1.5 和 1∶1.2,而實際為 1∶1 和 1∶2。背水坡馬道以上坡比由原設計的1∶1.1削減為1∶1,壩體縱向減小3.5 m。此外,壩體碾壓不實、尾礦堆積坡比過大等不利因素也是導致壩體局部不穩的主要原因。

技改加固后初期壩現狀：1)壩前增設反壓,把壩下涵洞延長25 m,采用鋼筋混凝土澆筑拱涵。2)削緩壩坡,使堆積坡比為1∶6,子壩平均坡比 1∶7.2。3)加固后的初期壩外坡坡比 1∶3,內坡比1∶1.75和1∶2.0,壩頂寬4.5 m。并在初期壩頂修筑一橫向混凝土擋墻,墻高80 cm,高出出溢點30 cm。4)完善初期壩壩肩截水溝為混凝土澆筑構成,結構完好,溝內通暢。

至2007年年初,東溝尾礦壩堆積高程為1 409.30 m,已超過最后一次技改設計最終堆積高度19.30 m,壩總高達61.85 m,屬Ⅲ等庫。

1.2 堆積壩現狀條件

1)壩體結構：經勘察實測坡比(連同馬道寬度計算)1∶7.2＜1∶6(設計坡比),則是安全的。

2)堆積壩土的工程性質沉積規律：根據勘察成果,從工程地質剖面圖上可直觀顯示出尾礦堆積層的分布呈現外粗內細、上粗下細的分選沉積規律。

3)土的均勻性：尾礦土在沉積過程中近水平層狀,其中尾粉砂中夾有薄層尾細砂或多層微層狀尾粉土或尾粉質黏土;其下的尾粉土和尾粉質黏土層則分布較均勻。

4)土的滲透性：尾礦土的滲透性是最為復雜和難以確定的參數,根據實測現場注水試驗和室內滲透試驗,結合場地尾礦土的工程條件及浸潤線位置,計算過程中推薦采用初期壩為0.08 m/d,尾粉砂層滲透系數K=0.17 m/d。

5)壩體浸潤線位于尾粉砂層中上部,在壩頂一般埋深0.50 m～7.20 m;在子壩外坡地段一般埋深2.30 m～11.10 m。但在初期壩頂部后緣處明顯可見浸潤線出溢點。在1 385 m高程外坡地段,浸潤線埋藏淺。在1999年雨季期曾出現過浸潤線出溢和壩坡坍塌的險情。

2 穩定性評價

2.1 穩定性分析評價分析方法

本文綜合利用了極限平衡法、有限元分析法兩種方法。極限平衡法原理簡單,實用性強,能夠直接得到壩體穩定性的定量結果,應用較廣;有限元法是通過建立數學模型,選擇適合材料的本構關系來求解壩體在各種荷載作用的應力應變,然后按照一定的準則,判斷并給出壩體的穩定性,優點是能夠較好地考慮各種復雜地質條件,并能夠得到壩體實際的應力及位移情況,近年來得到大力發展。

2.2 極限平衡法穩定性計算與分析

本文在利用極限平衡法進行計算分析時,在數值選取中充分考慮到工程類比之經驗結果。穩定性計算圖解和計算式如下(見圖1)：

當應用總應力法時,總應力法宜以水土組合體為研究對象,水和顆粒之間的相互作用力為內力,只需考慮條塊邊界上的力,主要受到垂直于邊界面的水壓力：

1)計算壩高確定。本勘察計算現狀壩高61.85 m(高程1 409.30 m)和擬定后的擴容壩高71.85 m(高程1 419.30 m)。

2)計算工況和最小安全系數。計算工況和最小安全系數見表1。

3)計算方法與荷載組合。

計算方法與荷載組合見表2。

表1 計算工況和最小安全系數

表2 計算方法與荷載組合

4)計算參數取值。采用總應力法分析計算時,考慮地震影響的特殊工況及洪水和正常運行工況,計算參數見表3。

表3 總應力法礦渣及堆石初期壩計算取值

5)計算剖面的選取。選擇典型的、有代表性的工程地質縱剖面(沿可能破壞的軸心方向)為計算剖面。穩定性計算采用基于極限平衡理論的傳遞系數法進行。

6)計算成果及評價。通過對礦渣及堆石初期壩進行穩定性的計算,并對結果進行統計、歸納、分析,其成果及評價見表4。

表4 礦渣及堆石初期壩計算成果表

2.3 尾礦壩滲流有限元計算與分析

1)計算剖面、計算工況和計算參數選取同上。

2)不同工況計算簡圖。

a.正常運行工況(壩高1 409.3高程)的滲流有限元計算評價：計算剖面簡圖見圖2(計算過程從略)。

b.洪水運行工況(壩高1409.3高程)的滲流有限元計算評價：

計算剖面簡圖見圖3(計算過程從略)。

3)計算結果及評價。滲流有限元計算結果及評價見表5。

表5 滲流有限元計算結果及評價

3 治理措施及建議

3.1 初期壩整治建議

1)增加初期壩高度,高出1 360.59 m浸潤線溢出點一定高度,讓溢出點低于初期壩頂;加寬初期壩頂寬度,并采取措施降低浸潤線。

2)做好初期壩的動態管理和監測工作,避免初期壩的再次鼓脹造成事故。

3)根據上述監測結果,必要時應采取加固措施。

3.2 堆積壩整治建議

1)建議進一步做好土石覆蓋和植樹、種草護坡工程,尤其是1 401 m～1 409 m高程地段。

2)建議對上述滲流計算結果1 380.0 m和1 386.7 m處進行浸潤線觀測、監測,采取動態管理,以防止浸潤線溢出造成事故。

3)建議在壩坡馬道較寬地段削緩上游陡坡填緩馬道后部,防止浸潤線出溢,并做好坡面土石覆蓋和種草植樹等護坡工作。

4)增設壩坡體浸潤線觀測裝置和壩體變形監測裝置,跟蹤監測以掌握壩體變形態勢。

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