尾礦壩陡斜邊坡壩基處理技術研究與應用

崔鐵，張兆仁，修德江

（鞍鋼集團礦業設計研究院有限公司，遼寧 鞍山114004）

隨著礦山生產規模的不斷擴大，所產生的尾礦數量越來越多，尾礦壩工程數量不斷增加，壩體高度也在增加，庫容量不斷加大，保證壩體穩固安全顯得越發重要［1］。一旦發生潰壩事故，不僅會造成經濟損失，還可能造成人員傷亡甚至生態災害［2］。分析國內外眾多尾礦壩潰壩事例，得出潰壩的一個重要原因是沒有對山體斜坡進行良好的處理，導致壩體失穩。為了提高壩體的穩定性，防止滑坡潰壩，對于一些坐落在比較陡峭的山體上的壩體，往往需要采取抗滑穩定處理措施，如鋼筋樁、鋼管樁、抗剪洞等，而對于一些漿砌石壩或碾壓式土石壩，通常在壩體處于山肩部位做一條剪力溝，起到防止壩肩滑移和止水的作用。但是以上措施只是在壩體某些部位起到防止滑移作用，雖然有效，但投資較高，且沒有針對陡斜坡壩基從根本上解決壩體沿著斜坡滑移的問題。本文針對壩體沿斜坡滑移的問題，提出了尾礦壩地基的處理方法并應用于實踐中，效果較好。

1 齒槽加固尾礦壩地基方法

1.1 壩體受力分析

壩體可縱向或橫向截面處于較陡峭山體上。為了便于分析，以橫向處于斜面為例對壩體進行剖切分析，得出整個壩體在與所處山體的各個接觸點處都有下滑趨勢。將整個壩體視為由若干個單元體組成，并將其抽象為力學模型進行受力分析。山體斜坡受力分析如圖1所示。A為壩體與山體接觸面上任意取出的一個單元體，在斜面所在的平面受到兩個力，分別為滑動力f與抗滑力F。滑動力f是壩體所受重力的分力，抗滑力F即壩體與山體之間的摩擦力。當滑動力f小于或等于抗滑力F時，壩體處于靜止狀態；當壩體受其它外力作用影響時，例如地震力、附近的爆破作業、壩體上部的機械作業等，所產生的側向力會使滑動力f加大；而當壩體A各個部位所受到的外力的合力大于壩體極限摩擦力，即滑動力f大于抗滑力F時，壩體A將產生滑移。

圖1 山體斜坡受力分析圖

1.2 力學模型分析

當壩體斜坡沒有受到其它外力時，壩體所受滑動力的合力為各個接觸面上的單元體的滑動力之和，即式中，n為單元體個數；f總為壩體所受滑動力的合力，N；fi為第i個單元體所受滑動力，N。

由受力分析圖可知，壩體第i個單元體的滑動力fi計算公式為式中，αi為第 i個單元體所處斜坡的坡度，°；Gi為第i個單元體所受重力，N。

為了消除重力引起的滑動力，需使fi=0，由于Gi不為 0，則必須令 sinαi=0，即 αi=0°。 由于整個壩體是由若干個單元體組成，當任意單元體處于平面的滑動力fi均為0時，即每個單元體所處斜坡的坡度αi為0°時，整個壩體的滑動力f總為0。

1.3 壩體抗滑齒槽修整方法

根據壩體受力分析和力學模型分析結果，提出壩體抗滑齒槽修整方法［3］，即將所處斜坡坡度大于0°的部位進行齒槽修整，保證局部滑動抗滑阻力相同，同時為保證齒槽本身局部穩定，齒槽高度為2 m，寬度為2 m［4］。首先，將原有地基全風化層全部挖除，將地基挖至強風化層表面，采用水準儀對壩體底部地表放線，進行網格線分格，并標高測量。測量時縱橫間距各為5 m，并記錄測量情況。然后，比較各個測量點之間的高度差，并計算角度。此種方法對各種山體走勢都適用，且簡單、快捷、易行，成本低。具體修整方法如下：

（1）采用挖溝機及液壓鎬對山體進行切挖，將坡形山體挖成一段一段的直角臺階，使壩體由原來的坐在斜坡上改為分解后的坐在各個平面上，即消除壩體自重產生的滑動力。山體直角齒槽修整后受力如圖2所示，可以看出，修整后壩體所受到的外力只有重力G和支撐力N，內部的滑動力f和抗滑力F相互抵消達到平衡，即通過做直角齒槽修整可以使壩體內部不再有滑坡的趨勢。

（2）齒槽修整方向與山體走勢相同。

圖2 山體直角齒槽修整后受力圖

2 應用實踐

2.1 工程概況

鞍鋼齊選廠風水溝尾礦庫7號副壩全長242 m，壩體頂部寬度為10 m，底部寬度為40～50 m左右不等，壩體設計全部為漿砌石壩，總工程量約為80 000 m3。壩體頂部和壩體最底部高度差為31 m（壩體底部強風化層深度不同，各處底部深度不同），因地理位置所限，壩體只能建在山坡上。經查閱有關資料，該壩體自然安息角為40～45°。由于該山坡地勢較陡，壩體下游大部分處在40°左右山體上，個別地段達到45°以上，超過自然安息角范圍，如果不采取措施，將無法施工。

2.2 工程分析計算

根據《砌石壩設計規范》，壩體抗滑穩定安全系數［5］的計算公式如下：

式中，K為抗滑穩定安全系數；f為滑裂面上的摩擦系數；ΣW為作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑裂面的法向分值，ΣP為作用于計算截面以上壩體的全部荷載對滑裂面的切向分值。

由《尾礦設施設計規范》可知，該壩為二級尾礦壩，壩坡抗滑穩定的安全系數應不小于1.25［6］。經計算，該壩體抗滑穩定安全系數為1.22，不能滿足規范要求，如果不采取措施，一方面，壩體交付使用后，尾礦液體側壓力將與壩體滑動力疊加，造成壩體沿山體下滑；另一方面，在發生地震的情況下，地震力將與該下滑內力及尾礦液體側壓力疊加，導致該段發生下滑，最終帶動其他部位下滑，從而引起整個壩體潰壩。

2.3 齒槽修整實施

對該壩體采取齒槽修整措施。首先，采用挖溝機將山體上的山皮土挖除，露出強風化巖石表層；然后，計算該尾礦壩落在該山體的總高，結合設計及現場實際高度情況，測量得出壩體底部至頂部的垂直距離為30 m，水平距離為30 m，則該段山體坡度為45°。將該段山體分為15個直角齒槽，即分別將山體底邊30 m及山體高度30 m進行15等分，則每段齒槽兩個直角邊長皆為2 m，滿足施工機械作業要求 （施工作業的設備挖溝機車體寬度為1.6 m，保證車體兩側最小安全邊距0.2 m，即1.6+2×0.2=2 m）。其示意圖詳見圖2。

修成直角后，壩體所處山坡的坡角αi均為0°,則每一段直角齒槽的滑動力為fi=sinαi×Gi=0，與壩體重力G無關，因此，f總=∑fi=0，壩體總滑動力為0，壩體處于安全狀態。

經齒槽修整后，重新對壩體進行工程分析計算，得出壩體抗滑穩定安全系數為1.55，滿足尾礦壩的安全和使用要求，大幅度提高了尾礦壩在初始應力狀態下的穩定性系數，保證了尾礦壩體的穩定性。該工程從2013年8月開始施工，于2014年7月竣工并交付使用至今，未發生滑坡潰壩事故，壩體穩定。

3 結論

（1）尾礦壩是礦山企業重要的建設工程之一，它的安全運行在礦山企業整個生產過程中有著非常重要的意義，而尾礦壩安全運行的關鍵是壩體的安全穩定性。

（2）采用齒槽修整方法對尾礦壩地基進行抗滑處理，可以使壩體處在平面上，不存在滑坡趨勢。此方法對各種山體走勢均適用，且簡單、快捷、易行，成本低，對尾礦壩的設計施工提供了理論指導，具有借鑒意義。

（3）將齒槽修整方法應用于鞍鋼齊選廠風水溝尾礦庫7號副壩工程中，使修整后的山體的滑動力均為0，徹底解決了壩體沿斜坡滑移的問題。實踐結果表明，該方法大幅度提高了尾礦壩在初始應力狀態下的穩定性系數，保證了尾礦壩體的穩定性，并使工程順利完成施工并交付使用。