某尾礦庫庫尾臨時保通線工程對尾礦庫安全影響論證

曾霄祥，黃廣黎，劉 濤，曹其光，尹清海

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴建項目是國家高速公路網的重要組成部分，是落實長三角一體化發展規劃綱要和長江經濟帶發展規劃綱要的重點項目，同時該路段也是連接安徽省皖江地區與蘇南、上海等東部沿海發達地區的重要通道，對完善區域交通路網、促進沿線經濟社會發展具有重要意義。隨著區域社會經濟發展和交流的不斷增強，原有四車道高速公路標準已不滿足交通發展需求，迫切需要改善交通運輸狀況，提高道路服務水平。根據《安徽省交通運輸“十三五”發展規劃》，寧蕪高速擴容改造已列入“十三五”期間安徽省高速公路擴容改建項目的序列中。G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴建工程全線采用雙向八車道高速公路標準改擴建，為保證施工期間不影響正常交通，局部路段設置了臨時保通線路。根據設計文件，該臨時保通線從安徽省馬鞍山市某尾礦庫庫尾經過，初定方案為在庫尾經過路段進行填方工程，為明確該應急臨時保通線工程從某尾礦庫庫尾經過對尾礦庫的安全影響，需開展臨時保通線工程對尾礦庫安全影響論證工作。

1 尾礦庫概況

臨時保通線路經過尾礦庫是在廢棄的采礦坑基礎上建立的，占地面積約12畝，北、東、西三面為坡地，南側筑壩，東西寬約320m，南北寬約230m，該尾礦庫總庫容為8萬m3，最大總壩高5m，壩體內外坡比均為1：2，屬五等尾礦庫。該庫西側坡地上方為居民區，北側坡地上方為干選廠，東側為馬蕪高速公路（大橋段），南側壩體下游主要為農田。該尾礦庫于2006年底治理整治后直接進行了閉庫，已閉庫約15年。尾礦庫庫區內多為第四系地層覆蓋，自然植被覆蓋率約90%。庫區范圍地勢平坦，灘面植被長勢良好，庫區四周未見滑坡、泥石流等不良地質現象。

2 臨時保通線設計概況

根據設計方案，臨時保通線庫尾施工采用勁性體樁基礎，填筑土方高約8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5。設計工后沉降控制標準為30cm，該段設計工后沉降5cm，墊層厚度0.5m，布置2層正方形土工格柵。

預制混凝土勁性體采用樁徑0.4m，壁厚60mm，混凝土強度等級C60，抗滲等級不應低于S10，最外層的鋼筋混凝土凈保護層厚度不應小于25mm。勁性體施工時先鋪30cm厚碎石墊層，樁體施工完成后，再施工開挖做樁帽，樁帽以上鋪設0.5m碎石墊層。設計圖見圖1和圖2。

圖1 勁性體橫斷面布置圖

圖2 勁性體平面示意圖

3 庫尾填筑路基段與尾礦庫位置關系

尾礦庫庫尾填筑路基設計位置距離尾礦庫西側壩體約300m，距離尾礦庫南側壩體最短距離約200m。尾礦庫與施工路段具體位置關系見圖3和4。

圖3 尾礦庫與施工路段具體位置關系示意圖

圖4 尾礦庫與施工路段位置平面示意圖

4 庫尾施工對尾礦庫壩體穩定性影響分析

根據設計方案，擬在尾礦庫庫尾填筑路基，路基處理具體為尾礦庫庫尾段土方填高約8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5，尾礦庫庫尾施工段占地最長段（道路最西側）約為100m。尾礦庫庫尾填方工程按最大值計算，共填方量約21217m3。

尾礦庫庫尾施工段路基基礎處理采用勁性體樁，預制混凝土勁性體采用樁徑0.4m，壁厚60mm，混凝土強度等級C60，抗滲等級不應低于S10，最外層的鋼筋混凝土凈保護層厚度不應小于25mm。在尾礦庫庫尾段施工用勁性體樁樁長17m，樁底地層為強風化安山巖。設計勁性體樁為正方形，布設間距2.8m，共布設勁性體樁70根。施工時先鋪30cm厚碎石墊層，樁體施工完成后，再施工開挖做樁帽，樁帽以上鋪設0.5m碎石墊層。

根據該尾礦庫庫尾填筑路基工程特點，填方工程會直接增加尾礦庫荷載，樁基礎施工會產生擠土效應，因此需要論證荷載的施加及擠土效應對尾礦庫的影響。

4.1 勁性體群樁產生的擠土效應對尾礦庫安全影響分析

該工程樁基礎處理為群樁，關于群樁產生的擠土效應影響范圍有通過單樁影響疊加計算得到，有通過群樁特點直接計算得到，本次論證分別采用兩種方法求勁性體群樁產生的擠土效應對尾礦庫壩體影響。

（1）預制樁打入地基土中需排開相同體積的土體，在打入過程中樁與土體會產生劇烈的擠壓剪切作用，從而改變土體的應力狀態，在地基土中產生土體位移[1]。通過查閱文獻，有學者[2]根據CSAGASETA匯--源理論[3]對單樁成樁引起的土體位移進行理論求解，得到單樁成樁引起的土體徑向水平位移公式：

式中：d0為樁徑；L0為樁長；x為距樁軸線距離；z為埋深。

并且認為群樁成樁引起的土體水平位移為每根單樁引起的該點位移的線性疊加。

根據公式可知，距離樁軸線越遠，擠土效應造成的土體水平位移越小。故取距離樁軸線最短距離200m處壩體計算對其產生的土體位移。計算壩體表面處水平位移，取z=0，計算得到壩體表面位移為0。壩高為5m，取z=5m，計算壩基處水平位移，疊加后得到s=0.59mm，數值較小，對尾礦庫壩體可忽略。

（2）通過查閱文獻，關于群樁產生的擠土效應對周邊影響范圍的研究包括FLAC-3D數值模擬及基于項目的現場大規模試驗，其中數值模擬結論為群樁施工對土體變形的影響最遠距離約為35m[4]?；谑┕ろ椖康默F場大規模試驗結論為：隨著成樁排數的增多，擠土擾動影響范圍逐漸增大，并趨近于定值，橫向最大影響范圍約為樁徑的88倍，即影響距離x=88d。

該項目采用樁徑0.4m的預制混凝土勁性體，根據試驗公式得到群樁產生的擠土效應對周邊影響距離為35.2m。尾礦庫壩體距離庫尾施工段最短距離200m，大于根據現場試驗得到的影響距離公式計算的35.2m，也大于通過數值模擬得到的影響最遠距離的35m，故此次尾礦庫填筑路基工程擠土效應不會對壩體產生影響，對壩體安全性不產生影響。

4.2 填方工程施加荷載對尾礦庫安全影響分析

根據設計方案，擬在尾礦庫庫尾填筑路基，施工完成后，尾礦庫庫尾段土方填高8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5，尾礦庫庫尾施工段占地最長段（道路最西側）約為100m。

尾礦庫庫尾填方工程按最大值計算，共填方量約21217m3。施工完成后，路基土重度取22KN/m3，假設填筑土方增加荷載全部施加到尾礦庫上，對尾礦庫施加荷載約190.52KN/m2。施加荷載后計算尾礦庫壩體穩定性。

校核計算工況條件及校核標準：一般來說，壩體的穩定性問題主要有三個方面，一是穿過整個壩體穩定性問題；二是沿坡體和地基接觸面的抗滑穩定性；三是穿過邊坡基底的深層抗滑穩定性。根據工程經驗，一般不會形成第二、三種破壞模式。因此，本次分析尾礦庫壩體的抗滑穩定性。

根據以往勘察資料和壩體現狀情況確定本次計算剖面，本次穩定性分析計算采用類似工程經驗數據進行，有關物理力學強度指標設計值選用見下表：

表1 校核計算物理力學指標

該尾礦庫為五等庫，根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863-2013）第4.4.1條規定，利用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法對尾礦壩進行穩定性計算分析。本次計算采用瑞典圓弧法計算，計算選取了一條典型剖面進行計算，計算壩體的穩定性時，其最小安全系數應滿足規范要求。本區基本地震烈度為VI度，根據《水工建筑物抗震設計規范》，可不進行抗震計算。根據規范規定，尾礦壩穩定性計算的荷載，可根據不同運行條件按表2進行組合：

表2 尾礦壩穩定計算的荷載組合

注：1荷載類別1系指運行期正常庫水位時的穩定滲透壓力。

2荷載類別2系指壩體自重。

3荷載類別3系指壩體及壩基中的孔隙水壓力。

4荷載類別4系指設計洪水位時有可能形成的穩定滲透壓力。

5荷載類別5系指地震荷載。

按瑞典圓弧法計算壩坡抗滑穩定的安全系數不應小于表3規定的數值。

表3 壩坡抗滑穩定最小安全系數

施加荷載后，壩體穩定性計算結果見圖5、圖6和表4所示：

圖5 壩體正常運行工況計算結果簡圖

圖6 壩體洪水運行工況計算結果簡圖

表4 填筑路基后尾礦庫壩體穩定性計算結果表

由穩定性計算結果表4可知，庫尾填筑土方增加荷載后，因荷載施加距尾礦庫壩體比較遠，壩體穩定性計算結果沒有改變，安全系數滿足規范要求，且有一定的安全儲備。

5 結論

庫尾施工路段距離尾礦庫壩體最短距離有200m，距離較遠，而樁基礎擠土效應影響距離為35m左右，尾礦庫壩體在其影響范圍之外；通過數值計算，庫尾填方施加荷載對壩體穩定性無影響。故無論是樁基礎的擠土效應還是填方工程直接施加荷載作用均未對尾礦庫壩體穩定性產生影響。