撫順東興礦業(yè)公司呂家堡鐵礦尾礦庫治理分析

喬云航

(1.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013; 2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室東北中心，遼寧 沈陽 110013)

2016年5月20日,原國家安全監(jiān)管總局印發(fā)了《遏制尾礦庫“頭頂庫”重特大事故工作方案》,要求各地區(qū)積極開展“頭頂庫”綜合治理,全面提高“頭頂庫”安全保障能力,確?！邦^頂庫”安全運行。原丹東市安監(jiān)局為了貫徹落實《實施方案》的相關要求,保證頭頂庫安全穩(wěn)定,要求撫順東興礦業(yè)有限公司對其呂家堡鐵礦尾礦庫進行治理,撫順東興礦業(yè)有限公司接到相關要求后立即委托相關具有資質(zhì)的單位進行《撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫隱患綜合治理工程設計》。該尾礦庫是屬于頭頂型尾礦庫,因而對它的治理進行深入的分析對全國的頭頂型尾礦庫的研究具有非常重要的借鑒意義。

1 自然環(huán)境概況

1.1 地形地貌

庫區(qū)地貌類型為低山丘陵地貌,地形呈現(xiàn)西部、南部、東部高,中部為溝谷,北部為溝谷出口沖積扇。溝谷及山坡松散堆積物厚0.5 m～2.0 m,地表植被發(fā)育。

該尾礦庫所在溝谷地勢三東、西、南面環(huán)山,北面筑壩。山谷走向呈南至北地勢逐步降低,谷口向北,屬山谷型尾礦庫。溝谷長約1.53 km,溝谷狹長,呈“V”字形。坡度為29.8%,匯水面積為0.592 km2。庫區(qū)海拔標高在313.4 m～645.0 m區(qū)間內(nèi),最大相對高差達到321.6 m。

1.2 氣候與水文條件

尾礦庫所在區(qū)域?qū)俦睖貛О霛駶櫦撅L型大陸氣候,因此該地區(qū)在冬季多西北風,夏季多東南風,溫度變化較為顯著,四季冷暖干濕分明。除此之外,這個地區(qū)年平均氣溫達到5.3 ℃。7月份的時候氣溫達到頂峰,平均氣溫大概為22.9 ℃;1月份的時候氣溫降到最低,平均氣溫大概為-16 ℃。該尾礦庫下游有一條季節(jié)性河流,河內(nèi)有水,但水量較小。該尾礦庫下游沿村級公路向東經(jīng)呂家堡村、王家堡村、黃金堡村,然后偏南向過高速公路G1212和國道G202共約10 km處見渾河。渾河在清原滿族自治縣境內(nèi)長度為83 km。

2 地層巖性特性和場地地震效應

該尾礦庫場地地層主要由素填土(子壩)、尾礦堆積物、天然地層組成。對于尾礦堆積物而言,其通過多個部分構成,比較主要的包括尾細砂、尾粉砂等,少數(shù)情況下涵蓋尾粉質(zhì)黏土和尾粉土薄層。堆積層下部屬于天然地層,其一般通過強風化花崗巖構成。

結(jié)合壩高和庫容進行分析,按照《構筑物抗震設計規(guī)范》[1]提出的要求,該尾礦壩抗震等級應界定為四級;對于尾礦壩部分而言,其所在區(qū)域應劃分為抗震一般地段,相應的場地類型屬于Ⅱ類。

3 尾礦庫現(xiàn)狀

撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫位于撫順市清原滿族自治縣南口前鎮(zhèn)呂家堡村。該尾礦庫隸屬于撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦,屬正常運行尾礦庫,但自2012年企業(yè)由于受市場影響,尾礦庫內(nèi)未按年限規(guī)劃堆存尾礦,截止目前一直處于停用狀態(tài)。

結(jié)合實際勘測的結(jié)果,我們可以判斷該庫為山谷形尾礦庫,相應的尾礦類型為鐵礦尾礦。這個尾礦庫對應的壩高達到49 m,壩體本部分的平均坡比為1∶2.14,除此之外,其實際庫容達到37萬m3,按照《尾礦設施設計規(guī)范》[2]的要求,該庫應劃分為Ⅳ等庫。

4 工程治理原則及措施

按照尾礦庫《尾礦堆積壩巖土工程技術規(guī)范》[3]等有關資料,結(jié)合現(xiàn)場踏勘的實際情況,消除尾礦庫安全隱患,在保證尾礦庫安全的情況下增設適當安全環(huán)保設施。在滿足生產(chǎn)需要的同時,以盡量節(jié)省投資為原則,充分體現(xiàn)工程與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一,適應可持續(xù)發(fā)展原則。

根據(jù)現(xiàn)場勘測,該尾礦庫堆積壩體平均外坡比1∶1.88,最大可達1∶1.28,坡度較陡,且按照《撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析巖土工程勘察報告書》(沈陽建材地質(zhì)工程勘察院有限公司,2017年12月),該尾礦庫現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性為:“在正常運行時,壩坡抗滑最小安全系數(shù)為1.16;洪水運行時,壩坡抗滑對應的最小安全系數(shù)達到1.14;特殊運行時,壩坡抗滑對應的最小安全系數(shù)達到1.10。”可見該尾礦庫現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性安全儲備較小,為了提升該“頭頂庫”尾礦庫壩體的穩(wěn)定性,本設計對其堆積壩體進行削方壓坡,同時設置壩坡面排水溝和客土綠化,以水土保持。

4.1 設計參數(shù)選取及計算

滲流計算:

瑞典圓弧法抗滑穩(wěn)定性計算:

先假設條塊間的作用力并未對法向應力分布產(chǎn)生任何影響,在這種情況下各部分垂直條塊承受的力具體參考圖4.4-1,則FS可計算如下:

其中，i為第i條塊;r為圓弧半徑;Ui為孔隙水壓力;Wi為條塊重量;Qi為水平向地震慣性力;Q/i為垂向地震慣性力;Mc為力矩之和;Li為條塊底部長度;ci,φi分別為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。如果忽略地震所造成的影響,Qi,Q/i,Mc均等于0。

計算模型的確定:

對于該尾礦庫整治后終期壩體,以其工勘報告中提供的主軸剖面為基礎,參照初步設計中尾礦庫尾礦堆積壩體的堆筑方式,同時考慮尾礦自然沉積規(guī)律,對剖面實現(xiàn)延伸,以此構建標準化的仿真模型(見圖1，圖2)。

壩體正常運行條件下穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1。

表1 壩體正常運行條件下穩(wěn)定性計算結(jié)果

洪水計算：

1)洪水計算參數(shù)的確定。

依據(jù)遼寧省水文手冊(1998年版),撫順東興礦業(yè)有限公司呂家堡鐵礦尾礦庫處于Ⅲ5水文分區(qū),水文參數(shù)如下:

參考常規(guī)地形圖,各項主要參數(shù)具體如表2所示。

表2 不同匯水區(qū)各使用期其他水文計算參數(shù)

2)洪峰流量的計算。

結(jié)合《遼寧省水文手冊》進行分析,洪峰流量可通過下述式子進行明確:

對于匯水面積小于0.1 km2的特小排水區(qū)域,直接用上述推理公式遼寧法計算有較大誤差,本設計對于庫內(nèi)及溢洪道東側(cè)匯水區(qū)洪峰流量計算采用下式計算。

Qp=0.278(Sp-1)F，

其中，Qp為設計洪峰流量;Sp為設計頻率的雨力;F為匯水面積。

3)洪水總量計算。

設計洪水總量按下列公式計算:

W(三-24)p=0.1×α(三-24)p×(p三p面-p24p面)×F。

W24p=W三p-W(三-24)p。

其中，W三p,W(三-24)p,W24p分別為頻率不盡相同的設計三日洪量、前鋒洪量和主峰洪量;p三p面,p24p面為三日、24 h設計面暴雨量;F為匯水面積。

4)洪水過程線的計算。

結(jié)合手冊進行分析,假如洪水過程線形狀系數(shù)rp未超過0.05,則主要以Qp為高,并將Tt作為其總歷時,W調(diào)P作為其面積。假如rp超過0.05,則此時洪水過程線主要參考手冊內(nèi)容。

洪水過程線形狀系數(shù):

其中，Qp為洪峰流量,m3/s;W24P為24 h洪水總量;T為主峰洪水歷時,此時主峰洪水歷時T=51 h。

對于該尾礦庫,各匯水區(qū)域各頻率下洪水過程線形狀系數(shù)均小于0.05。那么此庫主要將T作為簡化三角形過程線,將Qp作為流量極大值,W調(diào)P作為調(diào)洪的洪量,則:

W調(diào)p=0.67W24+0.12Qp·τ，

洪水計算結(jié)果見表3，表4。

表3 各匯水區(qū)200 a一遇洪峰流量及洪水總量計算結(jié)果

表4 尾礦庫截洪壩上游匯水區(qū)洪水過程線

調(diào)洪演算:

對于截洪壩上游匯水區(qū)域,由于壩前調(diào)洪庫容極小,不對其進行調(diào)洪計算。而溢洪道東側(cè)匯水區(qū)匯水直接入溢洪道排出庫外,無須進行調(diào)洪。本設計僅對庫內(nèi)匯水區(qū)域在現(xiàn)狀壩頂標高和終期壩頂標高條件下分別進行調(diào)洪計算。

該尾礦庫各頻率下洪水過程線形狀系數(shù)均小于0.05,依據(jù)遼寧省水文手冊(1998年版),可以將洪水過程線概化為三角形過程線。對于洪水過程線可概化為三角形,且排水過程線可近似為直線的簡單情況,其調(diào)洪庫容和泄流量之間的關系可按以下公式確定。算出不同壩頂標高在0.2%洪水頻率下洪水總量(萬m3),代入公式即可進行調(diào)洪。

q=Qp(1-Vt/Wp)。

其中，q為所需排水構筑物的泄流量,m3/s;Qp為設計頻率的洪峰流量,m3/s;WP為設計頻率為P的一次洪水總量,m3;Vt為某壩頂標高時的調(diào)洪庫容,m3。

則該尾礦庫各堆積標高調(diào)洪計算結(jié)果(沉積灘坡比按1.0%計)如表5所示。

表5 尾礦庫調(diào)洪計算結(jié)果

結(jié)合上述分析我們能夠發(fā)現(xiàn),在通過規(guī)范化的整治工作之后,壩體在各類條件下最小穩(wěn)定性系數(shù)都超過規(guī)范提出的最小安全系數(shù),因此其具有良好的穩(wěn)定性。

4.2 治理措施

4.2.1 壩坡削方及坡腳壓覆

為了放緩邊坡坡度,保持壩體穩(wěn)定,對現(xiàn)狀堆積壩體進行削坡,每級子壩削坡后坡比為1∶2,子壩間留設平臺,其中一級子壩與二級子壩間平臺寬3 m,二級子壩與三級子壩間平臺寬4 m。整治后壩體向庫內(nèi)平移5 m形成臺階,然后堆筑壩體高度至設計最終高度(設計總壩高55 m)。削方尾礦可以用來堆筑后期子壩,后期子壩堆筑高度6 m,內(nèi)坡比可選1∶2,外坡比1∶3,壩頂寬度不小于5 m。對于該尾礦庫內(nèi)東側(cè)沿溢洪道走向子壩(副壩)外坡比為1∶2,且堆筑時應碾壓密實,要求碾壓后相對密實度不低于0.70。削坡整治后,壩體總平均坡比為1∶2.5。為了充分保證壩體穩(wěn)定,增加坡腳壓重,對削坡后壩體進行壓坡腳,由地面坡腳壓覆至一級尾礦堆積子壩頂,由坡腳向上15 m高度處堆設一平臺,平臺寬度為2 m,一級堆積子壩頂壓覆平臺寬5.3 m,壓覆體外坡比1∶2,對壓覆后壩坡面進行平整,以便于坡面防護。

4.2.2 壩坡排水溝

為了保證坡面有序排水,避免水流沖刷,本次設計在整治后的尾礦堆積壩坡平臺內(nèi)側(cè)設置排水溝,壩間平臺坡向內(nèi)側(cè),坡比0.01。排水溝斷面主要表現(xiàn)為矩形,相應的斷面規(guī)格為:B×H=500 mm×500 mm,壁厚300 mm,底板厚300 mm,M10水泥砂漿漿砌石結(jié)構,塊石強度MU30,此時我們可以通過M10水泥砂漿勾縫,在處理的過程中主要采用平縫。排水溝沿壩坡走向與左右壩肩排水溝相接,排水溝溝底坡比不小于0.01。

4.2.3 坡面防護

本設計對采用選礦廢石坡體壓覆部位進行干砌片石防護,砌石厚度400 mm,需要干砌片石方量為1 515 m3。干砌片石護坡應自下而上逐排砌筑,厚度均勻,砌體片石應互相搭疊錯縫,間隙塞滿,表面平整。對于尾礦堆積壩坡面,為了保護坡面,避免揚塵,同時避免受到水流沖刷形成沖溝,造成水土流失,本治理設計對整治后后期堆積壩坡面采用客土植被防護。

4.2.4 截洪壩改造

改造截洪壩采用碾壓式土石壩,筑壩材料可采用碎石土料,在通過一系列改造之后,壩頂標高達到374 m,總壩高6 m,壩頂寬5 m,設計內(nèi)、外坡比1∶2,其中外坡于現(xiàn)狀壩頂標高370 m處向庫內(nèi)平移1 m留作平臺,堆筑壩長72 m。

5 結(jié)語

該工程是關系到當?shù)叵掠未迕裆敭a(chǎn)安全的重要工作,得到地方各級政府和人民群眾的廣泛積極支持。尾礦庫屬于礦山安全領域的最重要分支,而頭頂庫又屬于尾礦庫中最危險的,通過本次工程的實施,對于遼東地區(qū)其他的尾礦庫治理帶來了重要的借鑒意義,其社會效益、環(huán)境效益遠遠大于經(jīng)濟效益。