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。尾礦壩設(shè)計及研究的重點通常都集中于主壩，因其壩高相對較高，占地面積大，建設(shè)時間長，輔助設(shè)施多(排放設(shè)施、排滲設(shè)施、監(jiān)測設(shè)施)。主壩壩高是確定尾礦庫等別的重要依據(jù)，進而影響到防洪標(biāo)準、最小干灘長度、最小安全超高等控制標(biāo)準的確定，是尾礦庫整體方案的基礎(chǔ)。

對于一些地形比較復(fù)雜的尾礦庫，埡口較多，需要修建副壩使尾礦庫庫區(qū)形成封閉以達到設(shè)計所需要的庫容，此時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)形式對尾礦庫整體方案的影響也不同。對于一些地質(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)系到整個山體的穩(wěn)定性，大大增加了尾礦庫的設(shè)計難度。

2 尾礦庫概況

國內(nèi)某大型礦山的尾礦庫原設(shè)計淹沒標(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號埡口標(biāo)高最低，長度最長。原設(shè)計尾礦庫淹沒標(biāo)高1 300m時， 2號埡口需要修建副壩，當(dāng)二期工程加高至1 330m時，1號～5號全部5個埡口都需要修建副壩。由于2號埡口處山體最薄、擬建副壩的壩高最高、壩軸線最長，一期工程及二期工程都要涉及，因此2號埡口副壩的方案是研究的重點，也是其他副壩研究工作的基礎(chǔ)，2號埡口副壩的形式?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號埡口處的副壩方案進行闡述。

圖1 埡口分布平面圖

埡口1號2號3號4號5號鞍部最低標(biāo)高/m13031285132713131321長度/m1113720810

3 工程地質(zhì)情況

在一期工程運行后期，重新對2號埡口補充工程地質(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)造運動，壩址處巖層受擠壓嚴重，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～中等風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r，水文地質(zhì)條件簡單～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、取樣等均異常困難，充分體現(xiàn)出“硬、脆、碎”的特點。中等風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r飽和抗壓強度標(biāo)準值為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)育特點和破碎程度，工程地質(zhì)性能較差。

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

4 副壩方案

4.1 方案比選

原設(shè)計2號埡口處副壩有兩種方案，當(dāng)時對應(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。同時采用帷幕灌漿降低揚壓力并減少向庫外滲漏。穩(wěn)定性計算結(jié)果為壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.1，壩址處抗壓強度0.54MPa，壩踵處抗壓強度0.046MPa，均符合規(guī)范要求。

方案一的優(yōu)點在于一次性建壩，相當(dāng)于抬高山體，運行管理方便，副壩不受干灘長度的限制，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(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，不均勻沉降會導(dǎo)致壩基失穩(wěn)。如采用其他方式堆壩，會在現(xiàn)有漿砌石重力壩壩頂上加荷載30m，穩(wěn)定性計算結(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行計算，壩坡抗滑穩(wěn)定性的安全系數(shù)0.98，不滿足規(guī)范要求。

修建副壩對于東梁山體主要的影響有下列兩項，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現(xiàn)有山體，在保證東梁山體自身穩(wěn)定的前提下進行副壩加高，首先通過基礎(chǔ)灌漿加固山體，為修建副壩提供堅實的基礎(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)點在于不擾動現(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)濟有效，運行管理也較為簡單。二期工程壩頂加高至1 330m時，將副壩壩體與東梁山體整體建模并進行穩(wěn)定性分析，計算方法采用瑞典圓弧法，計算結(jié)果見表2，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。方案二的缺點是副壩也是尾礦壩，受到干灘長度的限制，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度，且需要對尾礦輸送設(shè)施、排放設(shè)施進行改造，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，同時通過調(diào)整副壩壩軸線，避開1號、3號、4號和5號埡口，將5個副壩減為一個副壩。通過調(diào)整尾礦排礦方式，最終將整個尾礦主、副壩壩頂連為一體。

為將副壩對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、埡口平臺處理、上游式筑壩工藝加高3個部分，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為：固結(jié)灌漿—帷幕灌漿—埡口處拋石擠淤—分散放礦—平整場地—平臺護底—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風(fēng)化巖石，提高整體強度并為修建副壩提供堅實的基礎(chǔ)；帷幕灌漿的主要作用是延長滲徑，降低東梁山體內(nèi)部的浸潤線，減輕山體滲透壓力，同時也減輕副壩修建后由于浸潤線上升對于東梁現(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不透水層，灌漿深度為10～26m。

埡口平臺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粒尾砂進行置換。同時對尾礦輸送及排放設(shè)施進行改造，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)進行平整場地以及平臺護底施工，包括開挖現(xiàn)有路面表層以及部分區(qū)域回填，平整場地后路面標(biāo)高為1 286m。平臺護底作業(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、干砌塊石護底等工作，最終平臺頂標(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。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級子壩。每級子壩之間設(shè)置4m平臺，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，最終由壩底平臺排水溝排至山體外側(cè)。排滲設(shè)施為集水井，在1 287m平臺處設(shè)置，井內(nèi)布置自吸泵，將滲水收集并揚送至庫內(nèi)。堆積壩形成后，根據(jù)實測浸潤線的情況適時增設(shè)輻射井。

5 需要注意的問題

副壩采用尾礦堆筑，對尾礦庫二期加高設(shè)計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、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度，保證洪水期間的主壩及副壩都留有足夠的最小干灘長度及最小安全超高。實際運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度為650m，副壩汛前控制干灘長度為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度及最小安全超高成為整個尾礦庫的控制條件。

6 結(jié)語

對于尾礦庫而言，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度及最小安全超高的限制，會對尾礦庫的排洪設(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]

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