胡祥群,岑 建,楊國(guó)棟(.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京00038;.中條山有色金屬集團(tuán)有限公司,山西 垣曲043700)

1 前言

近年來,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們生活和文化水平的提高,國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色礦山,人們環(huán)保意識(shí)日漸加強(qiáng),礦山行業(yè)各種政策越來越嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范,新建尾礦庫(kù)周期越來越長(zhǎng),因此對(duì)老庫(kù)實(shí)施加高擴(kuò)容的案例越來越多,這樣能大量地節(jié)約用地,減少環(huán)境污染源,投資和運(yùn)行成本也大大減少。

尾礦庫(kù)作為礦山配套的安全和環(huán)保設(shè)施,其安全性與人民生命財(cái)產(chǎn)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境息息相關(guān),其中排洪系統(tǒng)的安全問題是尾礦庫(kù)的重要關(guān)注點(diǎn)。一般,匯水面積較大的尾礦庫(kù)常常在上游設(shè)攔排洪系統(tǒng),該系統(tǒng)能起到減少尾礦庫(kù)入庫(kù)水量,降低尾礦庫(kù)防洪壓力的作用。上游攔排洪系統(tǒng)常常包括上游攔水壩和溢洪道。對(duì)此類尾礦庫(kù)實(shí)施加高擴(kuò)容,需要將上游攔水壩同步加高,出于其在尾礦庫(kù)分洪任務(wù)中發(fā)揮了很大的作用,因此如何對(duì)其進(jìn)行既安全又經(jīng)濟(jì)合理的加高顯得尤為重要。

2 工程概況

山西銅礦某尾礦庫(kù)為典型的截河型尾礦庫(kù),由尾礦壩、攔洪壩和兩側(cè)山體圍成,于1972年投入使用。為了降低尾礦庫(kù)防洪壓力,設(shè)有上游攔排洪系統(tǒng),由攔水壩和溢洪道組成,將上游54.60km2匯水面積的雨水?dāng)r截后經(jīng)溢洪道排走,尾礦庫(kù)匯水面積僅剩下約6.65km2,由此可見,上游攔排洪設(shè)施發(fā)揮了很大的分洪作用,從本質(zhì)上提升了尾礦庫(kù)的安全度。該庫(kù)原設(shè)計(jì)使用至570m 標(biāo)高,總壩高84m,總庫(kù)容1.25 億m3,屬二等庫(kù)。為解決礦山持續(xù)生產(chǎn)的排尾問題,2014年對(duì)該庫(kù)進(jìn)行了加高擴(kuò)容設(shè)計(jì),增加庫(kù)容約5 040 萬m3,總庫(kù)容達(dá)1.754 億m3,總壩高達(dá)99m,仍屬二等庫(kù)。加高擴(kuò)容工程中包括對(duì)上游攔水壩進(jìn)行相應(yīng)的加高。

原設(shè)計(jì)上游攔洪壩為均質(zhì)土壩,壩頂標(biāo)高為575m,壩高約24m。由于上游攔水壩位于尾礦庫(kù)庫(kù)尾,距離放礦點(diǎn)距離較遠(yuǎn),因此,壩體附近沉積的尾礦細(xì)顆粒較多,截至2014年,壩附近尾砂淤積標(biāo)高約555m,部分區(qū)域淤積厚度至10m,庫(kù)內(nèi)正常水位約560m,水深約5m。加高前壩頂有一條縣級(jí)公路,尾礦庫(kù)加高工程不宜影響該路通行,且希望能予以保留。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)有大量的廢石可供使用,希望能予以利用。根據(jù)前述需求,上游攔水壩加高采用下游法,壩型為斜墻土石壩。由于加高壩體位于尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi),壩基坐落在尾礦細(xì)粒層上,針對(duì)這一典型的軟弱地基上的土石壩加高工程,設(shè)計(jì)結(jié)合工程勘察,推薦了采用拋石擠淤加強(qiáng)夯置換法對(duì)壩基進(jìn)行處理。通過壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性計(jì)算分析、壩體填筑孔隙度檢測(cè)、壩體實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù),驗(yàn)證了加高方案和壩基處理方法的安全性。

3 上游攔水壩加高方案

對(duì)已建攔水壩采用下游法進(jìn)行加高,壩型為斜墻土石壩。加高后壩頂標(biāo)高為585m,總壩高約35m。壩頂寬4m,上游壩坡564.5m 處設(shè)置寬約15m 平臺(tái),平臺(tái)以上邊坡1∶3,平臺(tái)以下邊坡為拋土的自然安息角。下游壩坡1∶1.8。壩體分區(qū):底部為擠淤堆石區(qū)、上游為黏土斜墻區(qū)、中部和下游為堆石區(qū),除此之外,各種材料結(jié)合面設(shè)過渡區(qū)。剖面圖如圖1所示。

圖1 攔水壩加高典型剖面圖

4 拋石擠淤結(jié)合強(qiáng)夯置換法壩基處理

根據(jù)軟土的性質(zhì)和空間分布,一般可通過塑料排水板堆載預(yù)壓、砂樁振沖擠密、強(qiáng)夯置換、拋石擠淤等方法進(jìn)行加固處理[1]。與其他加固方法比較,拋石擠淤法施工方便快捷、工藝簡(jiǎn)單、不用抽水、不用挖淤、施工迅速,特別適用于軟弱地基表面存在大量積水無法排除的區(qū)域。對(duì)施工區(qū)域附近石料豐富的情況,采用拋石擠淤進(jìn)行軟基處理,可以有效節(jié)約施工成本和工期。

對(duì)于拋石擠壓法的有效擠淤深度和適用范圍,有學(xué)者認(rèn)為,一般適用于厚度不大于4m,且表層硬殼被挖除的具有觸變性流塑狀的飽和淤泥或淤泥質(zhì)土處理,對(duì)于5m 以上的深厚淤泥或者淤泥質(zhì)土則還需輔以爆破或者強(qiáng)夯措施[2]。

借鑒填海工程和淤泥地基處理工程經(jīng)驗(yàn)[3-4],上游攔水壩加高壩基處理工藝選用拋石擠淤加強(qiáng)夯置換法。水面以下采用水中拋石,水面以上采用重錘分層夯實(shí),將石料壓入水下尾礦細(xì)粒層,部分細(xì)粒尾礦擠向庫(kù)內(nèi),部分細(xì)粒尾礦擠入石縫中,以實(shí)現(xiàn)壩基置換,加大壩基承載力,減小壩體運(yùn)行過程中的不均勻沉降。

石料要求:水面以下石料巖性為硬質(zhì)巖石,粒徑50～250mm,以避免其遇水后軟化造成壩基過大沉降而危及大壩的安全。

填筑要求:堆石壓實(shí)后孔隙率不大于20%,夯擊能量、夯擊遍數(shù)、鋪設(shè)厚度等應(yīng)在試夯基礎(chǔ)上,根據(jù)堆石料壓實(shí)后檢測(cè)的孔隙率進(jìn)行調(diào)整。

5 壩體滲流和邊坡穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證

5.1 計(jì)算模型

根據(jù)前述加高方案和壩基處理方法,確定壩體與壩基材料分區(qū),建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖2所示。

5.2 邊界條件

圖2 簡(jiǎn)化計(jì)算模型

根據(jù)尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容工程調(diào)洪演算成果、工程勘察地下水資料,確定上游攔水壩上、下游邊界水位。正常工況:上游邊界水位為580.00m,下游邊界水位為558.00m;洪水工程:上游邊界水位為582.50m,下游邊界水位為564.40m。

5.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程勘察和類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定各土層滲流系數(shù)、物理力學(xué)指標(biāo)分別見表1和表2。

表1 各地層材料滲透系數(shù)

表2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

5.4 計(jì)算結(jié)果

采用理正巖土計(jì)算軟件中滲流問題有限元分析計(jì)算程序和邊坡穩(wěn)定分析程序分別進(jìn)行壩體滲流和壩坡穩(wěn)定計(jì)算。滲流計(jì)算包括正常和洪水兩個(gè)工況,由于尾礦庫(kù)地震設(shè)計(jì)烈度為7 度地區(qū),穩(wěn)定計(jì)算包括正常、洪水和地震三個(gè)工況。計(jì)算結(jié)果詳見表3,圖3、圖4和圖5。經(jīng)計(jì)算分析驗(yàn)證,采用斜墻土石壩加高方案對(duì)上游攔水壩實(shí)施加高,浸潤(rùn)線出溢標(biāo)高較低,需做好不同材料結(jié)合面的過渡和反濾設(shè)計(jì)以防滲透破壞,壩坡穩(wěn)定能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 攔水壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

6 工程實(shí)施效果

2014年5月,壩體填筑至564.50m 時(shí),為了進(jìn)一步檢測(cè)堆石區(qū)填筑質(zhì)量,進(jìn)行了孔隙度檢測(cè)試驗(yàn),具體情況見表4。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,當(dāng)時(shí)已強(qiáng)夯結(jié)束的三層壩體所有檢測(cè)點(diǎn)孔隙度均小于20%,滿足設(shè)計(jì)要求。

上游攔水壩加高工程一次性設(shè)計(jì),分兩期施工,第一期加高至575m 標(biāo)高,在壩頂預(yù)留了后續(xù)加高所需平臺(tái),于2014年7月完工,第二期加高至585m標(biāo)高,于2020年6月完工。2014年12月15日—2015年3月5日的位移觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,沉降量3～6mm,壩體加高時(shí)預(yù)留了0.5m 的沉降余量,如沉降按該速度發(fā)展,預(yù)留高度能夠滿足實(shí)際沉降需求。

圖3 攔水壩正常工況浸潤(rùn)線和壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖4 攔水壩洪水工況浸潤(rùn)線和壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖5 攔水壩特殊工況壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表4 孔隙度檢測(cè)成果表

7 結(jié)論

(1)針對(duì)尾礦庫(kù)加高工程中遇到的攔水壩加高問題,結(jié)合建設(shè)條件和當(dāng)?shù)夭牧?選用了斜墻土石壩的下游法加高方案,并通過壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性計(jì)算分析驗(yàn)證了壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)借鑒填海工程和淤泥地基處理工程經(jīng)驗(yàn),將拋石擠淤結(jié)合強(qiáng)夯置換法的軟弱地基處理方法成功的運(yùn)用到了尾礦庫(kù)加高工程中,具有很好的實(shí)際意義。

(3)為了檢測(cè)拋石擠淤結(jié)合強(qiáng)夯置換法的實(shí)施效果,提出了孔隙度檢測(cè)和沉降量觀測(cè)的手段,能夠較好地控制工程質(zhì)量。