瑯琊山銅礦尾礦壩穩(wěn)定性分析

陳其付

(安徽省瑯琊山礦業(yè)總公司, 安徽滁州市 239011)

瑯琊山銅礦尾礦壩穩(wěn)定性分析

陳其付

(安徽省瑯琊山礦業(yè)總公司, 安徽滁州市 239011)

以瑯琊山銅礦尾礦壩為例,對(duì)堆石尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析,并探討了堆石尾礦壩的安全穩(wěn)定性計(jì)算分析方法。

尾礦庫;堆石砌石壩;破壞模式;穩(wěn)定性計(jì)算

1 概 況

瑯琊山銅礦尾礦庫位于滁州市區(qū)上游,三面環(huán)山,一面臨空,為山谷型庫,總庫容307萬m3,匯水面積0.8km2,現(xiàn)全庫容282萬m3,庫內(nèi)已堆積尾礦200萬m3。尾礦壩設(shè)計(jì)最終壩頂標(biāo)高90m,壩高43.5m,現(xiàn)壩頂標(biāo)高88.50m,壩高42.00m,為堆石砌石不透水型壩。初期壩為堆石砌石壩,后期壩采取分期心墻垂直升高,壩后利用井下出窿廢石隨心墻和庫內(nèi)尾礦堆積而加高加固(見圖1)。尾礦庫為4級(jí)庫,由于位置重要提高一級(jí),按3級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。

圖1 壩體結(jié)構(gòu)

該尾礦庫壩體的安全穩(wěn)定關(guān)系到下游滁州市民的安全,對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析,全面了解壩體安全狀況,發(fā)現(xiàn)壩體存在的隱患和問題,以便及時(shí)采取措施,確保尾礦壩安全運(yùn)行。

2 壩體破壞模式分析

瑯琊山銅礦尾礦壩為堆石砌石不透水型壩,壩體由初期壩、砌石心墻壩及廢石堆壩構(gòu)成,其中,初期壩和心墻壩為中線壩。根據(jù)壩體構(gòu)筑型式,中線壩內(nèi)側(cè)受尾礦和靜水壓力作用,外側(cè)廢石對(duì)壩體起到支撐和反壓作用,而廢石堆壩下的尾礦層及第四紀(jì)土層,相對(duì)廢石和基巖屬于軟弱層,廢石堆壩沿其下軟弱層滑動(dòng),造成廢石堆壩體破壞,使中線壩失去支撐而產(chǎn)生剪切滑動(dòng)破壞。

當(dāng)廢石堆壩保持穩(wěn)定,它對(duì)中線壩體起到強(qiáng)力的支撐和反壓作用,此時(shí)整個(gè)尾礦壩壩體在側(cè)壓力的作用下沿其內(nèi)薄弱層面和壩基層面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。

3 穩(wěn)定性計(jì)算分析

根據(jù)壩體破壞模式的分析,廢石堆壩邊坡穩(wěn)定是壩體穩(wěn)定的關(guān)鍵。穩(wěn)定計(jì)算分析先從廢石堆壩邊坡的穩(wěn)定計(jì)算分析入手,然后對(duì)壩體進(jìn)行力學(xué)分析和穩(wěn)定計(jì)算。

3.1 廢石堆壩壩坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

廢石堆壩下為尾礦層及第四紀(jì)土層,相對(duì)于廢石和基巖而言,堆壩之下屬于軟弱層。根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》推薦,壩邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析采用改良圓弧法。

(1)壩坡滑弧分析。如圖2所示,A、B、C、D為任意滑裂面,其中AB及CD為圓柱面,BC為平面,土體ABB′的滑動(dòng)力Ph和土體DCC′的抗滑力Pk分別作用在BB′和CC′面上,BC面的抗滑力為S。則廢石堆積壩邊坡穩(wěn)定系數(shù)K為:

圖2 改良圓弧法計(jì)算簡圖

(2)選用的各土層物理力學(xué)指標(biāo)。根據(jù)工程勘察及《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2006-2005)附錄中所提供的參數(shù),結(jié)合尾礦壩實(shí)際情況,選取各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

(3)計(jì)算分析。假設(shè)一滑弧ABCD,將滑動(dòng)土體ABB′和抗滑動(dòng)土體BCC′分條,用力的多邊形作圖求Pk和Ph,并求得BC直線抗滑力S,計(jì)算出壩坡穩(wěn)定系數(shù),同理計(jì)算其他滑弧穩(wěn)定系數(shù),從中找出最小安全系數(shù),其結(jié)果見表2。

表2 最小安全系數(shù)

3.2 壩體穩(wěn)定性計(jì)算與分析

廢石堆壩壩坡穩(wěn)定性分析表明,它對(duì)中線壩起到支撐與反壓作用,在計(jì)算壩體穩(wěn)定時(shí),把中線壩和壩后廢石壩視為一個(gè)整體考慮,采用重力壩的原理進(jìn)行分析。

(1)壩體的受力分析。作用在壩體內(nèi)側(cè)的側(cè)壓力有土壓力和水壓力。根據(jù)對(duì)長期觀測(cè)資料的分析,心墻壩水平位移量很小(達(dá)不到0.001H),在沒有發(fā)生位移或位移較小時(shí),作用在壩體內(nèi)側(cè)的側(cè)壓力是靜止土壓力(E0),其合力值為:E0=1/2rH2K0,其中,r為尾礦的天然容重,kN/m3,水位以上采用天然容重,水位以下采用水下容重;H為計(jì)算壩段的高度,K0為靜止土壓力系數(shù),K0=1-sinΦ。水壓力為靜水壓力(Ew),其合力值Ew=1/2rwH2,其中,rw為水的容重,9.8kN/m3。兩力的合力為Ex=E0+Ew,方向水平,而壩體自重G的合力產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力∑N·f與壩體內(nèi)側(cè)的作用力相反,如圖3所示。

(2)庫內(nèi)尾礦分層及物理力學(xué)性能指標(biāo),見表3。根據(jù)《公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》,心墻與初期壩頂?shù)哪Σ料禂?shù)0.5;初期壩與地基之間的摩擦系數(shù)取0.5。

圖3 壩體受力分析

表3 庫內(nèi)尾礦分層及物理力學(xué)性能指標(biāo)

(3)穩(wěn)定性計(jì)算與分析。重力壩主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗(剪)滑力來維持穩(wěn)定。其壩體的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性即抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)(Kc)是作用于壩體的最大可能的抗滑力(∑N·f)與實(shí)際滑動(dòng)力(Ex)之比,即Kc=∑N·f/Ex。根據(jù)該尾礦壩的特點(diǎn),心墻壩與初期壩頂?shù)慕佑|面是壩體斷面突變、應(yīng)力集中部位,對(duì)整個(gè)壩體而言,該接觸面為薄弱層面,而壩與基巖的接觸面抗剪強(qiáng)度較低,水平合力較大。壩體在側(cè)壓力作用下極易沿這兩個(gè)層面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。另外尾礦庫水位對(duì)壩體的穩(wěn)定性影響較大,計(jì)算分析時(shí)考慮正常水位和最高洪水位兩種運(yùn)行狀態(tài),其結(jié)果見表4。

表4 抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)果分析

(1)該尾礦壩是一種堆石、砌石不透水型壩,壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單純按照邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析,不能反應(yīng)各因素對(duì)壩體安全穩(wěn)定性的影響。通過廢石堆壩的穩(wěn)定性計(jì)算分析,反應(yīng)筑壩材料、壩坡及其下軟基對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響,通過壩體的穩(wěn)定計(jì)算分析反應(yīng)庫內(nèi)尾礦堆積、水位等因素對(duì)壩體安全穩(wěn)定影響。

(2)廢石堆壩壩坡的穩(wěn)定是整個(gè)壩體安全穩(wěn)定的關(guān)鍵,如廢石堆壩發(fā)生深層滑動(dòng)破壞,中線壩失去支撐而破壞。增大廢石堆壩的密實(shí)度,降低廢石堆壩坡度,確保壩基排滲體排水暢通,及時(shí)維護(hù)壩坡,是預(yù)防壩坡滑動(dòng)破壞,確保壩體安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。

(3)尾礦庫水位的控制是影響壩體安全穩(wěn)定的另一個(gè)重要因素,如庫內(nèi)水位長期處于高位狀態(tài),勢(shì)必使庫內(nèi)尾礦處于飽水狀態(tài),這就增大了壩體的側(cè)壓力,側(cè)壓力過大,對(duì)壩體的安全穩(wěn)定是不利的。加強(qiáng)水位控制,迅速排去洪水,是確保壩體安全穩(wěn)定的重要措施。

[1]《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1980.

[2]王福來,陳洪天.土石壩變形與穩(wěn)定性分析[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]劉成宇.土力學(xué)[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[4]顏宏亮.水工建筑物[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

2009-10-06)

陳其付(1958-),男,安徽臨泉人,工程師、國家注冊(cè)安全工程師,主要從事尾礦庫安全技術(shù)管理。