河北承德某鐵礦尾礦庫副壩坡腳滲水治理

宋彥利

(河鋼集團礦業(yè)公司承德柏泉鐵礦)

大部分選礦廠的尾礦都需要輸送至尾礦庫貯存，尾礦庫是礦山生產(chǎn)的重要組成部分。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，近年來大型礦山數(shù)量不斷增加，尾礦庫的數(shù)量和規(guī)模都在不斷增大。尾礦庫是具有高勢能的重大危險源，其運行效果不僅影響到礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且與庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)安全及周邊環(huán)境息息相關(guān)[1-2]。因此，有必要按照“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的方針有效開展尾礦壩安全管理工作，提高壩體穩(wěn)定性[3-4]，及時消除事故隱患，避免和減少尾礦庫生產(chǎn)安全事故，確保尾礦庫安全運行。河北省承德市某尾礦庫距離礦區(qū)約2 km，尾礦庫下游約1.8 km處有國道通過，尾礦庫距離縣城約4 km，交通十分便利。在日常檢查時發(fā)現(xiàn)庫區(qū)東南角一段副壩外側(cè)坡腳有連續(xù)滲水現(xiàn)象，外坡有滑坡的風(fēng)險，不符合《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)、《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》要求，存在安全隱患，有必要盡快采取安全措施，確保尾礦庫安全運行。

1 工程概況

1.1 尾礦庫運行現(xiàn)狀

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，總壩高125 m，總庫容約5 588萬m3，屬于二等庫，服務(wù)年限為15 a，2014年投入運行。初期壩采用透水堆石壩，壩底標高545.0 m，壩頂標高574.0 m，最大壩高為29.0 m。后期堆積壩采用上游式筑壩，壩前分散放礦。每期子壩高度為2～3 m，子壩內(nèi)、外邊坡坡比分別為1∶1.5 和1∶3.5。每10 m段高設(shè)1道寬5 m的馬道，尾礦壩外邊坡的平均坡比為1∶4。尾礦庫排洪系統(tǒng)采用排水斜槽—排水管—溢水塔—消力池形式。溢水塔采用周邊進水式窗口溢水塔，共7座。該尾礦庫從尾礦壩574.0 m標高至650.0 m標高之間每隔10 m高度距壩頂100 m處沿壩軸線方向設(shè)置水平排滲體。在尾礦庫右側(cè)山谷內(nèi)預(yù)埋排滲盲體，鋪設(shè)于溝谷底部。尾礦庫采用人工監(jiān)測配合動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)對浸潤線、干灘長度、庫水位、壩體位移等參數(shù)進行監(jiān)測。該尾礦庫主壩排滲體共施工3道，出水口標高分別為574.0，590.0，600.0 m，3道排滲體出水正常。尾礦庫副壩坡腳滲水安全隱患被發(fā)現(xiàn)時，尾礦庫主壩的浸潤線深度大于12.5 m，干灘長度360 m，主壩頂高程608.0 m，安全超高5.6 m，符合《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)要求。

1.2 副壩坡腳滲水現(xiàn)狀

通過對尾礦庫副壩進行現(xiàn)場地質(zhì)勘測，發(fā)現(xiàn)副壩所處地段的地基土層主要為尾礦砂、人工堆填的碎石類土及下伏花崗巖。依據(jù)其工程地質(zhì)特征，自上而下可分為6個地質(zhì)層：①尾礫砂，灰色，稍濕—飽和，稍密—中密，局部松散，砂質(zhì)較純，主要礦物成分為石英、長石，含少量塊石；②碎石土，雜色，稍濕—飽和，中密—密實，母巖成分以花崗巖為主，粒徑差異較大，一般粒徑為2～10 cm，最大粒徑約15 cm，充填物為礫砂和少量粉質(zhì)黏土，厚度為7.40～18.00 m；③粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑，局部堅硬，可見鐵猛氧化物，偶見塊石，厚度為2.40～4.40 m；④全風(fēng)化花崗巖，雜色，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，風(fēng)化成礫砂狀，礦物成分主要為石英、長石、云母等，可見少量角閃石等暗色礦物，該層庫區(qū)均有分布，厚度為1.20～5.30 m；⑤強風(fēng)化花崗巖，肉紅色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，裂隙面可見銹斑，巖芯呈碎塊狀，一般粒徑為5～10 cm，最大粒徑約15 cm，取芯率為65%～75%，該層庫區(qū)均有分布，僅局部鉆孔完全揭穿，最大揭露厚度為6.4 m；⑥中風(fēng)化花崗巖，肉紅色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面結(jié)合程度較好，巖芯呈碎塊狀或短柱狀，一般柱長5～20 cm，最大柱長為50 cm，取芯率75%～90%，最大揭露厚度為3.80 m。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用，地基土無飽和松散砂土和飽和粉土，勘察期間未見地下水。

尾礦庫副壩下方最早為一東西向U型山梁，最低處標高為592.0 m，后期為保證進壩公路暢通，使用廢渣進行填筑，填筑高度為608.6 m，副壩下游1.5 km處有村莊和公路通過。該副壩頂長約100 m，副壩堆積壩外側(cè)坡度接近1∶1，坡度較陡。副壩外側(cè)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象(圖1)時，內(nèi)側(cè)灘面高程為604.0 m，滲水處高程為593.6 m，距頂面垂直高度為15 m。出現(xiàn)滲水現(xiàn)象后，滲水區(qū)域逐漸變大，滲水區(qū)域沼澤化，并帶出了細泥沙。發(fā)現(xiàn)滲水安全隱患后壩坡內(nèi)側(cè)停止放礦，副壩外側(cè)采取了廢石壓坡應(yīng)急處置措施。

圖1 坡腳出水現(xiàn)象

1.3 副壩坡腳滲水原因

(1)浸潤線過高。由于副壩是由廢料填筑的進入尾礦庫內(nèi)的公路形成的，外側(cè)坡度為廢料自然堆積，坡度較陡，達到1∶1，隨著主壩不斷升高，灘面超過副壩底部山谷的最低點。隨著副壩側(cè)放礦的進行，灘面不斷升高，副壩側(cè)的浸潤線從外側(cè)壩面溢出。

(2)無排滲設(shè)施。副壩側(cè)缺乏與主壩同期設(shè)置的排滲設(shè)施。隨著壩體升高，庫內(nèi)水位相應(yīng)升高，副壩灘面放礦時，副壩側(cè)水位升高。副壩側(cè)的水無法及時排出，造成水沿著最低點滲出。發(fā)現(xiàn)副壩坡腳滲水時，庫內(nèi)水位高程達到601.5 m。

(3)管理因素。礦山未高度重視副壩管理，沒有在副壩設(shè)置相應(yīng)的觀測和排水設(shè)施，未能對副壩側(cè)的運行狀況進行有效監(jiān)控。

2 治理方案

2.1 降低副壩外側(cè)坡比

一般情況下，壩體浸潤線埋深越大，干灘長度越長，堆積壩外坡比越緩，尾礦固結(jié)度越好，尾礦堆積壩的安全系數(shù)便越大[5]，過陡的外坡比容易造成浸潤現(xiàn)過高。本研究通過對副壩外側(cè)原有坡面進行降坡，在外側(cè)坡面標高601.0 m位置設(shè)置一馬道，寬5 m，將外坡面分為2個坡面，降坡后對坡面利用廢石進行壓坡處理。為降低滑坡和尾礦砂滲漏的風(fēng)險，設(shè)置土工布反濾層。廢石與副壩體之間鋪設(shè)有1層500 g/m2土工布，土工布與廢石之間設(shè)置過渡層，廢石中土的含量不大于10%。副壩進行降坡后，589.5～601.0 m標高段平均坡比約為1∶4，601.0～608.6 m標高段平均坡比約為1∶3.2(圖2)。

圖2 副壩降坡壓坡示意

2.2 副壩坡腳滲水治理

在現(xiàn)有壓坡壩腳下游4 m處修建漿砌石擋墻，通過地質(zhì)勘測，發(fā)現(xiàn)地基持力層為全風(fēng)化花崗巖層。擋墻頂標高為592.5 m，頂寬1.0 m，最大壩高為4.0 m(588.5～592.5 m標高)。擋墻外坡比為1∶0.6，內(nèi)坡鉛直，擋墻內(nèi)預(yù)埋φ100 mm PVC排水管，排水管間距為2.0 m。

為排出副壩滲水，在擋墻內(nèi)壩腳處設(shè)置排滲體，排滲體斷面為倒梯形，底寬1.0 m、頂寬2.0 m、深1.0 m，底部埋設(shè)DN150 PPR帶孔滲水管，管周圍填充粒徑為15～35 mm的礫石，并用土工布包裹。排滲體與擋墻內(nèi)通過預(yù)埋排水管進行連接。清理擋墻與壓坡之間的植被等雜物，并填筑廢石，使592.0～601.0 m標高段的廢石壓坡平均坡比為1∶3.3。漿砌石擋墻坐落至強風(fēng)化巖層上，超挖部分可采用M10漿砌石回填。

在副壩兩側(cè)壩肩修建壩肩排水溝，壩肩排水溝高1.0 m，寬度不小于1.0 m，靠山體一側(cè)側(cè)壁坡度隨山體變化，壁厚500 mm，為M10漿砌石結(jié)構(gòu)。在壩腳處修建集水池，集水池長3.0 m、寬2.0 m、深2.0 m，為漿砌石結(jié)構(gòu)。為防止尾礦水外排于集水池內(nèi)，通過抽水泵將其排放至主壩壩肩排水溝內(nèi)，導(dǎo)引至主壩下游進行回收利用。副壩外坡治理后的情形如圖3所示。

圖3 副壩外坡治理后情況

2.3 排滲設(shè)施設(shè)置

副壩側(cè)放礦時浸潤線較高，為降低壩體浸潤線，減少壩體滲透壓力,提高上游式尾礦壩的動力穩(wěn)定性，一般在尾礦壩填筑過程中布置排滲工程設(shè)施[6]。排滲設(shè)施盡可能預(yù)先埋設(shè)，以節(jié)省工程投資，尾礦庫的浸潤線過高，不符合相應(yīng)要求時，應(yīng)考慮增設(shè)排滲設(shè)施[7]。目前常見的堆積壩排滲設(shè)施為：①水平排滲設(shè)施，沉積灘面預(yù)埋水平盲管及濾管，碎石盲溝用土工布包裹，設(shè)置導(dǎo)水管導(dǎo)出到壩面排水溝；②垂直排滲設(shè)施，主要有虹吸井、輕型井點、機械抽水管井，垂直水平排滲設(shè)施中使用效果較好的為輻射井[8]。通過綜合分析比較，認為水平排滲方式較為經(jīng)濟。

主壩在600.0 m標高位置已經(jīng)設(shè)置有排滲盲體，該排滲盲體的導(dǎo)水管進水口標高為601.0 m，預(yù)埋排滲盲體距離出水口100 m，距主壩頂72 m。該排滲體最南側(cè)距離副壩頂75 m，排滲盲體埋深1.2 m。副壩設(shè)置的水平排滲盲體可與主壩的排滲盲體結(jié)合在一起。

副壩灘面施工排滲體時，應(yīng)在灘面充分晾曬后進行。在副壩放礦灘面靠近副壩方向設(shè)置水平排滲棱體，水平排滲棱體距離副壩頂75 m。水平排滲棱體斷面為倒梯形，上底寬3.5 m、下底寬0.5 m、高1.2 m，排滲棱體長100 m。底部埋深DN150PPR帶孔滲水管，滲水管周圍填充粒徑為15～35 mm的礫石，并用1層500 g/m2土工布包裹。排滲棱體一端與主壩的排滲盲體連在一起，連接時，測量人員應(yīng)對排滲盲體位置進行精確標定，確保副壩側(cè)的排滲棱體高于主壩側(cè)的排滲盲體至少20 cm，以利于水由主壩側(cè)排出。該排滲體的另一端設(shè)置導(dǎo)水管與滲水管連在一起，出水口設(shè)置于壩肩排水溝內(nèi)。副壩側(cè)排滲盲體設(shè)置如圖4所示。副壩側(cè)排滲體施工完畢后，副壩進行放礦。放礦后，主壩側(cè)標高600 m，靠近副壩側(cè)排滲導(dǎo)水管的出水量明顯增加。

圖4 副壩側(cè)排滲盲體設(shè)置示意

2.4 加強副壩側(cè)放礦和筑壩管理

副壩外坡和排滲盲體治理完畢后，應(yīng)繼續(xù)在副壩壩頂處向庫內(nèi)方向進行分散均勻放礦，確保副壩與主壩灘面均衡上升，放礦的同時應(yīng)對副壩標高出水情況進行監(jiān)測。當(dāng)副壩處灘面標高達到607.7 m(主壩頂標高約607.7 m)時，內(nèi)錯平臺應(yīng)按主壩設(shè)計要求與主壩同時進行筑壩放礦。按照設(shè)計，610.0 m 標高主壩設(shè)置排滲體時，副壩側(cè)與主壩側(cè)同時預(yù)先埋設(shè)導(dǎo)水管，預(yù)埋排滲盲體時，應(yīng)將主壩與副壩的排滲盲體連在一起。

3 治理效果

為有效掌握壩體狀況，在副壩設(shè)置了位移監(jiān)測設(shè)施和浸潤線監(jiān)測設(shè)施，監(jiān)測設(shè)施采用人工監(jiān)測方式[9]。根據(jù)副壩實際情況，布置了2條壩體位移監(jiān)測剖面，在壩坡601.0 m標高平臺和608.6 m標高平臺共設(shè)置了5個壩體位移觀測點，觀測壩體表面位移。使用初期每月觀測1次，并做好記錄。預(yù)警值為水平方向平均位移速率超過0.5 mm/d且方向一致并未見收斂，垂直方向上按水平方向的2倍值控制。在副壩內(nèi)側(cè)灘面布置了2個浸潤線觀測點，浸潤線觀測管埋深7 m，管底標高600.0 m。浸潤線預(yù)警值為5 m。在副壩側(cè)在線觀測設(shè)施安裝之前采用人工方式每天進行觀測。壩體位移觀測點和浸潤線觀測管位置如圖5所示。

通過對浸潤線觀測管進行測量，結(jié)果見表1。分析表1可知：浸潤線觀測管內(nèi)的水位隨著時間的變化不斷降低，副壩側(cè)浸潤線的高度不斷降低，表明本研究設(shè)置的排滲設(shè)施發(fā)揮了作用；副壩內(nèi)側(cè)與主壩高度相同后，內(nèi)錯平臺筑壩后觀測管內(nèi)逐漸無水。

圖5 壩體位移觀測點和浸潤線觀測管位置

表1 浸潤線觀測結(jié)果 m

壩體位移測結(jié)果見觀測圖6。由圖6可知：副壩每月的水平位移變化量沒有超過5 mm，垂直位移變化量沒有超過5 mm，沒有達到預(yù)警值，符合要求。

圖6 壩體位移觀測結(jié)果(2017年)

副壩外坡治理后，坡腳滲水集中于集水池內(nèi)，使用水泵抽至主壩體正面的排水溝。滲水水質(zhì)清澈，無泥沙。副壩沿庫內(nèi)方向進行均勻放礦，副壩放礦時集水池內(nèi)水量增加，正面排滲體出水量增加。副壩內(nèi)側(cè)灘面與主壩標高相同后，庫內(nèi)錯35 m平臺進行筑壩，主壩與副壩連在一起。副壩底部滲水逐漸減小至消失，集水池內(nèi)無水，主壩600.0 m標高排滲體出水量增加。副壩內(nèi)側(cè)平臺浸潤線觀測管內(nèi)無水，副壩的浸潤線下降至7m以下，壩體位移數(shù)值符合要求，達到了治理效果。

4 結(jié) 語

針對承德某尾礦庫副壩坡腳出現(xiàn)的滲水現(xiàn)象，分析了原因，并采取了廢石壓坡、降低副壩坡度、設(shè)置排滲設(shè)施等綜合措施，取得了理想效果，可供類似工程借鑒。