周漢民，崔 旋,2，張 宇，韓亞兵

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，以儲(chǔ)存金屬非金屬礦山經(jīng)礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國90%的礦山尾礦庫采用上游式堆壩方法筑壩[3]。傳統(tǒng)上游法筑壩工藝指在初期壩上游方向沖、堆積尾礦的筑壩方式，即尾礦經(jīng)過重力分選、自然沉積作用形成堆積壩的沉積灘，在灘面上采用沖積法、池填法、渠槽法、旋流分級(jí)筑壩法等工藝堆筑子壩[4-5]，該過程入庫尾礦沉積固結(jié)后形成具有一定承載力的壩基，是成功實(shí)現(xiàn)后期子壩堆筑的關(guān)鍵[6-7]。

隨著我國礦山資源開采利用持續(xù)高速發(fā)展，以及選礦工藝水平和回收率的不斷提高，尾礦入庫量逐年增多，尾礦粒徑越來越細(xì)。細(xì)粒徑尾礦進(jìn)入尾礦庫后透水性差、固結(jié)時(shí)間長、力學(xué)強(qiáng)度低、超孔隙水壓力難以消散[8-9]，導(dǎo)致尾礦沉積灘呈現(xiàn)承載力低、排水能力差的軟弱特性，難以直接作為壩基堆筑后期子壩，嚴(yán)重制約企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)[10-12]。因此，開發(fā)安全快速的細(xì)粒尾礦軟弱灘面筑壩技術(shù)，一直是國內(nèi)外礦業(yè)界追求的目標(biāo)。

1 細(xì)粒尾礦快速筑壩新技術(shù)

細(xì)粒尾礦快速筑壩新技術(shù)是指采用尾礦模袋法堆壩強(qiáng)基+渣土寬頂子壩增穩(wěn)+壩基協(xié)同排滲的工藝流程，以提高細(xì)粒尾礦軟弱壩基上子壩穩(wěn)定性的1種新型上游法筑壩技術(shù)及工藝。模袋聯(lián)合渣土寬頂子壩如圖1所示。

圖1 模袋聯(lián)合渣土寬頂子壩Fig.1 Geofabriform combined muck wide-crest dam

尾礦模袋法堆壩指通過向土工編織模袋內(nèi)充灌尾砂并經(jīng)壓力排水形成固結(jié)充灌體，利用充灌體連續(xù)交錯(cuò)堆筑而形成模袋子壩的尾礦庫堆積壩填筑方法[3,13-15]，模袋法堆壩施工示意如圖2所示。土工模袋一方面通過排水保砂、層間加筋等作用將散體尾砂材料約束成型堆筑子壩；另一方面將通過擠淤置換、應(yīng)力擴(kuò)散等作用提升下臥沉積灘的壩基承載力；此外，模袋壩體抗?jié)B透破壞能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)抵御壩前未固結(jié)尾礦的作用。

圖2 模袋法堆壩施工示意Fig.2 Schematic diagram of dam construction with geofabriform method

渣土寬頂子壩施工示意如圖3所示。采用渣土寬頂子壩一方面可達(dá)到增加有效干灘長度及安全超高的目的，另一方面起到抵御壩前深厚未固結(jié)尾礦、保證單級(jí)子壩穩(wěn)定性的作用。

圖3 渣土寬頂子壩施工示意Fig.3 Schematic diagram of muck wide-crest dam construction

為加速壩前濕軟沉積灘固結(jié)排水、提高子壩壩基承載力，需輔以布置于模袋壩前和渣土壩基的真空席墊排滲、豎向排滲及水平排滲組合措施，最終實(shí)現(xiàn)細(xì)粒尾礦軟弱灘面快速筑壩的目的。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

國內(nèi)某尾礦庫設(shè)計(jì)服務(wù)能力較大，尾礦堆壩高度175 m，最大上升速度達(dá)30 m/a。入庫尾礦濃度55%～60%。全尾礦中-74 μm的粒徑含量約為80%，-20 μm的粒徑含量約為50%，-5 μm的粒徑含量為20%。尾砂液限含水率為25.2%，塑限含水率為17.9%。

該尾礦庫具有放礦濃度高、服務(wù)能力大、壩體上升速度快等特點(diǎn)，工勘結(jié)果顯示庫內(nèi)灘面軟弱且厚大，0～25 m范圍內(nèi)灘面含水率高達(dá)40%，傳統(tǒng)方法難以滿足企業(yè)正常生產(chǎn)需求。鑒于此，采用細(xì)粒尾礦快速筑壩技術(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用，應(yīng)用成果對(duì)細(xì)粒尾礦處置具有較好的指導(dǎo)意義。

2.2 筑壩方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)軟弱灘面上快速安全堆筑子壩的目的，尾礦庫采用“模袋法+寬頂子壩”型式進(jìn)行后期壩堆筑，單級(jí)模袋壩高5 m，共10級(jí),子壩外坡比1∶2.0，頂寬55 m，底寬80 m。寬頂子壩堆筑(模袋子壩及渣土子壩)設(shè)計(jì)如圖4所示，子壩排滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 第1～10級(jí)子壩剖面示意(子壩壩體部分)Fig.4 Schematic diagram for section of first level to tenth level sub-dams (dam body part of sub-dam)

圖5 壩體排滲設(shè)施剖面示意Fig.5 Schematic diagram for section of seepage drainage facility of dam body

1)模袋+渣土寬頂子壩工程

①模袋壩：壩頂寬6.0 m，單級(jí)高5 m，內(nèi)外坡比1∶2.0，兩側(cè)預(yù)留1.4 m高模袋沉降反壓平臺(tái)，底寬42 m。施工前在模袋子壩基礎(chǔ)下方拋砂1.0～1.5 m厚，拋填距離60～70 m。

②渣土壩：渣土壩頂寬49 m，外坡比1∶2.0，第1級(jí)渣土子壩預(yù)留13.5 m平臺(tái)，第2級(jí)至第五級(jí)預(yù)留10 m平臺(tái)，第6～10級(jí)預(yù)留15 m平臺(tái)。

2)排滲工程

后期壩排滲系統(tǒng)主要設(shè)置布置于模袋壩前和渣土壩基的真空席墊排滲、豎向排滲及水平排滲3種排滲措施。

每級(jí)子壩沿平行壩軸線方向一般布設(shè)2幅席墊，一幅位于渣土子壩壩底，另一幅位于模袋子壩庫內(nèi)側(cè)墊層上，每幅席墊寬度2 m；豎向排滲管每2～4級(jí)布置1排；水平排滲管措施每3級(jí)敷設(shè)1次。

2.3 工程應(yīng)用效果

1)工程勘察

本文提出的細(xì)粒尾礦快速筑壩新技術(shù)在該尾礦庫進(jìn)行2 a工程應(yīng)用，已安全堆筑10級(jí)子壩，總堆筑高度達(dá)50 m。庫內(nèi)尾砂勘壩體剖面分區(qū)示意如圖6所示。

圖6 勘壩體剖面分區(qū)示意Fig.6 Schematic diagram for section partition of prospecting dam body

各地層分區(qū)編號(hào)見表1。由圖6可知，堆積壩內(nèi)軟弱夾層呈現(xiàn)“似剪刀口”狀分布，子壩下臥尾砂在自重及排水作用下逐漸固結(jié)。

表1 庫內(nèi)尾砂工勘地層分布Table 1 Distribution of geological prospecting strata for tailings in pond

2)尾礦庫堆積壩穩(wěn)定性分析

本文利用GEO-STUDIO的SLOPE軟件對(duì)尾礦庫進(jìn)行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定計(jì)算采用基于極限平衡原理的簡(jiǎn)化畢肖普法。

采用細(xì)粒尾礦快速筑壩新技術(shù)對(duì)尾礦庫進(jìn)行50 m高子壩堆筑后，其穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。最危險(xiǎn)滑弧如圖7 所示。由圖7可知，壩體在正常運(yùn)行及地震工況下，安全系數(shù)均大于規(guī)范值建議，滿足規(guī)范要求。

表2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of stability

圖7 地震工況下最危險(xiǎn)滑弧Fig.7 Most dangerous slip arc under earthquake conditions

3 結(jié)論

1)模袋壩作為上覆荷載作用于飽和尾砂灘面，會(huì)加速尾砂固體顆粒沉積，支撐上部模袋子壩成功堆筑。渣土壩提升子壩穩(wěn)定性，抵御深厚未固結(jié)尾礦荷載。

2)細(xì)粒尾礦快速筑壩技術(shù)施工工藝連續(xù)緊湊，可實(shí)施性強(qiáng)。

3)該技術(shù)在某細(xì)粒尾礦庫進(jìn)行工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)年最大筑壩高度30 m，穩(wěn)定性分析結(jié)果表明當(dāng)堆積壩高度達(dá)50 m時(shí)，壩坡整體安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。