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浸润线过高导致尾矿库边坡失去稳定的处理方案

添加时间:2020-12-14 09:36:02

浸润线过高导致尾矿库边坡失去稳定的处理方案


来源:网络 尾矿库是一种比较特殊的建筑物,用来储存尾矿废渣废水等,服务期从施工开始一直到堆积完成并保持最终稳定。由于其库内存放的为废渣和废水,与水坝有明显的不同,其内部结构更复杂,随着时代的发展,人口增长和工业发展,尾矿库下游很多都有居民区,一旦失事会严重危及到下游居民的生命财产的安危。


我国尾矿坝现状

根据国家安监局的数据统计,我国尾矿库约有6 261座,其中库容最大的已超过8亿m3。由于我国尾矿库技术发展比较晚,早期建库时无规范遵从,加上一些矿山老板追逐暴利,很多尾矿库修建之初并未做地质勘查,设计也是参照水坝进行设计。此外,缺乏足够的重视和管理,必然会导致潜在的安全隐患。


通过调查的 2 233 座尾矿坝中,有正常库 599 座,占26.8%,存在隐患的有406座,占18.2%,剩余的1 228座还有待深一步进行安全度调查验证,处于未知安全状态。我国约53%左右的尾矿库下游有居民(100 人以上)存在,一旦出现事故,后果很严重,所以尾矿坝的隐患治理刻不容缓。


尾矿库历史事故类型和事故原因分析

根据美国大坝学会(USCOLD)和联合国环境规划署(UNEP)的一些调查统计资料,得出尾矿坝事故原因分类总结:得出尾矿坝失事原因中,其中边坡稳定性是最高发的,边坡最容易受到内外综合例如地下水,外力震动等原因影响,坝体失稳对尾矿库造成的影响是毋须多言的。其次是地震影响,这个要求尾矿库避开地震多发地带。所以下文分析了影响边坡稳定性的因素。


影响坝坡稳定性的主要原因及影响因素

从大的方面来讲,坝体失稳有勘测设计和施工质量因素等可观原因影响,从内部诱因来讲主要是浸润线过高引起的,浸润线高低对尾矿坝稳定系数的影响见表1。

表1 浸润线高低对尾矿坝稳定系数的影响。


浸润线过高导致尾矿库边坡失去稳定的处理方案(图1)

 

从表1中可以看出,无论在水位上升还是下降时候,浸润线对坝体稳定性的影响都比较明显,尤其水位上升时,水位相差1 m,对于初期坝稳定系数F值就相差 0.02~0.05,浸润线对于闭库坝稳定系数相差相对小一点。总体而言,饱和线线越低。


尾矿库工程施工

坝体越稳定,所以降低浸润线的位置是尾矿坝渗流稳定分析的主要任务之一。经过多年的研究并利用有限元方法进行计算,学者研究得出对浸润线有影响的因素并进行了排序如下:


①尾矿坝堆坝坝高>坝内各层渗透系数比>堆积坝下游坡比>堆积坝干滩长度>初期坝高>堆积坝上游坡比;


②在堆坝坝高一定时,堆积体各层渗透系数比影响最大;


③坝体分层确定之后即渗透系数比一定的情况下,干滩长度对浸润线的影响非常重要。


介绍几个主要因素如下:

1、各层尾矿渗透系数之比:经过试验研究表明,浸润线受影响程度与各层尾矿渗透系数不均匀系数成正比,各层渗透系数相差越大,浸润线越高。当上下层渗透系数值相差在100倍以上时(且分层渗透系数上大下小时),下部尾矿层有明显的阻水作用,并且浸润线抬高趋势由下游向上游延伸,浸润线抬高明显。


2、尾矿坝下游平均坡度:国外尾矿坝下游平均坡度基本在 1∶1.75~1∶6 范围内,国内多数在 1∶ 3~1∶6,有关统计资料证明,在尾矿坝坝高相同、上游水位一致(即干滩长度相同)时,尾矿坝下游平均坡度越缓,实际渗径越长,浸润线就越低,说明尾矿坝下游平均坡度对坝体浸润线有比较大的影响。但尾矿坝下游平均坡度不是越缓越好,有效库容与之成反比,平均坡度越缓也代表经济性不佳。在实际工程应用中应综合比较,最终选择经济和实用效果最佳的坡度。


3、干滩长度:干滩长度越长,表面自由水面越低或者越平坦,水利坡度越小。干滩长度是等势线的分布与自由水面线的高低的综合反应,实例表明很多上游式尾矿坝破坏的原因就是因为干滩长度过短造成的。所以规范中明确提出尾矿坝的最小滩长,如表2。

表2 上游式尾矿坝的最小安全超高与最小滩长。


浸润线过高导致尾矿库边坡失去稳定的处理方案(图2)

 

3、尾矿坝上游坡比:上游坡比即为冲积坡坡度是尾矿在动水中自然沉积形成的坡度,冲积坡度越靠近水边越小,越接近放矿点较大,影响冲积坡的因素主要是粒度、浓度及放矿方法等。国内上游坡比(平均冲积坡度)一般在1%~3%。浸润线受尾矿坝上游冲积坡坡度一定的影响,在相同的干滩长度下,随着上游坡比增大,干滩坡度变大,浸润线即随着上游水位的降低而降低。


尾矿坝的浸润线分析应包括以下内容:


1、确定堆积坝体的浸润线(压力线为0),估测下游泄漏点点。


2、坝体和坝基的渗流量计算。


3、当发生坝坡或坝基浸润线出逸时,应评价其出逸比降以及堆积坝中不同尾矿土层之间的渗透比降并确定渗透流量、判断产生管涌、流土的可能性。


尾矿坝的浸润线分析可以通过渗流计算来进行。二维或三维有限元法适用于二级及以上堆积坝渗流分析。三维有限元法可用于山区尾矿库渗流计算或模拟试验确定;二期均质渗流计算方法用于计算上游三级及以下尾矿坝的渗流,上游式尾矿坝的渗流可以采用计算简法。通过计算条件的滩长来换算为化引滩长,可以简化渗流计算,来得到高于计算库水位的化引库水位。


化引滩长可按下式计算:

放矿水覆盖绝大部分滩面时:Lh =3.3L0.48 放矿水覆盖部分滩面时:Lh =2.26L0.645式中:Lh 为化引滩长,m;L为计算滩长,m。按化引库水位和化引滩长,用二向均质渗流计算方法确定浸润线。


防治浸润线过高的措施,大致可分为以下几种:

降低库水位,选择合理的排放水方式,调控溢水高度,加长沉积滩,将库内水位从坝顶向后推移。研究发现:


①分散尾矿排放比均匀尾矿排放的浸润线低。


②分散尾矿排放时尾矿排放水对浸润线影响的修正系数为 0.5~0.8 h′ (h′ 为考虑尾矿排放水影响与不考虑尾矿排放水影响时的浸润线之差)。


由于矿泥夹层引起的浸润线过高通过施工过程中合理规划放置各种废渣的位置,提高放矿工艺,通过合理配置分层来形成合理的渗透系数比。还可以合理的埋设水平排渗管或者设置竖直排渗井穿透矿泥夹层,以较大幅度的降低浸润线并解决坝体内渗透系数不均匀情况下的排水问题。


库内水浸入干滩面的重要地段加大尾矿排放量,并且借此向后推移库水位置,以形成较高和较宽的干滩。降低库内水位,增大安全库容和调洪库容:在堆积尾矿的时候,尾矿一般磨得比较细是为了最大限度的利用资源,但是太细的矿砂容易使滩面软化,上层由于下雨等尾矿水增加会大大抬高浸润线。建立尾矿废水和洪水的排水系统,也可以回水利用。


目前降低尾矿坝浸润线主要有以下几种排渗形式;


①在尾矿坝堆积体内设置竖直排渗井、贴坡排渗体、水平排渗管或水平与竖直结合的排渗系统等;


②在尾矿坝的地基位置布置排渗褥垫、水平排渗管或者竖直排水井等;


③在与山坡接触的尾矿堆积坡脚处设置贴坡排渗体或排渗管沟等。



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