浸潤線過高導致尾礦庫邊坡失去穩定的處理方案

浸潤線過高導致尾礦庫邊坡失去穩定的處理方案

尾礦庫是一種比較特殊的建築物，用來儲存尾礦廢渣廢水等，服務期從施工開始一直到堆積完成並保持最終穩定。由於其庫記憶體放的為廢渣和廢水，與水壩有明顯的不同，其內部結構更復雜，隨著時代的發展，人口增長和工業發展，尾礦庫下游很多都有居民區，一旦失事會嚴重危及到下游居民的生命財產的安危。

我國尾礦壩現狀

根據國家安監局的資料統計，我國尾礦庫約有6 261座，其中庫容最大的已超過8億m3。由於我國尾礦庫技術發展比較晚，早期建庫時無規範遵從，加上一些礦山老闆追逐暴利，很多尾礦庫修建之初並未做地質勘查，設計也是參照水壩進行設計。此外，缺乏足夠的重視和管理，必然會導致潛在的安全隱患。

透過調查的 2 233 座尾礦壩中，有正常庫 599 座，佔26。8%，存在隱患的有406座，佔18。2%，剩餘的1 228座還有待深一步進行安全度調查驗證，處於未知安全狀態。我國約53%左右的尾礦庫下游有居民（100 人以上）存在，一旦出現事故，後果很嚴重，所以尾礦壩的隱患治理刻不容緩。

尾礦庫歷史事故型別和事故原因分析

根據美國大壩學會（USCOLD）和聯合國環境規劃署（UNEP）的一些調查統計資料，得出尾礦壩事故原因分類總結：得出尾礦壩失事原因中，其中邊坡穩定性是最高發的，邊坡最容易受到內外綜合例如地下水，外力震動等原因影響，壩體失穩對尾礦庫造成的影響是毋須多言的。其次是地震影響，這個要求尾礦庫避開地震多發地帶。所以下文分析了影響邊坡穩定性的因素。

影響壩坡穩定性的主要原因及影響因素

從大的方面來講，壩體失穩有勘測設計和施工質量因素等可觀原因影響，從內部誘因來講主要是浸潤線過高引起的，浸潤線高低對尾礦壩穩定係數的影響見表1。

表1 浸潤線高低對尾礦壩穩定係數的影響。

從表1中可以看出，無論在水位上升還是下降時候，浸潤線對壩體穩定性的影響都比較明顯，尤其水位上升時，水位相差1 m，對於初期壩穩定係數F值就相差 0。02~0。05，浸潤線對於閉庫壩穩定係數相差相對小一點。總體而言，飽和線線越低。

尾礦庫工程施工

壩體越穩定，所以降低浸潤線的位置是尾礦壩滲流穩定分析的主要任務之一。經過多年的研究並利用有限元方法進行計算，學者研究得出對浸潤線有影響的因素並進行了排序如下：

①尾礦壩堆壩壩高>壩內各層滲透係數比>堆積壩下游坡比>堆積壩幹灘長度>初期壩高>堆積壩上游坡比；

②在堆壩壩高一定時，堆積體各層滲透係數比影響最大；

③壩體分層確定之後即滲透係數比一定的情況下，幹灘長度對浸潤線的影響非常重要。

介紹幾個主要因素如下:

1、各層尾礦滲透係數之比：經過試驗研究表明，浸潤線受影響程度與各層尾礦滲透係數不均勻係數成正比，各層滲透係數相差越大，浸潤線越高。當上下層滲透係數值相差在100倍以上時（且分層滲透係數上大下小時），下部尾礦層有明顯的阻水作用，並且浸潤線抬高趨勢由下游向上遊延伸，浸潤線抬高明顯。

2、尾礦壩下游平均坡度：國外尾礦壩下游平均坡度基本在 1∶1。75~1∶6 範圍內，國內多數在 1∶ 3~1∶6，有關統計資料證明，在尾礦壩壩高相同、上游水位一致（即幹灘長度相同）時，尾礦壩下游平均坡度越緩，實際滲徑越長，浸潤線就越低，說明尾礦壩下游平均坡度對壩體浸潤線有比較大的影響。但尾礦壩下游平均坡度不是越緩越好，有效庫容與之成反比，平均坡度越緩也代表經濟性不佳。在實際工程應用中應綜合比較，最終選擇經濟和實用效果最佳的坡度。

3、幹灘長度：幹灘長度越長，表面自由水面越低或者越平坦，水利坡度越小。幹灘長度是等勢線的分佈與自由水面線的高低的綜合反應，例項表明很多上游式尾礦壩破壞的原因就是因為幹灘長度過短造成的。所以規範中明確提出尾礦壩的最小灘長，如表2。

表2 上游式尾礦壩的最小安全超高與最小灘長。

3、尾礦壩上游坡比：上游坡比即為沖積坡坡度是尾礦在動水中自然沉積形成的坡度，沖積坡度越靠近水邊越小，越接近放礦點較大，影響沖積坡的因素主要是粒度、濃度及放礦方法等。國內上游坡比（平均沖積坡度）一般在1%~3%。浸潤線受尾礦壩上游沖積坡坡度一定的影響，在相同的幹灘長度下，隨著上游坡比增大，幹灘坡度變大，浸潤線即隨著上游水位的降低而降低。

尾礦壩的浸潤線分析應包括以下內容:

1、確定堆積壩體的浸潤線（壓力線為0），估測下游洩漏點點。

2、壩體和壩基的滲流量計算。

3、當發生壩坡或壩基浸潤線出逸時，應評價其出逸比降以及堆積壩中不同尾礦土層之間的滲透比降並確定滲透流量、判斷產生管湧、流土的可能性。

尾礦壩的浸潤線分析可以透過滲流計算來進行。二維或三維有限元法適用於二級及以上堆積壩滲流分析。三維有限元法可用於山區尾礦庫滲流計算或模擬試驗確定；二期均質滲流計算方法用於計算上游三級及以下尾礦壩的滲流，上游式尾礦壩的滲流可以採用計算簡法。透過計算條件的灘長來換算為化引灘長，可以簡化滲流計算，來得到高於計算庫水位的化引庫水位。

化引灘長可按下式計算:

放礦水覆蓋絕大部分灘面時：Lh =3。3L0。48 放礦水覆蓋部分灘面時：Lh =2。26L0。645式中：Lh 為化引灘長，m；L為計算灘長，m。按化引庫水位和化引灘長，用二向均質滲流計算方法確定浸潤線。

防治浸潤線過高的措施，大致可分為以下幾種:

降低庫水位，選擇合理的排放水方式，調控溢水高度，加長沉積灘，將庫內水位從壩頂向後推移。研究發現：

①分散尾礦排放比均勻尾礦排放的浸潤線低。

②分散尾礦排放時尾礦排放水對浸潤線影響的修正係數為 0。5~0。8 h′ （h′ 為考慮尾礦排放水影響與不考慮尾礦排放水影響時的浸潤線之差）。

由於礦泥夾層引起的浸潤線過高透過施工過程中合理規劃放置各種廢渣的位置，提高放礦工藝，透過合理配置分層來形成合理的滲透係數比。還可以合理的埋設水平排滲管或者設定豎直排滲井穿透礦泥夾層，以較大幅度的降低浸潤線並解決壩體內滲透係數不均勻情況下的排水問題。

庫內水浸入幹灘面的重要地段加大尾礦排放量，並且藉此向後推移庫水位置，以形成較高和較寬的幹灘。降低庫內水位，增大安全庫容和調洪庫容：在堆積尾礦的時候，尾礦一般磨得比較細是為了最大限度的利用資源，但是太細的礦砂容易使灘面軟化，上層由於下雨等尾礦水增加會大大抬高浸潤線。建立尾礦廢水和洪水的排水系統，也可以回水利用。

目前降低尾礦壩浸潤線主要有以下幾種排滲形式;

①在尾礦壩堆積體內設定豎直排滲井、貼坡排滲體、水平排滲管或水平與豎直結合的排滲系統等；

②在尾礦壩的地基位置佈置排滲褥墊、水平排滲管或者豎直排水井等；

③在與山坡接觸的尾礦堆積坡腳處設定貼坡排滲體或排滲管溝等。