尾矿库坝体排渗设施的设置与实践

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摘要：尾矿库坝体排渗系统是增强坝体稳定性的主要设施之一。本文结合生产实践，重点探讨氧化铝赤泥库坝体排渗系统的设施、设置方式与排渗效果，以及坝体浸润线的变化关系。

关键词：排渗坝体稳定性浸润线

中图分类号： TV698 文献标识码： A

1. 尾矿库坝体稳定性的要求及意义

尾矿坝是尾矿库用来挡尾矿和水的围护构筑物。坝体稳定性对于确保坝体的安全运行非常重要。其稳定性达不到要求时，坝坡就会发生滑动破坏，一旦坝体失稳，将造成坝体滑坡甚至造成泥石流，给库区下游人民生命财产造成灾难性的损失。做好尾矿坝的安全管理有着重大的政治经济意义。

尾矿库工程的最突出的特点是，地下水渗流状态是控制坝坡稳定性和污染物迁移的决定性因素。因此，尾矿库地下水渗流状态的可靠分析与评价是尾矿库工程研究的关键。

2. 氧化铝赤泥库的堆存方式与坝体排渗设施的分类

我厂尾矿坝采用的是上游筑坝方式，也就是在初期坝的基础上，向初期坝上游方向冲积尾矿加高坝的筑坝工艺。当尾矿库内的尾矿充满至坝顶时，在距坝顶一定距离外的尾矿沉积滩上就地挖尾矿，沿坝轴线方向堆筑子坝，形成新的库容。其特点为：

①坝轴线的位置不断向上游推移，无上游坝面轮廓线。坝体与沉积滩联为一体，由流动矿浆中的尾矿颗粒自然沉积形成，沉积体内存在多层细泥夹层，这一方面降低了坝的渗透性，抬高了坝内浸润线的位置，另一方面使坝的抗剪强度降低。因此，上游式筑坝的稳定性较差，抗地震液化性能差，如不采取一定的措施，不适于在高地震烈度地区使用。但此筑坝工艺简单，管理方便，成本低，在国内普遍采用。

②尾矿形成一定承载能力的沉积滩，其为周边坝体提供有力的支撑。周边坝施工只需要少量的填料，沉积滩尾矿砂往往是极便利的筑坝材料，周边坝施工简单，用极少量的设备如挖土机和推土机及人员即可完成正常的挖掘和填筑作业。因此，可以很低的成本形成最终坝；

尾矿库建成放旷后，由于水头的作用，坝体内必然产生渗流现象。水由上游渗向下游形成一个逐渐降落的渗流面，称为浸润面。它在坝体横断面上显示为一条曲线，称为浸润线。影响坝体稳定性的因素有：坝体的水平、沉降位移和坝体浸润线的变化等。坝体浸润线位置的高低和变化与坝体的安全稳定有密切的关系。

我厂初期坝高18米，后期坝已达到62米。初期坝坝体由堆石、代料、亚粘土等筑成，为不透水堆石坝，坝外坡坡比1：2.25，坝内坡坡比1：2.25，坝外坡坡脚设置一道堆石排水棱体，坝前设置一道截水沟，设置3条Dg245钢管穿越坝体排渗。后期坝由烧结法赤泥分级筑成，采用退两米，升三米的筑坝方式，坝外坡比为1：1.73。

在2002年底，按照国家经贸委国家经济贸易委员会令（第20号）《尾矿库使用到设计最终坝高的1／2 、2／3高度时，应对尾矿堆积坝进行工程地质勘察和稳定性分析》的要求，我们请西安勘察设计研究院为我厂赤泥堆场坝体现状坝高80米和加高至90米静力坝坡稳定性与7度地震作用下坝体液化范围与坝坡稳定性，对赤泥堆场坝体稳定性及赤泥坝加高工程进行静、动三轴实验，提供该工程动力反应分析的静、动力特性参数。在评价坝体静、动力稳定性和液化性采用了“非线性弹性模型”、沈珠江的“等价粘弹性模型”和Bishop有效应力圆弧法稳定性计算模型。分析计算时采用单元法，并考虑了坝体现状与加高至90米，加高坝干面滩离坝坡顶面向库内30米（现状坝约100米）有浸润线（以下简称有浸润线）与无干面滩坝体处于全饱水（以下简称全饱水）、静力与7度地震作用状态、材料的静力非线性与动力非线性的有效应力等因素。共计算了6个剖面12种情况下静、动力条件的应力、应变、位移、加速度、孔隙水压力增加、稳定性及液化可能范围等。

西安勘察设计研究院给出的赤泥堆场坝体稳定及赤泥坝加高地震反应分析结论：

1）采用有限元静力有效应力反应分析结果，1—3号剖面现状和加高至90m有浸润线与3号剖面现状全饱水条件下坝坡均是稳定的；1—2号剖面现状全饱水与1—3号剖面加高至90m全饱水坝坡均是不稳定，也就说安全系数小于1。坝体形成张拉裂缝和坝坡出现鼓起现象是由于坝中部与两侧静水平位移和静垂直位移存在较大差异所致。

2）采用有限元动力有效应力反应分析结果，当7度地震时现状与加高至90m1—3号剖面库内上部可能液化深度均为6—13m，但全饱水条件下平面分布范围已达到坝坡顶面附近，可能会出现局部溜滑现象。

3）采用BishoB园弧滑动法稳定性检算分析结果，当干面滩离坝坡顶面约为100m有浸润线条件下时，1—3号剖面现状与干面滩为30m加高至90m静力最小安全系数Fs为1.137—1.947，坝坡均是稳定的；当全饱水时，1—2号剖面现状与加高至70m静力最小安全系数Fs为0.757—1.040，坝坡均是不稳定的；当干面滩为30m 7度地震作用有浸润线条件时，1—3号剖面最小安全系数Fs为1.620—1.849，坝坡均是稳定的。

建议措施：为降低坝体内浸润线高度，建议在坝体中增设竖井与水平排渗孔相结合的方式以降低堆场浸润线（特别库内中轴线附近地段）。同时在新建子坝中设置垂直与水平排渗盲沟，以确保坝体的稳定性。

3. 排渗体的设置与管理

正常渗流有利于尾矿坝坝体及坝前干滩的固结，有利于提高坝的整体稳定性。排渗构筑物是降低赤泥堆场坝体浸润线的工程措施。其作用是降低堆积坝的浸润线，以免浸润线在堆积边坡逸出，尽量缩小堆积边坡的饱和区，扩大疏干区，促进赤泥的排水固结，从而提高堆积坝的稳定性；堆积边坡面下一定范围内的赤泥被疏干，能有效地防止赤泥产生震动液化，提高堆积边坡的动力稳定性。

根据西勘院的建议，我们现有初期坝体排渗网的基础上，在后期坝体补建和设置了排渗设施，使得整个坝体排渗设施衔接为一个完整的排渗网。具体设置如下：

初期坝水平排渗系统在坝体内坡+153米设置了与坝体平行的排渗盲沟，坝外坡脚设置一道堆石排水棱体，坝前设置一道截水沟；排渗盲沟与埋设的垂直于盲沟的的排水钢管连接，排渗钢管采用Φ245×10毫米，设计坡度i=0.018，从初期坝底通过，渗水排入坝外截水沟，进入集水~回水系统。后期坝是在初期坝至+200.00米平面上，采用水平~竖直井联合自流排渗工艺建成7组水平~竖直排渗体和9个观测孔。竖直井施工中下入开孔的Φ75毫米聚乙烯塑料管共66根，每眼井下入8~12根不等，外包一层60目尼龙网，管填Φ3~5毫米碎石，透水挡砂，形成透水通道。竖直井下部与水平排水管连接，水平管采用Φ90毫米钢管，坡度为3%。赋存于坝体的高水头地下潜水在自身压力水头作用下沿透水通道以渗流方式汇入开孔的水平管，经水平管将水导出坝外。为观测堆场地下水位，了解堆场地下水浸润线的变化规律，在赤泥堆场设置了9眼浸润线观测孔，井管采用开孔的Φ75毫米聚乙烯塑料管，管底部设置2米沉砂管，顶部设置4米无孔管，在孔口制作墩帽。

在+200.00米以上新建的每级子坝，采用每间隔15米预埋一根Φ89×5毫米开孔钢管进行排渗，在新建的每级子坝形成水平排渗网。

从排渗观测记录的数据可以看出，暴雨期间排渗量明显增大，说明暴雨时雨水渗入到坝体内后能及时沿水平—竖直排渗体排出，说明施工质量达到了设计要求。在正常生产时期能够正常运行，渗水清澈，排渗效果较好，在一定程度上起到了降低浸润线及加固坝体的作用，有利于提高坝体的安全。

4. 小结：经过上述的实践确定了坝体的稳定性