康家灣礦齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容面臨的問題及對策(終稿)

1、 康家灣礦齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容面臨的問題及對策安環(huán)部 王松堅(jiān)摘要:本文提出了康家灣礦齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容的建議，并對尾礦庫加高擴(kuò)容所面臨的問題提出了對策，論證了尾礦庫加高擴(kuò)容經(jīng)過正規(guī)單位設(shè)計(jì)、工程整改，齋家沖尾礦壩穩(wěn)定性完全可以滿足規(guī)范要求。齋家沖尾礦庫可從145米征地標(biāo)高加高至170米或以上，庫容從450萬m3增至910萬m3，相當(dāng)于再造一個(gè)康家灣礦齋家沖尾礦庫，與選擇地址建新的尾礦庫相比，可節(jié)省投資數(shù)千萬元。關(guān)鍵詞：齋家沖尾礦庫 加高擴(kuò)容 工程地質(zhì)勘察 穩(wěn)定性 物理力學(xué)指標(biāo) 排洪系統(tǒng)前言近年來，由于康家灣礦齋家沖尾礦庫接近145米征地標(biāo)高，2008年公司領(lǐng)導(dǎo)多次要求選擇地址建新的尾礦庫以接

2、替齋家沖尾礦庫，后來康家灣礦物色了一個(gè)容積約為800萬m3的尾礦庫新址，預(yù)算金額9800萬元。而筆者在征詢多位知名專家后，向公司領(lǐng)導(dǎo)和康家灣礦領(lǐng)導(dǎo)提出了尾礦庫加高擴(kuò)容的建議。但眾多同仁提出了尾礦庫加高擴(kuò)容可能存在的問題，如尾礦壩穩(wěn)定性、是否有足夠庫容等，為此，公司邀請中國有色金屬工業(yè)長沙勘察設(shè)計(jì)研究院對康家灣礦齋家沖尾礦庫進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察和對庫區(qū)平面圖進(jìn)行精確測量。1尾礦庫概況1.1尾礦庫現(xiàn)狀齋家沖尾礦庫于1974年由原水口山礦務(wù)局自行規(guī)劃設(shè)計(jì)。1979年動(dòng)工，至1986年5月竣工，6月正式使用至今。該庫初期壩壩頂標(biāo)高103.0m，壩高20.8m，壩頂寬4.0m，壩內(nèi)坡1:2.0，外坡1:1

3、.75，壩型為堆石壩，后期堆積壩壩為上游式尾礦堆壩，設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高150.0m，總壩高67.8m，設(shè)計(jì)總庫容526104m3（但是實(shí)際征地標(biāo)高卻為145米，相應(yīng)庫容450104m3）。2000年該庫壩坡出現(xiàn)沼澤化，長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院采用在壩坡上設(shè)置大口輻射井的方案對沼澤化問題進(jìn)行了處理。2003年長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院對該庫的排洪系統(tǒng)進(jìn)行了安全整改設(shè)計(jì)，使其能安全運(yùn)行至150.0m標(biāo)高。目前該庫壩頂標(biāo)高約145.63m。1.2尾礦堆積壩目前齋家沖尾礦庫堆積壩頂標(biāo)高約145.63m，灘頂標(biāo)高約145.5m ,堆積壩高42.63m，總壩高63.43m。庫尾水面標(biāo)高約139.02m，沉積灘長約

4、370.0m，沉積灘坡度約為1.75%；平均堆積邊坡約1:4.7。堆積壩坡采用山皮土護(hù)坡，表面植物（草）較好。壩肩排水溝除標(biāo)高110113m之間東側(cè)的小部分損毀變形外，其余的排水溝均較好。各級馬道的排水溝現(xiàn)狀良好。1.3排洪系統(tǒng)齋家沖尾礦庫排洪系統(tǒng)由期窗口式排水井隧洞和期斜槽豎井隧洞組成，目前正使用期排洪系統(tǒng)。排水斜槽BH=1.01.7m，斷面為圓拱直墻型，建于標(biāo)高114.7m至標(biāo)高153.6m山坡上，斜槽傾角22.1，長105.6m，其底板和側(cè)壁均為單側(cè)配筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。130.0m標(biāo)高以下斜槽中埋設(shè)D=0.8m鋼管加固，鋼管與斜槽內(nèi)壁之間澆注C15細(xì)石混凝土。豎井DH=1.611.0m

5、，混凝土襯砌，豎井底標(biāo)高約103.0m。隧洞BH=1.61.92m，長857.8m，坡度約為1.5%，為門洞型支護(hù)結(jié)構(gòu)，庫區(qū)隧洞經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，主隧洞均采用鋼筋混凝土襯砌，斷面為圓拱直墻型，BH=1.61.85m，坡度約為1.5%，出口底板標(biāo)高90.28m。除部分約長160m長底板損毀外，其余段襯砌結(jié)構(gòu)完好，未見明顯裂縫，僅局部有串珠狀滲水。1.4排滲設(shè)施2000年齋家沖尾礦庫壩坡出現(xiàn)大面積沼澤化，長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院為該庫設(shè)置了兩座大口輻射井，分別位于120.0m標(biāo)高和130.0m標(biāo)高平臺，水平排滲管的出口標(biāo)高分別為107.0和120.0m，目前兩座井出水水質(zhì)澄清，水量穩(wěn)定，分別為7.42L/

6、s及7.29L/s（2010年5月30日測得）。2.存在問題2.1 庫尾南側(cè)埡口最低處標(biāo)高為160.0m，加高后的庫容有限，是否有必要搞加高擴(kuò)容工程？ 2.2原設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高150.0m，如果加高擴(kuò)容，初期壩是否穩(wěn)定以及排水隧洞能否承受加高后所帶來的壓力？3對策：3.1. 對策一：該庫庫尾南向埡口最低標(biāo)高160.0m，需要在此設(shè)置10.0m副壩，即可從145征地標(biāo)高加高25米至170.0m。3.1.1庫容計(jì)算齋家沖尾礦庫為一曲折狹長的V形山谷，走向由東向西，地勢北高南低，溝口高程為90m左右，溝長774m，北岸最高山脊高程為216.7m，南岸最低山脊高程為160.0m，庫區(qū)總匯水面積為0.4

7、3km2，屬山谷型全封閉尾礦庫。兩岸多發(fā)育近南北向山脊，兩岸岸坡較緩，一般1835。第四系覆蓋層較薄，一般12m，局部小型溝谷地段達(dá)58m。常見基巖出露，風(fēng)化程度不均，以強(qiáng)中等風(fēng)化為主。庫尾南向埡口標(biāo)高最低處為160.0m，壩肩坡度為811，外側(cè)溝谷坡度1012，內(nèi)側(cè)溝谷坡度1113，埡口頂最矮處寬約13.0m，兩側(cè)山體坡度較陡，庫尾東側(cè)埡口最低處標(biāo)高為170.0m。由于南側(cè)埡口頂部較窄，壩高受到嚴(yán)格限制。經(jīng)初步估算，可修筑10m高副壩，則尾礦庫可加高至170.0m，根據(jù)地形分析，該庫最終加高擴(kuò)容至170.0m標(biāo)高，總壩高87.8m，總庫容910.0104m3。擬建副壩壩型為加筋堆石壩，設(shè)計(jì)擬

8、在碾壓堆石壩的基礎(chǔ)上考慮每隔1.0m高在壩體設(shè)置加筋鋼塑土工格柵，規(guī)格為縱向極限抗拉力為120KN/m，每1.0m設(shè)一層，每層格柵必須相連，上游設(shè)置袋裝現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，下游邊坡采用干砌塊石護(hù)坡。副壩壩頂標(biāo)高170.0m，最大壩頂12.0m，壩頂寬2.5m，上、下游邊坡為1:0.7。3.2對策二：公司邀請中國有色金屬工業(yè)長沙勘察設(shè)計(jì)研究院對康家灣礦齋家沖尾礦庫進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察，勘察結(jié)果顯示，壩體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。3.2.1堆積壩體穩(wěn)定分析壩體的失穩(wěn)是部分土體沿某滑裂面滑動(dòng)，通常滑裂面假定為圓弧形的，一般情況采用瑞典圓弧法計(jì)算壩坡的抗滑穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)的穩(wěn)定分析即采用瑞典圓弧法。計(jì)算時(shí)采用總應(yīng)力

9、法。根據(jù)選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（ZBJ1-90）第3.4.3條規(guī)定，荷載組合分為正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行三種工況。其抗滑穩(wěn)定要求的最小安全系數(shù)見表1。表1 抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表 壩的級別運(yùn)行工況1234、5正常運(yùn)行130125120115洪水運(yùn)行120115110105特殊運(yùn)行110105105 100對于本尾礦庫其壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)指標(biāo)為：正常運(yùn)行： K1.20洪水運(yùn)行： K1.10特殊運(yùn)行： K1.05該地區(qū)的地震基本烈度小于6度，水平地震系數(shù)小于0.05，所以不進(jìn)行特殊運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定分析。根據(jù)工勘資料，該庫的尾砂從上至下為人工填土（壩坡覆土保護(hù)層）、尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土

10、、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖等，中間或夾尾粉土、尾粉質(zhì)粘土，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。表2 尾礦主要物理力學(xué)指標(biāo)工勘推薦值類 別天然重度（KN/m3）不飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)（）C（Kpa）（）C（Kpa）初期壩體22.0360340人工填土20.016221422尾粉砂20.5254234尾粉土20.520121812尾粉質(zhì)粘土20.415161316粉質(zhì)粘土19.420251825強(qiáng)風(fēng)化砂巖21.030502850中風(fēng)化砂巖26.03210030100根據(jù)長沙勘察設(shè)計(jì)研究院的計(jì)算，目前堆積壩體標(biāo)高和加高擴(kuò)容后最終堆積標(biāo)高計(jì)算結(jié)果見表3，穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果示意圖見圖1圖4。表3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

11、壩頂標(biāo)高(m)庫等級不同工況平均浸潤線降深（m）抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin規(guī)范規(guī)定最小安全系數(shù)K146等正常運(yùn)行實(shí)測1.2531.20洪水運(yùn)行61.1541.10170.0等正常運(yùn)行81.2061.20洪水運(yùn)行61.1341.10根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可見，目前堆積壩頂標(biāo)高時(shí)，在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行情況下的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求；繼續(xù)堆高至170.0m標(biāo)高時(shí)，在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行情況下均能滿足要求。3.3新建排洪系統(tǒng)方案齋家沖尾礦庫原排洪系統(tǒng)為排水斜槽（整改后）豎井隧洞。整改后斜槽內(nèi)部為圓形鋼管，直徑0.8m；豎井為圓形，內(nèi)徑1.6m，高11.0m；隧洞凈斷面BH=1.61.85m，長

12、857.8m，坡度約為1.5%。長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院2003年對該庫排洪系統(tǒng)進(jìn)行了安全整改設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中對排洪系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核。130.0m標(biāo)高以下的斜槽進(jìn)行加固，加固后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受堆至150.0m高的尾砂荷載。但根據(jù)長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院計(jì)算結(jié)果，如果尾砂繼續(xù)向上加高，則斜槽強(qiáng)度將不能滿足要求，且該斜槽再無繼續(xù)加固的空間，所以加高擴(kuò)容中不再考慮利用原排水斜槽。排洪隧洞根據(jù)工勘有關(guān)調(diào)查結(jié)果，除局部底板破壞外，其余段均襯砌完好，可繼續(xù)利用。如果齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容，將新建框架式排水井新建隧洞（洞長約為580m）距隧洞出口約260m處原隧洞。10 圖1 目前壩頂標(biāo)高146.0m時(shí)正常運(yùn)行壩

13、體穩(wěn)定示意圖圖2 目前壩頂標(biāo)高146.0m時(shí)洪水運(yùn)行壩體穩(wěn)定示意圖圖3 最終堆積壩頂標(biāo)高170.0m時(shí)正常運(yùn)行壩體穩(wěn)定示意圖 圖4 最終堆積壩頂標(biāo)高170.0m時(shí)洪水運(yùn)行壩體穩(wěn)定示意圖4工程投資估算康家灣礦齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容工程主要包括：排洪系統(tǒng)、副壩等工程。其中排洪系統(tǒng)費(fèi)用見下表：工程或費(fèi)用名稱金 額（元）排水井210000隧洞掘進(jìn)608000隧洞襯砌鋼筋C25混凝土1486000豎井掘進(jìn)28800豎井襯砌鋼筋C25混凝土93000小計(jì)2425800副壩費(fèi)用見下表：工程或費(fèi)用名稱金 額（元）清基5800碾壓堆石壩605000鋼塑土工格柵208000現(xiàn)澆袋裝C15混凝土350000上游壩坡噴

14、C15混凝土40000小計(jì)1208800如果從各分水嶺以下至145米標(biāo)高征地，需征242 畝，按2萬元計(jì)算，需484萬元，如果從各170.0m標(biāo)高至145米標(biāo)高征地，需征142 畝，需284萬元，這樣，尾礦庫加高擴(kuò)容至170.0m標(biāo)高后，總估算投資約為847.46萬元647.46萬元。5. 尾礦庫違規(guī)加高的典型案例2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫突然潰壩，約26.8萬立方米的泥沙碎石，從50多米的高度傾瀉而下，沖垮和掩埋了尾礦庫下方的新塔礦業(yè)公司辦公樓、部分民居和一個(gè)集貿(mào)市場。事故共造成277人死亡和4人失蹤，為死亡人數(shù)最多的一起尾礦庫安全生產(chǎn)事故。經(jīng)調(diào)查，該尾礦庫

15、在原庫已閉庫的基礎(chǔ)上加高16米，未經(jīng)立項(xiàng)審批、沒有正規(guī)設(shè)計(jì)，屬違規(guī)私筑壩體。該公司憑經(jīng)驗(yàn)隨意堆壩，對堆壩邊坡、干灘長度、排洪設(shè)施等關(guān)系到壩體安全的重要參數(shù)及設(shè)施沒有充分的認(rèn)識，最終因壩體浸潤線過高、尾沙干灘長度過短而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。由此可見，尾礦庫的任何施工工程都必須經(jīng)過有資質(zhì)單位進(jìn)行正規(guī)設(shè)計(jì)、驗(yàn)算后才能進(jìn)行。6. 結(jié)論齋家沖尾礦庫加高擴(kuò)容必須經(jīng)有資質(zhì)單位進(jìn)行正規(guī)設(shè)計(jì)。該庫本次加高擴(kuò)容后，最終堆積標(biāo)高170.0m，總壩高87.8m，總庫容910.0104m3，為等庫，根據(jù)目前兩個(gè)礦山的生產(chǎn)規(guī)模：康家灣礦50萬t/a，年入庫尾礦量26.6104t，其余用于井下充填。鉛鋅礦選廠 5萬噸/年，年入

16、庫尾礦量4104t/a。尾礦堆積干容重： 1.5t/m3年入庫尾礦量：30.6104t(20.4104m3, 尾礦粒徑：200目約占48) 經(jīng)計(jì)算，可為目前水口山有色集團(tuán)的康家灣礦選廠和鉛鋅礦選廠服務(wù)18年，該庫擴(kuò)容改造后具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 該庫新建排洪系統(tǒng)采用排水井排水隧洞老隧洞，新增1座鋼筋混凝土框架式排水井，井內(nèi)徑2.0m，井架高H=24.0m，新排水隧洞與老隧洞相接，新建隧洞長約580.0m，斷面為BH=1.51.8m，可滿足規(guī)范要求的500一遇的防洪要求。 通過保持一定的堆積邊坡和設(shè)置相應(yīng)的壩體排滲設(shè)施，齋家沖尾礦庫加高至170.0m標(biāo)高時(shí)，堆積壩體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能滿