超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法與流程

本發明屬于細粒尾礦筑壩技術，具體涉及一種超細粒尾礦采用上游法筑壩如何防止地震液化失穩破壞的方法，對于高烈度地震地區超細粒尾礦堆筑上游法尾礦壩尤為適用。

背景技術：

目前我國發現的礦產有150多種，建設的礦山有10000多座，累計產生尾礦一百余億噸，而且每年仍以10億多噸的速度增長。尾礦的處置方式還是采用尾礦庫地面堆存為主，目前統計到的尾礦庫數量超過12000座，90％以上采用上游法堆壩。

尾礦壩是一種特殊的土工構筑物，其筑壩材料、施工工藝、建筑工期、服務功能、靜動力特性、壩體結構形式、服務期和環境安全要求均不同于一般的水工土石壩。上游法尾礦壩后繼斷面較小及占地較少，且工藝簡單，造價低，在我國大多數尾礦壩中得到采用。然而，尾礦顆粒較細，比重較大，親水性弱，飽和疏松的尾礦是非常敏感的不穩定結構，而上游法尾礦壩容易形成復雜、混合的壩體結構，許多壩體的排水系統不完善或易淤堵，致使壩體內的浸潤線抬高甚至從壩面溢出，大部分壩體處于飽和狀態且比較疏松，容易引起壩體產生滲透破壞或滑坡、垮塌，在動荷載條件下強度低，動剪應力比變化范圍小，地震時更易發生液化破壞。如1978年日本的Mochikoshi 1#尾礦壩由于地震液化破壞，2#尾礦壩在地震后約24h倒塌，近8萬m³的尾礦水合物被釋放出來，給當地的生態環境和人民生命財產帶來了巨大的損失。1965年智利La Ligua地震中Cobre尾礦壩潰壩吞掉200人的生命。1976年唐山地震曾導致大石河尾礦壩沉積灘發生大量的噴水冒砂現象，地震還導致天津堿廠尾礦庫發生液化破壞，波及范圍0.4km。鑒于尾礦壩地震液化帶來的重大危害，尾礦壩地震液化問題已成為尾礦庫工程抗震研究的一個熱點課題。

采用上游法堆壩的尾礦粒度一般控制在-200目(0.075mm)含量不超過80％，特別是對于堆筑超過60m的高壩，對尾礦粒度要求更嚴格，對于-200目含量超過80％的尾礦，一般認為不適合用尾礦直接堆壩。采用細顆粒尾礦筑壩的最終堆積高度受到很大的限制。國內經驗認為，細顆粒筑壩不宜超過30m，對于占地較大的尾礦庫，顯然不經濟。

隨著選礦技術的進步及選礦回收率的提高，所產生的尾礦粒度越來越細，有色礦和一些超貧磁鐵礦產生的尾礦-200目含量達到了85％，一些黃金尾礦甚至達到90％。浮選尾礦砂平均粒徑在0.03mm左右，尾礦顆粒細。細顆粒尾礦筑壩力學強度低，固結時間長，堆壩速度較慢，對于大、中型礦山而言，堆壩速度將會影響礦山選廠的正常生產。采用細顆粒尾礦筑壩后，壩體內的排滲不暢造成壩體內的浸潤線過高，使尾礦砂長期處于飽和狀態，尾砂固結非常慢，不利于尾砂固結后強度提高，進而影響壩體的穩定性，有發生潰壩的潛在風險，當前發生的很多尾礦庫災害事故都是由于壩體內的浸潤線過高引起的。

細顆粒尾礦筑壩尾礦庫，在壩前分散管排礦很難形成尾礦筑壩的灘面，尾礦庫水上沉積坡度十分平緩，庫水位處于較高的位置，沉積的礦泥不易固結，筑壩速度、調洪庫容和壩高都不同程度地受到限制，壩體抗震穩定性差，在地震作用下容易發生壩體液化失穩等狀況。在高地震烈度區，因細顆粒尾礦的抗液化能力弱，尤其不適合直接堆壩或不能堆筑高壩。對于細粒尾礦庫，比較安全可靠的堆存方式為一次性筑壩，但堆存成本太高，堆存成本在20～26元/m3，而且對于土地資源日益緊缺的礦山，尾礦庫的建設和運行成本在急劇上升，甚至影響到礦山的持續健康發展。

根據中鋼集團馬鞍山礦山研究院(金屬礦山安全與健康國家重點實驗室、國家金屬礦山固體廢物處理與處置工程技術研究中心的依托單位)近年來對尾礦的抗液化性能的研究得出：在一定的地震荷載作用下，飽和尾砂是否發生液化和液化的程度，主要由尾砂自身的物理性質和環境條件決定。尾砂的液化與下列因素有關：尾砂顆粒的粒徑、密度、不均勻系數和粘粒成分含量、地震歷史(該區域遭受的最大地震烈度)、飽和程度及現場條件、地下水浸潤線埋深、排水條件、滲透能力等都會影響尾砂的液化，以及動荷載的形式和幅度的大小也是影響尾砂的液化主要因素。

細粒尾礦筑壩的尾礦庫動穩定性差，主要是由下列原因造成的：

(1)細粒尾礦砂土顆粒尺寸小，細粒尾礦相對密度小，尾砂固結速度慢，易液化；

(2)細粒尾礦不均勻系數愈小，抗液化性差；

(3)細粒尾礦筑壩，地下水浸潤線埋深淺，易液化。

(4)動荷載和較大的地震幅值，在細粒尾砂中形成的超孔隙水壓力來不及消散，使液化現象增加得愈明顯。

尾礦庫作為一個危險源，對于處于抗震設防烈度較高地區的細粒尾砂筑壩尾礦庫，提高細粒尾礦抗地震液化性能和提高細粒尾礦筑壩的尾礦庫動力穩定性顯得尤為重要。

為了解決尾礦壩抗震問題，《中國鎢業》2009年第二期刊登的“尾礦壩抗震設計研究進展”一文中，圍繞尾礦壩地震液化評價和穩定分析簡化方法兩方面內容，較全面地概述了國內外尾礦壩抗震設計的研究成果和最新進展。但也指出：尾礦壩抗震設計研究仍然是巖土工程和地震工程中重要的課題之一，以往研究取得較大進展，但由于其復雜性，從理論到工程應用仍存在很多值得探討的問題。而且該文并未針對超細粒尾礦采用上游法尾礦筑壩中如何防止地震液化失穩破壞提出具體的解決思路。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對細粒、特別是超細粒尾礦堆筑上游法尾礦庫存在的地震液化、失穩破壞問題，而提出一種超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法，以提高細粒尾礦堆筑尾礦庫壩體的穩定性。

為實現本發明的上述目的，本發明超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法，按照設計方案修建初期壩、壩肩截洪溝，所述的初期壩采用碾壓土石壩壩體，并進一步按照以下技術方案實施：

1)根據上游法尾礦壩所在地區地震抗震設防烈度，確定第一層抗地震液化中粗砂排滲層，第二層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深為第一層抗地震液化中粗砂排滲層埋置深度的一半；

設防地震烈度≤6地區，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在6.2～7.5m；設防地震烈度為7地區，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在7.2～8.5m；設防地震烈度為8地區，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在8～9.5m；設防地震烈度為9地區，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在9.5～11m；

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層、第二層抗地震液化中粗砂排滲層皆由中粗砂排滲層及鋪設在中粗砂排滲層中的一排槽孔排滲管構成；槽孔排滲管通過三通管與排水連通管聯通；所述的排水連通管的一部分預埋在初期壩中，排水連通管的外端與壩肩截洪溝相連，排水連通管在初期壩內測位置改變方向后沿平行于初期壩的壩體方向布置，排水連通管通過三通管與槽孔排滲管聯通。

2)當超細粒尾礦排放至初期壩中預埋的第一層排水連通管標高時，鋪設第一層的中粗砂排滲層，在中粗砂排滲層中埋設槽孔排滲管，形成第一層抗地震液化中粗砂排滲層；排水連通管將槽孔排滲管收集的尾礦庫里地下水導入壩肩截洪溝，排出庫外。

在第一層抗地震液化中粗砂排滲層鋪設完成后，繼續排放超細粒尾礦，當超細粒尾礦排放至初期壩中預埋的第二層排水連通管標高時，再鋪設第二層抗地震液化中粗砂排滲層中的中粗砂排滲層，在中粗砂排滲層中埋設槽孔排滲管；排水連通管將槽孔排滲管收集的尾礦庫里地下水導入壩肩截洪溝，排出庫外。

3)第二層抗地震液化中粗砂排滲層鋪設完成后，再繼續排放超細粒尾礦，在初期壩的壩頂高度位置鋪設抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，所述的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層是由中粗砂排滲盲溝及埋設在中粗砂排滲盲溝中的槽孔排滲管構成，該層的槽孔排滲管與初期壩頂部的平臺排水溝相連，平臺排水溝與壩肩截洪溝相連，將細粒尾礦堆積壩中的地下水排入初期壩頂的平臺排水溝。

4)在抗地震液化中粗砂排滲盲溝層之上，將尾礦砂漿充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一級的尾礦模袋子壩，在第一級的尾礦模袋子壩修筑完成后，再在該級的尾礦模袋子壩上鋪設中粗砂排滲盲溝，該級的粗砂排滲盲溝與該級的平臺排水溝相連；

依次繼續采用模袋法向上修筑第二級的尾礦模袋子壩、第三級的尾礦模袋子壩，并將抗地震液化中粗砂排滲盲溝層與尾礦模袋子壩間隔設置。

所述的中粗砂是指物料中+0.1mm粒級含量占物料總質量在20％～70％、其中-0.074mm粒級含量占物料總質量≤50％的中粗粒尾礦。

尾砂堆積壩子壩采用模袋法堆筑，即將尾礦砂漿充灌入模袋中，經自然沉淀排水、振密固結排水得到壩體。模袋法的模袋為由上、下兩層高強度土工織物(如丙綸、滌綸、錦綸、聚丙烯等)制作的大面積連續袋狀材料，在其袋內泵灌流動性尾砂漿并固結后形成的一種防護體。模袋的土工織物的平均空隙根據尾砂的粒度構成確定，保證中值粒徑以上的尾砂存留在模袋內為原則。

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層、第二層抗地震液化中粗砂排滲層的寬度≥50m，長同初期壩軸線長度，厚度為0.5m～0.6m。

所述的槽孔排滲管外包土工布，該土工布必須耐腐蝕。所述的槽孔排滲管間距8m～12m，模袋法修筑的尾礦模袋子壩高為3m～4m。

本發明超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法，通過增加水平排滲設施，降低壩體地下水浸潤線，加快細粒尾礦的固結，以提高細粒筑壩尾礦庫壩體穩定性和細粒尾礦堆積壩抗地震液化。本發明采用以上技術方案后，具有以下積極效果：

1)解決了超細粒尾礦修筑尾礦庫只能局限于一次性筑壩，不適用采用上游法修筑尾礦庫的問題，并且可以對一次性筑壩的超細粒尾礦庫進行增高擴容，延長了尾礦庫的生產服務年限，增加了超細粒尾礦庫的庫容，極大地降低了超細粒尾礦的處理成本；

2)采用通常方法處理的超細粒尾礦上游法筑壩尾礦庫，最終堆積高度受到很大的限制，國內經驗認為，細顆粒筑壩不宜超過30m，對于占地較大的尾礦庫，顯然不經濟。采用針對超細粒尾礦堆筑上游法尾礦壩防止地震液化失穩破壞的方法后，尾砂堆積壩最終堆積高度得到了極大的提高，最終堆積高度可達80米以上，大大提高了土地的利用率，降低了生產成本。

3)增設的抗地震液化中粗砂排水墊層，疏干了墊層以上區域的超細粒尾砂中的地下水，降低了壩體浸潤線，加快了超細粒尾礦的固結，提高了超細粒尾礦的承載力和抗液化能力，消除了超細粒尾砂堆積壩地基的地震液化沉陷。

4)抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，加快了模袋法構筑的子壩中超細粒尾砂的固結，加快了子壩堆筑的速度，提高了生產效率(對于大、中型礦山而言，堆壩速度將會影響礦山選廠的正常生產)，提高了超細粒尾砂的強度指標，提高了超細粒尾砂堆積壩的抗地震液化能力，提高了超細粒尾砂堆積壩的穩定性。

附圖說明

圖1為本發明方法采用的第一層抗地震液化中粗砂排水墊層平面布置示意圖；

圖2為圖1中的A-A剖面圖；

圖3為本發明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲層內埋設的槽孔排滲管與排水連通管連接剖面圖；

圖4為本發明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲層中槽孔排滲管與排水連通管連接平面示意圖；

圖5為本發明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層中槽孔排滲管與尾砂堆積壩坡面排水溝示意圖。

圖中標記為：1-壩肩截洪溝；2-排水連通管；3-槽孔排滲管；4-中粗砂排滲盲溝；5-初期壩；6-平臺排水溝；7-尾礦模袋子壩；8-第一層抗地震液化中粗砂排滲層；9-第二層抗地震液化中粗砂排滲層；10-土工布；11-中粗砂排滲層；12-三通管。

具體實施方式

為進一步描述本發明，下面結合附圖，對本發明超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法作更詳細的描述。

工程實施例為我國某大型磷礦的超細粒尾礦庫(磷礦浮選細粒尾礦)的增高擴容工程，工程所在地區為8級地震烈度設防。

由圖1所示的本發明方法采用的第一層抗地震液化中粗砂排水墊層平面布置示意圖并結合圖2、圖3、圖4、圖5看出，本發明超細粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩破壞的方法包括以下工藝、步驟：

1)按照設計方案修建初期壩5、壩肩截洪溝1，所述的初期壩5采用碾壓土石壩壩體；由于上游法尾礦壩所在地區地震抗震設防烈度為8級，確定第一層抗地震液化中粗砂排滲層8的埋深距初期壩5壩頂向下距離為8.4m，第二層抗地震液化中粗砂排滲層9的埋深為第一層抗地震液化中粗砂排滲層8埋置深度的一半，即4.2m。

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層8、第二層抗地震液化中粗砂排滲層9皆由中粗砂排滲層11及鋪設在中粗砂排滲層11中的一排槽孔排滲管3構成；第一層抗地震液化中粗砂排滲層8寬≥50m，長同初期壩5軸線長度，厚0.5m～0.6m，在中粗砂排滲層11中鋪設縱向的槽孔排滲管3，長45m左右。槽孔排滲管3通過三通管12與排水連通管2聯通；所述的排水連通管2的一部分預埋在初期壩5中，排水連通管2的外端與壩肩截洪溝1相連，排水連通管2在初期壩5內測位置改變方向后沿平行于初期壩5的壩體方向布置；槽孔排滲管3外包土工布10，槽孔排滲管3和外包的土工布10必須耐腐蝕，槽孔排滲管3長≥45m，槽孔排滲管3的間距為8m～12m，槽孔排滲管3直徑≥75mm、壁厚≥12mm，槽孔排滲管3通過三通管12與排水連通管2相連，排水連通管2將槽孔排滲管3收集的尾礦庫里地下水導入壩肩截洪溝1，排出庫外。

2)當超細粒尾礦排放至初期壩5中預埋的第一層排水連通管2標高時，鋪設第一層的中粗砂排滲層11，在中粗砂排滲層11中埋設槽孔排滲管3，形成第一層抗地震液化中粗砂排滲層8；

在第一層抗地震液化中粗砂排滲層8鋪設完成后，繼續排放超細粒尾礦，當超細粒尾礦排放至初期壩5中預埋的第二層排水連通管2標高時，再鋪設第二層抗地震液化中粗砂排滲層9中的中粗砂排滲層11，在中粗砂排滲層11中埋設槽孔排滲管3；

3)第二層抗地震液化中粗砂排滲層9鋪設完成后，再繼續排放超細粒尾礦，在初期壩5的壩頂高度位置鋪設抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，所述的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層是由中粗砂排滲盲溝4及埋設在中粗砂排滲盲溝4中的槽孔排滲管3構成，該層的槽孔排滲管3與初期壩5頂部的平臺排水溝6相連，平臺排水溝6與壩肩截洪溝1相連；

4)在抗地震液化中粗砂排滲盲溝層之上，將尾礦砂漿充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一級的尾礦模袋子壩7，在第一級的尾礦模袋子壩7修筑完成后，再在該級的尾礦模袋子壩7上鋪設中粗砂排滲盲溝4，該級的粗砂排滲盲溝4與該級的平臺排水溝6相連；

依次繼續采用模袋法向上修筑第二級的尾礦模袋子壩7、第三級的尾礦模袋子壩7；每級礦模袋子壩7底寬36～40m，頂寬18m～20m，高3m，尾砂排放和模袋法修筑的子壩7同時進行，待模袋法修筑的尾礦模袋子壩7修筑完成，再在模袋法修筑的子壩上鋪設抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，抗地震液化中粗砂排滲盲溝層與尾礦模袋子壩7間隔設置；所述的模袋法修筑的尾礦模袋子壩7高度為3m～4m。

本發明的實際工程應用結果表明：由于第一層抗地震液化中粗砂排滲層8、第二層抗地震液化中粗砂排滲層9及抗地震液化中粗砂排滲盲溝層、壩肩截洪溝、平臺排水溝以及尾礦模袋子壩的綜合協同作用，有效防止了尾礦壩地震液化失穩破壞，成功地對一次性筑壩的超細粒尾礦庫采用上游法進行了增高擴容。該項目成功實施后取得了顯著的經濟社會效益，增加了超細粒尾礦庫的庫容，提高了土地的利用率，延長了尾礦庫的生產服務年限，無需另建新的尾礦庫，僅節省新庫建設費用和征地費用就高達1.5億元，并極大地降低了超細粒尾礦的處理成本。