尾矿库土石初期坝坡面沼泽化治理措施

陈 星，刘发清，朱远乐

（1．长沙矿山研究院有限责任公司a．湖南铭生安全科技有限责任公司；b．金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012）



尾矿库土石初期坝坡面沼泽化治理措施

陈 星1a，1b，刘发清1a，1b，朱远乐1a，1b

（1．长沙矿山研究院有限责任公司a．湖南铭生安全科技有限责任公司；b．金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012）

摘 要：对于初期坝为透水堆石坝、后期采用尾砂筑坝的上游式尾矿库，由于库水位高、干滩长度短、尾砂渗透性差、堆积坝坡陡、未设置排渗设施等原因，往往在后期尾矿堆积坝坡面出现沼泽化现象。目前对这种堆积坝坡面沼泽化的治理已积累了丰富的经验，而对于土石初期坝沼泽化现象，因出现较少，研究不多，治理措施也较少。通过对初期坝坡面沼泽化的原因分析和治理措施比选，将水平排渗管用于尾矿库土石初期坝坡面沼泽化治理中，根据浸润线观测及现场查看，经治理的土石初期坝浸润线埋深逐步降低、坡面沼泽化消除、坝体稳定性逐步提高，具有良好的治理效果。采用水平排渗管可消除土石初期坝沼泽化，施工中积累的经验可为类似工程治理提供借鉴。

关键词：尾矿库；土石坝；初期坝；沼泽化；水平排渗管

1 土石初期坝坡面沼泽化问题的提出

尾矿库是非煤矿山的主要危险源，其危害仅次于地震、霍乱、洪水和氢弹爆炸等而居于第18位［1］，尾矿库安全问题已引起政府、企业及老百姓的高度关注。水是影响尾矿库安全最重要的因子，其渗流稳定直接关系到尾矿库安全，由于渗流异常造成尾矿库失事的比例高达30%～40%［2］，因此对尾矿库的渗流控制及排渗方法研究变得尤为重要。

图1　土石初期坝结构示意图Fig．1 Structure of earth⁃rock starter dam

我国非煤矿山尾矿库大多采用上游式构筑，上游式尾矿库初期坝一般优先采用废石堆筑，当库区周边无充足石料时，结合当地材料实际情况，经论证可行也可设计为土石坝或其他坝型。因土石初期坝自身渗透系数远小于堆石初期坝，往往导致后期尾矿堆积坝浸润线抬升，易在初期坝或堆积坝的坡面出现水逸出而导致沼泽化。起初是坝体本身沼泽化，进而坝体逐渐开裂，慢慢形成滑体，局部地段发生管涌，最后酿成整体滑移导致泥石流坍塌，其破坏力是毁灭性的［3］。为了有效降低浸润线保证坝体渗流稳定，防止发生坡面沼泽化，除了常规的在土石初期坝内坡设置反滤层、在外坡脚设排水棱体外，往往还需设置坝底反滤层、坝体排渗体、内坡脚集渗层及库底排渗层。通过设置以上反滤排渗设施并按设计要求进行施工，浸润线可降至库底排渗层，尾矿库的水可通过坝下预埋排渗管或坝底埋设的反滤层顺利排出。图1所示的土石初期坝结构图在许多非煤矿山企业尾矿库得以应用，坝体渗流正常未曾发生过坝体浸润线出逸现象。

查明某多金属矿尾矿库初期坝结构，分析产生沼泽化的原因，进而提出治理措施。通过对比实施排渗设施前后坝体浸润线监测数据，表明本文提出的将水平排渗管用于土石初期坝沼泽化治理是有效的，为今后类似工程的治理提供了借鉴。

2 尾矿库实例

某山谷型尾矿库尾矿坝平面布置如图2所示，排洪系统为排水斜槽接排水管，内径均为1．2 m，防洪高度3．7 m。初期坝为碾压土石坝，坝底标高高程为＋140．0 m，坝顶标高高程为＋155．0 m，坝高15．0 m，坝顶宽5．0 m，坝顶轴线长60．0 m，下游坡采用石灰岩块石干砌，厚度0．2～0．4 m，坡比1∶1．8，上游坡采用石灰岩片石贴面，厚度约0．2 m，坡比1∶1．7。下游坝坡高程为＋142．0 m，标高处设0．65 m宽马道。

图2　尾矿坝平面布置Fig．2 Plane layout of tailings dam

堆积坝前采用放矿管为分散放矿，有3级子坝，堆积坝平均坡比1∶4。设计总库容66．0×104m3，设计总坝高28．0 m，设计服务年限13．4 a，目前尾矿库坝高22．0 m，库内堆存尾砂量约35．0×104m3，为五等库。为了延伸澄清距离使尾矿水满足环保要求，矿方于2014年2月加盖排水斜槽盖板抬升库内水位，尾矿库长期处于高水位运行，浸润线逐渐抬升；2014年5月，初期坝2／3坝高以下外坡出现浸润线逸出现象，且已形成径流，坝面沼泽化严重，存在较大的安全隐患，如不及时处理可能导致溃坝。

图3　尾矿坝剖面Fig．3 Section of tailings dam

3 沼泽化原因分析

矿方有大量采矿废石可供使用，设计初期坝采用废石碾压形成，上坝石料抗压强度≥40 MPa，软化系数≥0．8，最大粒径≤0．6 m，级配良好，施工时要求分层碾压填筑厚度≤0．6 m。初期坝构造见表1，尾矿坝剖面图如图3所示。设计坝高15．0 m，坝顶宽5．0 m，下游坡比1∶1．8，上游坡比1∶1．7。为防止尾砂泄漏流失，在上游坡设置砂砾石－无纺土工布（400 g／m2）－砂砾石反滤层，初期坝上下游坡均采用0．3 m厚干砌石护坡。

表1　初期坝构造Table 1 Parameters of starter dam structure

初期坝饱和密度为1．96 g／m3，固结快剪凝聚力为29．3 kPa、内摩擦角为16．1°，水平渗透系数、垂直渗透系数分别为3．90×10－6，1．72×10－6m／s。

在实际施工时考虑到运石成本、施工进度等因素，在库区就近取土筑坝，私自将坝型变更为土石坝，但并没有按土石坝构造要求对内外坡比进行相应调整，未设置反滤层及排水棱体，也未设置其他反滤排渗设施，且长期高水位运行，当前死水位为＋159．3 m，防洪高度仅为2．7 m，远小于设计要求的3．7 m。

通过以上分析并结合有关研究成果［4－7］，导致初期坝沼泽化产生的原因主要有以下几个方面：①坝型发生变化后，未对坝体上下游坡比进行相应调整、放缓；②未按规范构造要求设置上游坡反滤层及坡脚排水棱体；③未设置其他坝体排渗与库底排渗等加快尾砂固结、降低浸润线的设施；④未按要求控制库内水位，尾矿库长期处于高水位运行；⑤坝型由透水性好的堆石坝变更为透水性较差的土石坝，筑坝材料主要成分为黏性土及全风化板岩碎石、角砾，风化料长期浸水后逐渐变软，透水性逐渐变弱，渗透系数与邻近尾砂渗透系数比进一步减小。

由于初期坝的阻水作用进一步加大，导致坝前浸润线抬升，从而导致初期坝坡面沼泽化的产生，若不及时加以治理，当发生暴雨洪水库水位抬升，浸润线势必进一步抬升并在堆积坝坝坡出逸，尾矿坝稳定性降低，尾矿库发生溃坝的可能性加大。

4 沼泽化治理方案

上游式尾矿库堆积坝发生沼泽化时有发生，而初期坝沼泽化发生情况不多见。治理堆积坝沼泽化效果较好的有排渗辐射井、水平排渗管或两者联合排渗。相比水平排渗管排渗，排渗辐射井的排渗管进入尾砂层的位置更低、辐射管能够更广泛地分布在透水性更好的尾砂层，因此辐射井的排渗能力较水平排渗管好。然而，对于出现在初期坝体的沼泽化，在初期坝上施工辐射井会对坝体本身造成严重破坏，而在外坡进行贴坡排水并不能从根本上降低浸润线消除沼泽化。对于透水性较弱的土石坝，必须在坝体内打通渗水通道才能逐渐排走坝内及坝前水，从而将浸润降至合理高度以消除坝坡沼泽化。

在初期坝内设水平排渗管简单方便、对坝体破坏小、施工机动灵活且便于后期管理维护，当施工至设计长度时发现排渗效果不好时还可以适当延伸排渗管长度，也可以在排渗管处打入竖向排水板或竖直砂井以增强竖向方向的渗透性，当水平排渗管出现淤堵排渗能力降低时［8］，可通过洗孔恢复其排渗能力。

结合以往尾砂堆积坝沼泽化治理的成功经验，根据本工程的实际情况，采用工程造价低、排渗效果较好、施工及后期维护简便的水平排渗管治理方案。在治理方案实施前，要求库内死水位必须降低至坝顶3．7 m以下，为了后期排渗需要，距滩顶60 m处平行坝轴线铺设2段排渗席垫，内设Φ100 mm软式透水管集渗，垂直坝轴线另设3根DN150排渗管，将渗水引入坝坡排水沟，完善尾矿坝浸润线观测设施并加强监测工作。

根据当前浸润线埋深（见图4）与渗流计算分析（见图5），治理初期土石坝沼泽化的具体方案是在初期坝内布置2组水平排渗管（见图2）。第1组于初期坝＋142．0 m标高，该标高处坝轴线长34．0 m，共布设5根，管距约6 m，编号1＃—5＃，总长度270．0 m。其中：2＃，3＃，4＃管长60 m（坝体段长47．0 m，尾砂段长13．0 m），在尾砂段设集渗段长10 m，排渗段长50 m；1＃，5＃管长为45．0 m，全段均在坝体内，集渗段长20 m，排渗段长25 m。第2组于初期坝＋150．0 m标高处，该标高处坝轴线长50．0 m，也布设5根，编号6＃—10＃，管距8 m，每根管长50 m（坝体段20 m、尾砂段30 m），集渗段长25 m，排渗段长25 m，总长度250 m。在2组排渗管出口处均设坝坡排水沟。

图4　现状浸润线Fig．4 The present saturation line

图5　增设水平排渗管渗流分析Fig．5 Seepage analysis in the presence of horizontal seepage draining pipe

5 水平排渗管设计与施工

5．1 水平排渗管设计

5．1．1 管材管径选择

水平排渗管一般采用钢管或UPVC管。钢管密度大、开孔困难不便于施工，且治理费用较高；UPVC管密度一般为钢管的1／5，施工方便易于加工成排渗管［9］，治理费用较低，且UPVC管能耐强酸、强碱有足够强度抵挡尾砂水压力，是当前较为理想的排渗管材料。

设计起初选用DN150UPVC管，施工DN150管需选用GLP－150型钻机，该钻机L×B＝5．0 m×2．0 m，施工时需在进孔点位置开挖5．5 m×3．0 m基坑以制作基础反力墩。结合本工程初期坝外坡比1∶1．8，基坑开挖L×B×H＝5．5 m×3．0 m×3．1 m，因此选用该型钻机施工时会对初期坝造成较严重破坏，为避免对初期坝的严重破坏，改选用WKDG－160型钻机，其L×B＝2．7 m×1．0 m，需开挖尺寸L×B×H＝3．0 m×2．0 m×1．7 m，大大减小了对初期坝体的破坏，该型钻机施工管径一般为DN56 mm和DN75 mm，为了适当增加排渗管表面积，最终选择了DN75UPVC管。

5．1．2 开孔布置与开孔率

孔径与开孔率应综合考虑来确定，一般孔径取10～15 mm，考虑到管径为75 mm，孔径取15 mm。开孔率一般取8%～11%，有经验表明，当开孔率从7%增加到15%时，其综合渗透系数几乎不变［3］。因此，从既满足水平排渗管良好排渗能力，又能保证其具有足够承受尾矿及水的压力能力考虑，开孔率取8%～9%。

为了达到8%～9%的开孔率，每周开6个直径为15 mm圆孔，梅花形布置，孔间距为50 mm，开孔率为8．5%，管钻孔后外包400 g／m2土工布1．5层，用铁丝或抗腐蚀橡胶绳每隔20 cm绑扎一道。水平排渗管制作详图如图6所示。

图6　水平排渗管Fig．6 Details of horizontal seepage draining pipe

5．1．3 坡度、长度与标高

当浸润线达到排渗管附近时，由于排渗管渗透系数远大于尾砂与坝体，水渗入管中，为了利于排渗水排出，排渗管与水平方向呈一定夹角，其坡度一般为1%～3%，结合该库实际浸润线埋深情况，坡度取1%。

排渗管的长度分为集渗段和排渗段，集渗段开孔而排渗管不开孔，在此需要注意的2点：一是集渗段要么全部布置在尾砂内，要么全部布置在坝体内，以防止初期坝体发生渗透破坏；二是距离基础面较近的一组排渗管，其两侧排渗管不要打穿初期坝坝体以免钻入基岩。排渗管长度与标高应由浸润线埋深来确定，通过渗流与稳定性计算出浸润线最高控制值，与实际浸润线高度比较可求出浸润线必需的降低值，从而确定水平排渗管贯入深度与标高。让排渗管出水口标高低于该处浸润线的标高，这样对排渗有利，两者之间的高差控制在2 m左右。

5．1．4 出口处理与排渗时间选择

需求情况：国内市场方面，磷复肥会议过后，东北、西北地区二铵市场价格明朗，冬储价格较前期有所上涨，下游接受度不高，新单跟进放缓；华北地区有零星成交，价格延续秋季市场报价。出口市场方面，国际需求总体放缓，采购需求仍存，我国部分企业出口接单持续，但出口商谈价继续走低。

为了有效防止空气进入排渗管发生化学淤堵，需在出水口设UPVC弯头，弯头朝上。为了防止水平排渗管发生物理淤堵，排渗管安装后需将出口先塞住，待集渗段周边尾砂固结稳定后（约20 d）方可排水。

5．2 水平排渗管施工

施工水平排渗管之前，应把浸润线观测孔全部施工完毕，并坚持每天观测浸润线、库水位、放矿位置的变化情况。

水平排渗管的施工工序为：

（1）开挖反力墩基坑，制作钢筋墩基，混凝土标号采用C20。

（2）钻机安装。

（3）采用螺旋钻排渣、套管钻顶成孔法成孔，选用ϕ127 mm×10 mm×1．0 m套管，为确保套管轴线和钻机轴线相重合，须用拉线法在事先测定轴线的基础上指导水平孔开孔。

（5）UPVC管安装，将制作好的管子连接好，使其成为一个整体，送入孔内，直至达到设计长度。

（6）套管拔出，排渗管下入到设计深度后拔出套管水平排渗管才安装完毕。

（7）封堵孔口，水平排渗管安装完毕后，需堵住滤管与拱形孔壁间在孔口处的间隙。其方法是，采用大量小块土工布包扎一定量的黏土塞入孔口与管壁间隙之间，并逐层捣实，直到管外不漏水为止。

在以上施工工序中需要特别注意的是钻机角度的问题，为了达到设计所要求排渗管与水平方向呈1%的坡，在实际施工时应适当加大钻机仰角，本次施工钻机坡度为2．5%，实际打出来的排渗管坡度约为1%，基本达到设计要求的坡度。

6 治理效果及分析

表2　水平排渗管流量统计Table 2 Statistics of flow in horizontal seepage draining pipes

从表2中的8—10月份排渗流量统计来看，最大排渗流量为120．9 m3／d，出现在第2排的尾砂10＃管中，该管集渗段长25 m；由于土石坝渗透性较粗尾砂差，第1组初期坝体内的1＃管渗流量仅为2．07 m3／d。除了9＃管以外，其他9根管经过一段时间的排渗，渗流量逐渐趋于稳定，从排渗稳定后的流量来看，渗流量基本正常，能够满足设计要求。对于出现异常的9＃管，通过对钻孔排出的砂渣分析，该集渗段刚好处于软弱夹层尾矿泥里，尾矿泥的渗透性较差，导致排渗流量较小，后经过增加排渗管贯入长度，增强了排渗能力。

通过表3可以看出，经过近3个月的排渗，浸润线埋深在2．0 m以上，其中布置在初期坝坝顶＋155．0 m标高浸润线埋深降低了3．63 m，初期坝顶处浸润线由坝高2／3处降至坝高1／2处，原坝坡渗水部位已全部疏干，沼泽化现象得到消除，坝体稳定性得到明显改善。

表3　浸润线排渗前后变化情况Table 3 Variation of saturation line before and after seepage drainage

7 结 语

对于因未设置反滤排渗设施或反滤排渗设施失效导致土石初期坝出现的沼泽化给出了将水平排渗管置入初期坝体内的治理方案，该方案治理效果明显，沼泽化得到消除。为了更好地对今后从事类似治理的工程设计人员和施工人员提供借鉴，结合过往工程与本治理工程经验，给出了水平排渗管设计要点和施工中需注意的事项。

参考文献：

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［8］ 崔玉芸，沈楼燕．垂直水平联合排渗体在良山铁矿尾矿坝加固工程中的应用和发展［J］．有色冶金设计与研究，1995，16（3）：11－16．

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（编辑：姜小兰）

Treatment of Slope Swamping of Earth⁃rock Starter Dam of Tailings Pond

CHEN Xing1，2，LIU Fa⁃qing1，2，ZHU Yuan⁃le1，2
（1．Mingsheng Safety Technology Co．，Ltd．，Changsha Institute of Mining Research Co．，Ltd．，Changsha 410012，China；2．State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines，Changsha Institute of Mining Research Co．，Ltd．，Changsha 410012，China）

Abstract：For upstream tailings pond with permeable rock⁃fill starter dam，slope swamping of tailings⁃fill dam is of⁃ten found in later stage due to high water level，short dry beach，inadequate tailings permeability，steep slope，or absence of seepage facilities．We have rich experiences in the treatment of such slope swamping，but researches and treatment measures on the swamping of earth⁃rock starter dam are rare．Through analyzing the causes of starter dam swamping and comparing the treatment measures，we applied horizontal seepage draining pipes to the treatment．By observation and on⁃site investigation，we found that the depth of saturation line of earth⁃rock starter dam gradually declined，slope swamping diminished，and the dam’s stability improved．Through the experience we conclude that horizontal seepage draining pipes could eliminate the swamping of earth⁃rock starter dam．

Key words：tailings pond；earth⁃rock dam；starter dam；swamping；horizontal seepage draining pipes

作者简介：陈 星（1984－），男，安徽濉溪县人，工程师，硕士，主要从事尾矿库研究，（电话）0731－88670450（电子信箱）hhuchenxing＠163．com。

收稿日期：2014－11－24；修回日期：2015－01－04

中图分类号：TD926

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0122－05