尾矿库副坝方案研究

郑 伟，于 菲

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038； 2.金堆城钼业股份有限公司,陕西 华县 714100)

1 前言

尾矿库作为矿山的重要附属设施日益受到重视，其主要构筑物——尾矿坝、排洪设施等都是关注的重点。尾矿坝设计及研究的重点通常都集中于主坝，因其坝高相对较高，占地面积大，建设时间长，辅助设施多(排放设施、排渗设施、监测设施)。主坝坝高是确定尾矿库等别的重要依据，进而影响到防洪标准、最小干滩长度、最小安全超高等控制标准的确定，是尾矿库整体方案的基础。

对于一些地形比较复杂的尾矿库，垭口较多，需要修建副坝使尾矿库库区形成封闭以达到设计所需要的库容，此时副坝的问题就十分突出，因其直接影响到尾矿库的最终淹没标高、总库容和服务年限。同主坝通常采用尾矿堆筑不同，副坝的结构形式更为多样，可以是混凝土坝、均质土坝、堆石坝、尾矿坝等，不同的结构形式对尾矿库整体方案的影响也不同。对于一些地质情况复杂、山体较薄、坝高也较高的情况，副坝的稳定性问题很突出，副坝的结构形式的选择就非常重要，不但涉及到副坝自身的稳定，还关系到整个山体的稳定性，大大增加了尾矿库的设计难度。

2 尾矿库概况

国内某大型矿山的尾矿库原设计淹没标高1 300m，

总坝高(主坝)164.5m，总库容16 930万m3。初期坝为透水堆石坝，坝高40.5m，尾矿堆积坝坝高124m，采用上游式尾矿筑坝法，堆积坝总坡比为1∶5。二期工程在原设计标高的基础上尾矿上游法加高30m，尾矿库最终淹没标高1 330m，总坝高(主坝)194.5m，尾矿堆积坝坝高154m，总库容2.5亿m3。

尾矿库库区东侧存在5个垭口，鞍部标高1 285～1 327m不等，平面图见图1，各垭口的基本情况见表1。其中2号垭口标高最低，长度最长。原设计尾矿库淹没标高1 300m时， 2号垭口需要修建副坝，当二期工程加高至1 330m时，1号～5号全部5个垭口都需要修建副坝。由于2号垭口处山体最薄、拟建副坝的坝高最高、坝轴线最长，一期工程及二期工程都要涉及，因此2号垭口副坝的方案是研究的重点，也是其他副坝研究工作的基础，2号垭口副坝的形式决定其他垭口副坝的形式以及尾矿库的整体方案。本文主要围绕2号垭口处的副坝方案进行阐述。

图1 垭口分布平面图

垭口1号2号3号4号5号鞍部最低标高/m13031285132713131321长度/m1113720810

3 工程地质情况

在一期工程运行后期，重新对2号垭口补充工程地质勘察，勘察基本情况如下。

(1)拟建副坝坝址区坡度一般40°～60°，山脊处近垂直的陡崖分布。地形起伏较大，两侧山峰耸立，山坡较陡，一般坡度35°～60°。

(2)因经过多次构造运动，坝址处岩层受挤压严重，小构造形迹以小褶皱、断裂、节理裂隙为主，岩石破碎，风化强烈，岩体已切割成碎块、碎片状，呈碎裂结构，节理裂隙很发育，局部应力集中地带节理裂隙极度发育，坝基不均匀沉降严重。

(3)坝址区内受区域构造控制，小型断裂、节理、裂隙及劈理都很发育。区内未见软弱夹层及可能形成的滑动面，但坝体受力方向与岩层存在顺层关系的不利组合。

(4)拟建副坝坝址区地层可分为第四系坡积物和强～中等风化硅质灰岩，水文地质条件简单～中等，岩层构造发育，工程地质条件中等～复杂。

第四系坡积物主要成分由粉质粘土含大小不等棱角状硅质灰岩碎石组成，稍湿，松散～稍密状态，层厚0～2.60m。

强风化硅质灰岩呈碎裂结构，块状构造，岩石节理裂隙非常发育，岩石主要组成成份为长石及石英。岩芯呈砂状或碎块状，岩层产状为80°～105°∠5°～16°，层厚约1.40～9.00m。中等风化硅质灰岩岩芯呈碎块状或短柱状，局部地段岩芯呈砂状，岩层产状为80°～105°∠5°～16°，目前揭露层厚约74.50m。勘探过程中在中等风化层内钻进、取样等均异常困难，充分体现出“硬、脆、碎”的特点。中等风化硅质灰岩饱和抗压强度标准值为55.59MPa，岩层承载力特征值为5.56MPa，结合岩体结构面发育特点和破碎程度，工程地质性能较差。

(5)副坝坝基(肩)强风化岩层渗透性强，中风化层为弱～微透水性同，35m以下(相对于1 286m)为基本不透层。

4 副坝方案

4.1 方案比选

原设计2号垭口处副坝有两种方案，当时对应的尾矿库最终淹没标高为1 300m，方案一为重力坝方案，方案二为尾矿堆坝方案，见图2和图3。

图2 方案一典型剖面图

图3 方案二典型剖面图

方案一采用浆砌石副坝，坝顶标高1 300m，坝底标高1 273m，坝高27m，坝顶宽5m，上游坡比1∶0.15，下游坡比1∶0.75，坝长208.4m(见图2)。由于垭口处山脊宽度不够，无法放坡，需要将坝轴线向库内适当平移，清除山脊处的坡积物及强风化岩层并换填浆砌条石基础，坝基平均开挖6m至中风化岩石。同时采用帷幕灌浆降低扬压力并减少向库外渗漏。稳定性计算结果为坝基面抗滑稳定安全系数1.1，坝址处抗压强度0.54MPa，坝踵处抗压强度0.046MPa，均符合规范要求。

方案一的优点在于一次性建坝，相当于抬高山体，运行管理方便，副坝不受干滩长度的限制，排洪设施、回水设施、尾矿输送与排放设施等基本不受影响，操作管理灵活。缺点为坝体加高困难，二期工程坝顶标高为1 330m，需要在一期工程的基础上加高30m，如果仍然采用重力坝一次性加高，继续削平山脊已不现实(库内水位标高1 271m)，必然有相当一部分坝基落到尾矿沉积滩上，不均匀沉降会导致坝基失稳。如采用其他方式堆坝，会在现有浆砌石重力坝坝顶上加荷载30m，稳定性计算结果为坝基面抗滑稳定安全系数0.94，将东梁山体与坝体作为整体进行计算，坝坡抗滑稳定性的安全系数0.98，不满足规范要求。

修建副坝对于东梁山体主要的影响有下列两项，第一是相当于在现状山体滑弧顶部加载，增加下滑力；第二是导致现状山体内部浸润线抬升，岩石自身物理力学指标下降。因此方案二的思路是尽量利用现有条件尽可能少扰动现有山体，在保证东梁山体自身稳定的前提下进行副坝加高，首先通过基础灌浆加固山体，为修建副坝提供坚实的基础，副坝加高采用上游式筑坝工艺，采用直接冲积法筑坝。副坝坝底标高为1 286m，最终坝顶标高为1 300m，副坝总坝高14m(见图3)。

方案二的优点在于不扰动现有山体，稳定性有保障，而且可以采用同样的方式加高到1 330m，尾矿排放与筑坝方式与主坝相同，经济有效，运行管理也较为简单。二期工程坝顶加高至1 330m时，将副坝坝体与东梁山体整体建模并进行稳定性分析，计算方法采用瑞典圆弧法，计算结果见表2，稳定性满足规范要求。方案二的缺点是副坝也是尾矿坝，受到干滩长度的限制，排洪设施、回水设施等布置要充分考虑到副坝的干滩长度，且需要对尾矿输送设施、排放设施进行改造，新增副坝处渗水回收设施、排渗设施等。

表2 副坝及东梁山体坝坡抗滑稳定性计算成果

4.2 最终方案

鉴于东梁山体较薄，而且工程地质条件较差，从东梁山体的稳定性以及副坝坝体的稳定性角度选择方案二作为最终方案。即尽可能少扰动现有山体，在保证东梁山体自身稳定的前提下采用上游式筑坝工艺向库内堆坝，一次性考虑到二期工程的最终淹没标高1 330m，同时通过调整副坝坝轴线，避开1号、3号、4号和5号垭口，将5个副坝减为一个副坝。通过调整尾矿排矿方式，最终将整个尾矿主、副坝坝顶连为一体。

为将副坝对东梁山体的影响降到最低，副坝采取的主要技术手段为基础灌浆处理、垭口平台处理、上游式筑坝工艺加高3个部分，这3种技术手段都是保证东梁山体稳定的有效措施。整体工程的施工工序为：固结灌浆—帷幕灌浆—垭口处抛石挤淤—分散放矿—平整场地—平台护底—堆筑初期坝—分期堆筑子坝。

副坝坝基基础处理包括固结灌浆及帷幕灌浆。固结灌浆的主要作用是处理坝基强风化岩石，提高整体强度并为修建副坝提供坚实的基础；帷幕灌浆的主要作用是延长渗径，降低东梁山体内部的浸润线，减轻山体渗透压力，同时也减轻副坝修建后由于浸润线上升对于东梁现状山体的影响。

固结灌浆深度10m，固结灌浆底标高1 275m，固结灌浆孔呈梅花形布置，共布置3排，孔径φ100mm，孔距3.5m，梅花形布置。帷幕灌浆布置一排孔，孔径φ75mm，采用水泥粘土浆，帷幕厚度3～5m，帷幕灌浆深度至相对不透水层，灌浆深度为10～26m。

垭口平台处理包括抛石挤淤及分散放矿，提前利用剥离废石在垭口处抛填，将垭口处水面以下细粒尾砂进行置换。同时对尾矿输送及排放设施进行改造，将尾矿排放主管提前引入垭口公路路面，按照主坝坝顶放矿的方式进行副坝坝顶分散放矿，形成干滩，粗颗粒尾砂集中于坝前。放矿完毕后应进行平整场地以及平台护底施工，包括开挖现有路面表层以及部分区域回填，平整场地后路面标高为1 286m。平台护底作业是在副坝干滩区域抛填碎石、预埋排渗管、开挖排水沟、干砌块石护底等工作，最终平台顶标高为1 287m。

副坝初期坝采用风化石渣筑坝，总坝高5m，坝顶标高1 291m，坝底标高1 286m，坝长250m，坝顶宽3m，下游坡面在标高1 289m处设置一道马道，马道宽2m，马道可以和现有南侧公路联为一体，形成1 289m平台。副坝堆积坝采用子坝分期堆筑，筑坝材料为干滩粗尾矿。堆积坝起堆标高为1 291m，最终堆积坝坝高为1 330m，堆积坝坝高为39m。每级子坝坝高3m，坝顶宽3m，子坝外坡坡比为1∶2，内坡坡比为1∶1.5，共13级子坝。每级子坝之间设置4m平台，副坝堆积坝平均外坡坡比为1∶4。

副坝坝面排水设施包括纵向排水沟、横向排水沟、坝底平台排水沟、坝肩截洪沟，坡面雨水由纵、横向排水沟导入两侧坝肩排水沟，最终由坝底平台排水沟排至山体外侧。排渗设施为集水井，在1 287m平台处设置，井内布置自吸泵，将渗水收集并扬送至库内。堆积坝形成后，根据实测浸润线的情况适时增设辐射井。

5 需要注意的问题

副坝采用尾矿堆筑，对尾矿库二期加高设计的整体方案还是有一定的影响。尾矿库的干滩控制与监测、水边线、库水位等都需要综合主坝与副坝统筹考虑，排洪设施与回水设施的布置也要综合考虑主坝干滩与副坝干滩长度，保证洪水期间的主坝及副坝都留有足够的最小干滩长度及最小安全超高。实际运行中要求主坝副坝统一排放，分散放矿，均匀上升，保证坝前粗颗粒尾砂沉积，细粒尾砂流向库内水域，控制库内水位低于滩顶标高6.5m，主坝汛前控制干滩长度为650m，副坝汛前控制干滩长度为420m，由于副坝距离排洪设施更近，反而副坝处汛期的最小干滩长度及最小安全超高成为整个尾矿库的控制条件。

6 结语

对于尾矿库而言，副坝的结构形式较主坝更为多样，需要做的工作也更多，特别是对于山体工程地质条件差、副坝较高的尾矿库，副坝的结构形式需要综合多方面的因素确定。尾矿库副坝采用尾矿堆筑也是一种非常有效的方法，非常适合山体薄、工程地质差的情况，稳定性有保障，且投资小，与主坝的堆筑方式一致，不增加操作及管理的难度，但尾矿堆筑副坝有最小干滩长度及最小安全超高的限制，会对尾矿库的排洪设施及回水设施的布置、输送及排放方案带来一定影响，需要统筹兼顾。

[参考文献]

[1] 《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社，1978.21-217.