对黄土条件下的尾矿坝分析

2012-08-15王易阳

山西建筑 2012年31期

王易阳

(河海大学，江苏南京 211100)

0 引言

尾矿坝是堆积和处理矿场选矿等工艺步骤产生的尾矿的场所。由于尾矿数量众多，且常常具有较高的含水率和较大的塑性或液性，尾矿的性质大多数情况下不同于当地的土壤和地质条件。正因如此，用于储存尾矿的尾矿坝常常需要进行详细的地质勘测、特殊的下垫面处理和工程措施。对于广泛分布于世界各地的黄土，研究黄土作为地基时的尾矿坝设计和工程处理措施是有着重要的意义的。

1 研究背景

尾矿坝(库)在矿产资源丰富的地区是十分常见的，然而近年来尾矿坝溃坝事故频繁发生。山西省大部分地区处于黄土地貌地区，且在这些地区广泛分布着各种各样的矿藏，这些矿藏蕴藏量丰富，并有着很高的开采利用价值，这也意味着有很多的矿场和尾矿坝分布在黄土地貌地区。

黄土是一种具有特殊性状的黄色沉积土层，而中国的黄土是第四纪时期形成的土状堆积物，性质疏松、特殊。对于黄土高原的黄土，其质地均一，用手易搓成粉末，钙质含量较高，多孔隙，有显著的柱状节理，干燥时较坚硬，但遇水浸湿后土体迅速崩解并引起地基突然沉陷，即具有湿陷性。

2 溃坝原因分析

2.1 物理力学因素

导致尾矿坝失事的物理力学因素有:滑坡、坝坡失稳、渗流破坏、坝体内部材料由于地震液化以及洪水漫过坝体造成破坏等。然而，对于高湿陷性黄土地区，尤为需要关注渗流对尾矿坝可能产生的破坏。渗流产生的浸润线过低，会使坝体产生较大背离堆矿方向的位移，而渗流过大，会产生水流漫坝的可能，尤其是对以湿陷性黄土为主地基和岸坡，渗流造成的破坏历时会更短，有时甚至会造成突发性的灾难。设计人员如果在尾矿坝设计初期没有充分考虑到渗流作用的影响，其产生的后果将会耗费大量的资金与人员、物资，甚至可能会造成灾难性的事故。

2.2 人为因素

在尾矿坝的日常监管中，工作人员对敏感数据的疏忽，常常也会导致尾矿坝的险情或事故。在尾矿坝出现不寻常或者有溃坝可能的情况时，应急机制的不完善同样是造成尾矿坝溃坝事故发生，产生灾难性后果的原因。对于一些早期或者较小型的尾矿坝，检测设备的短缺或者检测机制的缺失，也是尾矿坝失事的一个重要因素，尤其对于设计时，设计人员没有考虑对尾矿坝各项参数进行定期检测，缺失了检测系统的建立，将为建成后的尾矿坝运行带来安全隐患。

3 尾矿坝设计

尾矿坝(库)按照地形条件和建筑方式，可以分为3种形式，分别为:山谷型、山坡型和平地型。对于位于山西省的黄土高原部分，此地区沟壑纵横，沟谷密布，有利于构筑山谷型和山坡型的尾矿坝形式，但是山谷型和山坡型尾矿坝相对于平地型尾矿坝积水面积大，易受降雨和其他形式地面和地下径流的影响，需要在筑坝前进行精心的防渗与排水计算，对具有较高湿陷性的黄土地区所建的尾矿坝(库)，尤其需要对水的渗透方向和渗透方式进行严密设计与处理。其中，在尾矿坝防渗设计中，采用尾矿泥垫层设计，进行地下水疏导，对高湿陷性的黄土地区是一种效果明显的、廉价的工程措施。

3.1 坝的主体设计

3.1.1 坝型的选择

对于初期坝，有不透水型初期坝和透水型初期坝两种选择。不透水型初期坝由透水性较小的材料制成，而透水型初期坝由透水性较好的材料制成，除了不用尾矿筑坝或有环保要求不允许渗流水流至下游，一般都采用透水型初期坝，且此种坝型有助于将水排向下游，利于提高坝体的稳定性。

对于湿陷性严重的黄土地区，尾矿坝的坝型选择为透水型初期坝有助于尾矿中水分排出，从而有利于减少黄土湿陷性对尾矿坝的影响，提高尾矿坝的安全性。

3.1.2 坝体的构造

对于初期坝的设计，常常需要考虑到坝顶宽度、坝坡稳定性、马道、排水棱体和反滤层设计等问题，其中坝坡坡比设计包括:内、外坡的坡比，马道的宽度和马道间的间隔等，一般情况下坝体下游每隔10 m～15 m设置一个宽为2 m的马道，方便施工且利于提高坝体的整体稳定性。

对于后期坝的设计，有上游式尾矿筑坝、下游式尾矿筑坝和中线式尾矿筑坝的方式。由于筑坝工艺简单，费用较低，在稳定性可以满足条件的情况下，我国多采用上游式尾矿筑坝的后期坝设计，然而对于具体的湿陷性黄土条件下尾矿坝后期设计，应根据具体问题进行具体分析，找出安全性和经济效益双优的设计方案。

3.2 水的控制

3.2.1 地表水的疏导

对于尾矿坝，其地表水来源主要有:尾矿(多为浆体)携带的水分，周围地区产生地下水以及坝址所在地的降雨。控制地表水对坝体的影响，主要是控制尾矿池积水区的池水位;其中，池水位不能过高也不能过低，最低水位要满足尾矿水澄清的要求，在此情况下，水位越低越利于坝的稳定性。

在控制尾矿池中池水位的同时，应注意汛期对尾矿库的影响，做好度汛的各项准备，并在尾矿坝设计时充分考虑汛期对其的影响。

3.2.2 地下水的疏导

在尾矿坝设计时，坝体中的浸润线不宜在坝坡溢出，对于大型的尾矿坝常常要求浸润线有一定的埋深。

对于湿陷性较大的黄土地区所建尾矿坝，常常希望地基受到的渗流水影响降到最小，设计尾矿坝时的渗流控制便是地下水疏导的主要设计方面。在尾矿坝渗流控制的设计中，常常设计一个不透水(透水性较小)的垫层。在垫层设计中，现今的技术方式主要有:尾矿泥垫层、粘土垫层与合成垫层等。对于黄土条件下的设计，尾矿泥垫层较其他几种方式有着较多的优点:

1)高质量的尾矿泥垫层可以有效减少渗流水向地基的下渗作用，有利于湿陷性黄土保持其稳定性;

2)与此同时，尾矿泥垫层能够承受相当大的基础沉降，甚至地震液化，且不丧失其防渗效果;

3)尾矿泥垫层构造简单，使用范围广泛，费用较低，且有较多的设计经验和较深厚的技术基础。

在铺设垫层的同时，可以设置渗流障从而达到进一步提高坝体稳定性和防渗效果的目的。渗流障的设计包括:截留沟(注意:此种方式设计时，只能采用下游型或中线型后期坝的设计形式，而不能采用上游型后期坝的设计形式，因为截留沟对上游型后期坝中的渗流起到了阻碍作用，并且不利于浸润线的降低)、防渗墙和灌浆帷幕等。

同时，可以增设排水构筑物来降低尾矿坝的浸润线，其中，排水构筑物又分为水平排渗型和垂直排渗型。