河北承德某铁矿尾矿库副坝坡脚渗水治理

2018-12-21宋彦利

现代矿业 2018年11期

宋彦利

(河钢集团矿业公司承德柏泉铁矿)

大部分选矿厂的尾矿都需要输送至尾矿库贮存，尾矿库是矿山生产的重要组成部分。随着经济的发展，近年来大型矿山数量不断增加，尾矿库的数量和规模都在不断增大。尾矿库是具有高势能的重大危险源，其运行效果不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产安全及周边环境息息相关[1-2]。因此，有必要按照“安全第一、预防为主、综合治理”的方针有效开展尾矿坝安全管理工作，提高坝体稳定性[3-4]，及时消除事故隐患，避免和减少尾矿库生产安全事故，确保尾矿库安全运行。河北省承德市某尾矿库距离矿区约2 km，尾矿库下游约1.8 km处有国道通过，尾矿库距离县城约4 km，交通十分便利。在日常检查时发现库区东南角一段副坝外侧坡脚有连续渗水现象，外坡有滑坡的风险，不符合《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)、《尾矿库安全监督管理规定》要求，存在安全隐患，有必要尽快采取安全措施，确保尾矿库安全运行。

1 工程概况

1.1 尾矿库运行现状

该尾矿库为山谷型尾矿库，总坝高125 m，总库容约5 588万m3，属于二等库，服务年限为15 a，2014年投入运行。初期坝采用透水堆石坝，坝底标高545.0 m，坝顶标高574.0 m，最大坝高为29.0 m。后期堆积坝采用上游式筑坝，坝前分散放矿。每期子坝高度为2～3 m，子坝内、外边坡坡比分别为1∶1.5 和1∶3.5。每10 m段高设1道宽5 m的马道，尾矿坝外边坡的平均坡比为1∶4。尾矿库排洪系统采用排水斜槽—排水管—溢水塔—消力池形式。溢水塔采用周边进水式窗口溢水塔，共7座。该尾矿库从尾矿坝574.0 m标高至650.0 m标高之间每隔10 m高度距坝顶100 m处沿坝轴线方向设置水平排渗体。在尾矿库右侧山谷内预埋排渗盲体，铺设于沟谷底部。尾矿库采用人工监测配合动态在线监测系统对浸润线、干滩长度、库水位、坝体位移等参数进行监测。该尾矿库主坝排渗体共施工3道，出水口标高分别为574.0，590.0，600.0 m，3道排渗体出水正常。尾矿库副坝坡脚渗水安全隐患被发现时，尾矿库主坝的浸润线深度大于12.5 m，干滩长度360 m，主坝顶高程608.0 m，安全超高5.6 m，符合《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)要求。

1.2 副坝坡脚渗水现状

通过对尾矿库副坝进行现场地质勘测，发现副坝所处地段的地基土层主要为尾矿砂、人工堆填的碎石类土及下伏花岗岩。依据其工程地质特征，自上而下可分为6个地质层：①尾砾砂，灰色，稍湿—饱和，稍密—中密，局部松散，砂质较纯，主要矿物成分为石英、长石，含少量块石；②碎石土，杂色，稍湿—饱和，中密—密实，母岩成分以花岗岩为主，粒径差异较大，一般粒径为2～10 cm，最大粒径约15 cm，充填物为砾砂和少量粉质黏土，厚度为7.40～18.00 m；③粉质黏土，黄褐色，硬塑，局部坚硬，可见铁猛氧化物，偶见块石，厚度为2.40～4.40 m；④全风化花岗岩，杂色，原岩结构已破坏，风化成砾砂状，矿物成分主要为石英、长石、云母等，可见少量角闪石等暗色矿物，该层库区均有分布，厚度为1.20～5.30 m；⑤强风化花岗岩，肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造，节理裂隙比较发育，裂隙面可见锈斑，岩芯呈碎块状，一般粒径为5～10 cm，最大粒径约15 cm，取芯率为65%～75%，该层库区均有分布，仅局部钻孔完全揭穿，最大揭露厚度为6.4 m；⑥中风化花岗岩，肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造，节理裂隙发育，裂隙面结合程度较好，岩芯呈碎块状或短柱状，一般柱长5～20 cm，最大柱长为50 cm，取芯率75%～90%，最大揭露厚度为3.80 m。根据现场勘察结果，未发现不良地质作用，地基土无饱和松散砂土和饱和粉土，勘察期间未见地下水。

尾矿库副坝下方最早为一东西向U型山梁，最低处标高为592.0 m，后期为保证进坝公路畅通，使用废渣进行填筑，填筑高度为608.6 m，副坝下游1.5 km处有村庄和公路通过。该副坝顶长约100 m，副坝堆积坝外侧坡度接近1∶1，坡度较陡。副坝外侧出现渗水现象(图1)时，内侧滩面高程为604.0 m，渗水处高程为593.6 m，距顶面垂直高度为15 m。出现渗水现象后，渗水区域逐渐变大，渗水区域沼泽化，并带出了细泥沙。发现渗水安全隐患后坝坡内侧停止放矿，副坝外侧采取了废石压坡应急处置措施。

图1 坡脚出水现象

1.3 副坝坡脚渗水原因

(1)浸润线过高。由于副坝是由废料填筑的进入尾矿库内的公路形成的，外侧坡度为废料自然堆积，坡度较陡，达到1∶1，随着主坝不断升高，滩面超过副坝底部山谷的最低点。随着副坝侧放矿的进行，滩面不断升高，副坝侧的浸润线从外侧坝面溢出。

(2)无排渗设施。副坝侧缺乏与主坝同期设置的排渗设施。随着坝体升高，库内水位相应升高，副坝滩面放矿时，副坝侧水位升高。副坝侧的水无法及时排出，造成水沿着最低点渗出。发现副坝坡脚渗水时，库内水位高程达到601.5 m。

(3)管理因素。矿山未高度重视副坝管理，没有在副坝设置相应的观测和排水设施，未能对副坝侧的运行状况进行有效监控。

2 治理方案

2.1 降低副坝外侧坡比

一般情况下，坝体浸润线埋深越大，干滩长度越长，堆积坝外坡比越缓，尾矿固结度越好，尾矿堆积坝的安全系数便越大[5]，过陡的外坡比容易造成浸润现过高。本研究通过对副坝外侧原有坡面进行降坡，在外侧坡面标高601.0 m位置设置一马道，宽5 m，将外坡面分为2个坡面，降坡后对坡面利用废石进行压坡处理。为降低滑坡和尾矿砂渗漏的风险，设置土工布反滤层。废石与副坝体之间铺设有1层500 g/m2土工布，土工布与废石之间设置过渡层，废石中土的含量不大于10%。副坝进行降坡后，589.5～601.0 m标高段平均坡比约为1∶4，601.0～608.6 m标高段平均坡比约为1∶3.2(图2)。

图2 副坝降坡压坡示意

2.2 副坝坡脚渗水治理

在现有压坡坝脚下游4 m处修建浆砌石挡墙，通过地质勘测，发现地基持力层为全风化花岗岩层。挡墙顶标高为592.5 m，顶宽1.0 m，最大坝高为4.0 m(588.5～592.5 m标高)。挡墙外坡比为1∶0.6，内坡铅直，挡墙内预埋φ100 mm PVC排水管，排水管间距为2.0 m。

为排出副坝渗水，在挡墙内坝脚处设置排渗体，排渗体断面为倒梯形，底宽1.0 m、顶宽2.0 m、深1.0 m，底部埋设DN150 PPR带孔渗水管，管周围填充粒径为15～35 mm的砾石，并用土工布包裹。排渗体与挡墙内通过预埋排水管进行连接。清理挡墙与压坡之间的植被等杂物，并填筑废石，使592.0～601.0 m标高段的废石压坡平均坡比为1∶3.3。浆砌石挡墙坐落至强风化岩层上，超挖部分可采用M10浆砌石回填。

在副坝两侧坝肩修建坝肩排水沟，坝肩排水沟高1.0 m，宽度不小于1.0 m，靠山体一侧侧壁坡度随山体变化，壁厚500 mm，为M10浆砌石结构。在坝脚处修建集水池，集水池长3.0 m、宽2.0 m、深2.0 m，为浆砌石结构。为防止尾矿水外排于集水池内，通过抽水泵将其排放至主坝坝肩排水沟内，导引至主坝下游进行回收利用。副坝外坡治理后的情形如图3所示。

图3 副坝外坡治理后情况

2.3 排渗设施设置

副坝侧放矿时浸润线较高，为降低坝体浸润线，减少坝体渗透压力,提高上游式尾矿坝的动力稳定性，一般在尾矿坝填筑过程中布置排渗工程设施[6]。排渗设施尽可能预先埋设，以节省工程投资，尾矿库的浸润线过高，不符合相应要求时，应考虑增设排渗设施[7]。目前常见的堆积坝排渗设施为：①水平排渗设施，沉积滩面预埋水平盲管及滤管，碎石盲沟用土工布包裹，设置导水管导出到坝面排水沟；②垂直排渗设施，主要有虹吸井、轻型井点、机械抽水管井，垂直水平排渗设施中使用效果较好的为辐射井[8]。通过综合分析比较，认为水平排渗方式较为经济。

主坝在600.0 m标高位置已经设置有排渗盲体，该排渗盲体的导水管进水口标高为601.0 m，预埋排渗盲体距离出水口100 m，距主坝顶72 m。该排渗体最南侧距离副坝顶75 m，排渗盲体埋深1.2 m。副坝设置的水平排渗盲体可与主坝的排渗盲体结合在一起。

副坝滩面施工排渗体时，应在滩面充分晾晒后进行。在副坝放矿滩面靠近副坝方向设置水平排渗棱体，水平排渗棱体距离副坝顶75 m。水平排渗棱体断面为倒梯形，上底宽3.5 m、下底宽0.5 m、高1.2 m，排渗棱体长100 m。底部埋深DN150PPR带孔渗水管，渗水管周围填充粒径为15～35 mm的砾石，并用1层500 g/m2土工布包裹。排渗棱体一端与主坝的排渗盲体连在一起，连接时，测量人员应对排渗盲体位置进行精确标定，确保副坝侧的排渗棱体高于主坝侧的排渗盲体至少20 cm，以利于水由主坝侧排出。该排渗体的另一端设置导水管与渗水管连在一起，出水口设置于坝肩排水沟内。副坝侧排渗盲体设置如图4所示。副坝侧排渗体施工完毕后，副坝进行放矿。放矿后，主坝侧标高600 m，靠近副坝侧排渗导水管的出水量明显增加。

图4 副坝侧排渗盲体设置示意

2.4 加强副坝侧放矿和筑坝管理

副坝外坡和排渗盲体治理完毕后，应继续在副坝坝顶处向库内方向进行分散均匀放矿，确保副坝与主坝滩面均衡上升，放矿的同时应对副坝标高出水情况进行监测。当副坝处滩面标高达到607.7 m(主坝顶标高约607.7 m)时，内错平台应按主坝设计要求与主坝同时进行筑坝放矿。按照设计，610.0 m 标高主坝设置排渗体时，副坝侧与主坝侧同时预先埋设导水管，预埋排渗盲体时，应将主坝与副坝的排渗盲体连在一起。

3 治理效果

为有效掌握坝体状况，在副坝设置了位移监测设施和浸润线监测设施，监测设施采用人工监测方式[9]。根据副坝实际情况，布置了2条坝体位移监测剖面，在坝坡601.0 m标高平台和608.6 m标高平台共设置了5个坝体位移观测点，观测坝体表面位移。使用初期每月观测1次，并做好记录。预警值为水平方向平均位移速率超过0.5 mm/d且方向一致并未见收敛，垂直方向上按水平方向的2倍值控制。在副坝内侧滩面布置了2个浸润线观测点，浸润线观测管埋深7 m，管底标高600.0 m。浸润线预警值为5 m。在副坝侧在线观测设施安装之前采用人工方式每天进行观测。坝体位移观测点和浸润线观测管位置如图5所示。

通过对浸润线观测管进行测量，结果见表1。分析表1可知：浸润线观测管内的水位随着时间的变化不断降低，副坝侧浸润线的高度不断降低，表明本研究设置的排渗设施发挥了作用；副坝内侧与主坝高度相同后，内错平台筑坝后观测管内逐渐无水。

图5 坝体位移观测点和浸润线观测管位置

表1 浸润线观测结果 m

坝体位移测结果见观测图6。由图6可知：副坝每月的水平位移变化量没有超过5 mm，垂直位移变化量没有超过5 mm，没有达到预警值，符合要求。

图6 坝体位移观测结果(2017年)

副坝外坡治理后，坡脚渗水集中于集水池内，使用水泵抽至主坝体正面的排水沟。渗水水质清澈，无泥沙。副坝沿库内方向进行均匀放矿，副坝放矿时集水池内水量增加，正面排渗体出水量增加。副坝内侧滩面与主坝标高相同后，库内错35 m平台进行筑坝，主坝与副坝连在一起。副坝底部渗水逐渐减小至消失，集水池内无水，主坝600.0 m标高排渗体出水量增加。副坝内侧平台浸润线观测管内无水，副坝的浸润线下降至7m以下，坝体位移数值符合要求，达到了治理效果。