某尾矿库库尾临时保通线工程对尾矿库安全影响论证

曾霄祥，黄广黎，刘 涛，曹其光，尹清海

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000）

G4211宁芜高速皖苏界至芜湖枢纽段改扩建项目是国家高速公路网的重要组成部分，是落实长三角一体化发展规划纲要和长江经济带发展规划纲要的重点项目，同时该路段也是连接安徽省皖江地区与苏南、上海等东部沿海发达地区的重要通道，对完善区域交通路网、促进沿线经济社会发展具有重要意义。随着区域社会经济发展和交流的不断增强，原有四车道高速公路标准已不满足交通发展需求，迫切需要改善交通运输状况，提高道路服务水平。根据《安徽省交通运输“十三五”发展规划》，宁芜高速扩容改造已列入“十三五”期间安徽省高速公路扩容改建项目的序列中。G4211宁芜高速皖苏界至芜湖枢纽段改扩建工程全线采用双向八车道高速公路标准改扩建，为保证施工期间不影响正常交通，局部路段设置了临时保通线路。根据设计文件，该临时保通线从安徽省马鞍山市某尾矿库库尾经过，初定方案为在库尾经过路段进行填方工程，为明确该应急临时保通线工程从某尾矿库库尾经过对尾矿库的安全影响，需开展临时保通线工程对尾矿库安全影响论证工作。

1 尾矿库概况

临时保通线路经过尾矿库是在废弃的采矿坑基础上建立的，占地面积约12亩，北、东、西三面为坡地，南侧筑坝，东西宽约320m，南北宽约230m，该尾矿库总库容为8万m3，最大总坝高5m，坝体内外坡比均为1：2，属五等尾矿库。该库西侧坡地上方为居民区，北侧坡地上方为干选厂，东侧为马芜高速公路（大桥段），南侧坝体下游主要为农田。该尾矿库于2006年底治理整治后直接进行了闭库，已闭库约15年。尾矿库库区内多为第四系地层覆盖，自然植被覆盖率约90%。库区范围地势平坦，滩面植被长势良好，库区四周未见滑坡、泥石流等不良地质现象。

2 临时保通线设计概况

根据设计方案，临时保通线库尾施工采用劲性体桩基础，填筑土方高约8.66m，路面宽23m，路基左右边坡坡比为1:1.5。设计工后沉降控制标准为30cm，该段设计工后沉降5cm，垫层厚度0.5m，布置2层正方形土工格栅。

预制混凝土劲性体采用桩径0.4m，壁厚60mm，混凝土强度等级C60，抗渗等级不应低于S10，最外层的钢筋混凝土净保护层厚度不应小于25mm。劲性体施工时先铺30cm厚碎石垫层，桩体施工完成后，再施工开挖做桩帽，桩帽以上铺设0.5m碎石垫层。设计图见图1和图2。

图1 劲性体横断面布置图

图2 劲性体平面示意图

3 库尾填筑路基段与尾矿库位置关系

尾矿库库尾填筑路基设计位置距离尾矿库西侧坝体约300m，距离尾矿库南侧坝体最短距离约200m。尾矿库与施工路段具体位置关系见图3和4。

图3 尾矿库与施工路段具体位置关系示意图

图4 尾矿库与施工路段位置平面示意图

4 库尾施工对尾矿库坝体稳定性影响分析

根据设计方案，拟在尾矿库库尾填筑路基，路基处理具体为尾矿库库尾段土方填高约8.66m，路面宽23m，路基左右边坡坡比为1:1.5，尾矿库库尾施工段占地最长段（道路最西侧）约为100m。尾矿库库尾填方工程按最大值计算，共填方量约21217m3。

尾矿库库尾施工段路基基础处理采用劲性体桩，预制混凝土劲性体采用桩径0.4m，壁厚60mm，混凝土强度等级C60，抗渗等级不应低于S10，最外层的钢筋混凝土净保护层厚度不应小于25mm。在尾矿库库尾段施工用劲性体桩桩长17m，桩底地层为强风化安山岩。设计劲性体桩为正方形，布设间距2.8m，共布设劲性体桩70根。施工时先铺30cm厚碎石垫层，桩体施工完成后，再施工开挖做桩帽，桩帽以上铺设0.5m碎石垫层。

根据该尾矿库库尾填筑路基工程特点，填方工程会直接增加尾矿库荷载，桩基础施工会产生挤土效应，因此需要论证荷载的施加及挤土效应对尾矿库的影响。

4.1 劲性体群桩产生的挤土效应对尾矿库安全影响分析

该工程桩基础处理为群桩，关于群桩产生的挤土效应影响范围有通过单桩影响叠加计算得到，有通过群桩特点直接计算得到，本次论证分别采用两种方法求劲性体群桩产生的挤土效应对尾矿库坝体影响。

（1）预制桩打入地基土中需排开相同体积的土体，在打入过程中桩与土体会产生剧烈的挤压剪切作用，从而改变土体的应力状态，在地基土中产生土体位移[1]。通过查阅文献，有学者[2]根据CSAGASETA汇--源理论[3]对单桩成桩引起的土体位移进行理论求解，得到单桩成桩引起的土体径向水平位移公式：

式中：d0为桩径；L0为桩长；x为距桩轴线距离；z为埋深。

并且认为群桩成桩引起的土体水平位移为每根单桩引起的该点位移的线性叠加。

根据公式可知，距离桩轴线越远，挤土效应造成的土体水平位移越小。故取距离桩轴线最短距离200m处坝体计算对其产生的土体位移。计算坝体表面处水平位移，取z=0，计算得到坝体表面位移为0。坝高为5m，取z=5m，计算坝基处水平位移，叠加后得到s=0.59mm，数值较小，对尾矿库坝体可忽略。

（2）通过查阅文献，关于群桩产生的挤土效应对周边影响范围的研究包括FLAC-3D数值模拟及基于项目的现场大规模试验，其中数值模拟结论为群桩施工对土体变形的影响最远距离约为35m[4]。基于施工项目的现场大规模试验结论为：随着成桩排数的增多，挤土扰动影响范围逐渐增大，并趋近于定值，横向最大影响范围约为桩径的88倍，即影响距离x=88d。

该项目采用桩径0.4m的预制混凝土劲性体，根据试验公式得到群桩产生的挤土效应对周边影响距离为35.2m。尾矿库坝体距离库尾施工段最短距离200m，大于根据现场试验得到的影响距离公式计算的35.2m，也大于通过数值模拟得到的影响最远距离的35m，故此次尾矿库填筑路基工程挤土效应不会对坝体产生影响，对坝体安全性不产生影响。

4.2 填方工程施加荷载对尾矿库安全影响分析

根据设计方案，拟在尾矿库库尾填筑路基，施工完成后，尾矿库库尾段土方填高8.66m，路面宽23m，路基左右边坡坡比为1:1.5，尾矿库库尾施工段占地最长段（道路最西侧）约为100m。

尾矿库库尾填方工程按最大值计算，共填方量约21217m3。施工完成后，路基土重度取22KN/m3，假设填筑土方增加荷载全部施加到尾矿库上，对尾矿库施加荷载约190.52KN/m2。施加荷载后计算尾矿库坝体稳定性。

校核计算工况条件及校核标准：一般来说，坝体的稳定性问题主要有三个方面，一是穿过整个坝体稳定性问题；二是沿坡体和地基接触面的抗滑稳定性；三是穿过边坡基底的深层抗滑稳定性。根据工程经验，一般不会形成第二、三种破坏模式。因此，本次分析尾矿库坝体的抗滑稳定性。

根据以往勘察资料和坝体现状情况确定本次计算剖面，本次稳定性分析计算采用类似工程经验数据进行，有关物理力学强度指标设计值选用见下表：

表1 校核计算物理力学指标

该尾矿库为五等库，根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）第4.4.1条规定，利用瑞典圆弧法或简化毕肖普法对尾矿坝进行稳定性计算分析。本次计算采用瑞典圆弧法计算，计算选取了一条典型剖面进行计算，计算坝体的稳定性时，其最小安全系数应满足规范要求。本区基本地震烈度为VI度，根据《水工建筑物抗震设计规范》，可不进行抗震计算。根据规范规定，尾矿坝稳定性计算的荷载，可根据不同运行条件按表2进行组合：

表2 尾矿坝稳定计算的荷载组合

注：1荷载类别1系指运行期正常库水位时的稳定渗透压力。

2荷载类别2系指坝体自重。

3荷载类别3系指坝体及坝基中的孔隙水压力。

4荷载类别4系指设计洪水位时有可能形成的稳定渗透压力。

5荷载类别5系指地震荷载。

按瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定的安全系数不应小于表3规定的数值。

表3 坝坡抗滑稳定最小安全系数

施加荷载后，坝体稳定性计算结果见图5、图6和表4所示：

图5 坝体正常运行工况计算结果简图

图6 坝体洪水运行工况计算结果简图

表4 填筑路基后尾矿库坝体稳定性计算结果表

由稳定性计算结果表4可知，库尾填筑土方增加荷载后，因荷载施加距尾矿库坝体比较远，坝体稳定性计算结果没有改变，安全系数满足规范要求，且有一定的安全储备。

5 结论

库尾施工路段距离尾矿库坝体最短距离有200m，距离较远，而桩基础挤土效应影响距离为35m左右，尾矿库坝体在其影响范围之外；通过数值计算，库尾填方施加荷载对坝体稳定性无影响。故无论是桩基础的挤土效应还是填方工程直接施加荷载作用均未对尾矿库坝体稳定性产生影响。