超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法

摘要

本发明公开了一种超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法，根据所在地区地震抗震设防烈度确定第一层抗地震液化中粗砂排渗层、第二层抗地震液化中粗砂排渗层的埋置深度，所述的第一层、第二层抗地震液化中粗砂排渗层皆由中粗砂排渗层(11)及铺设在中粗砂排渗层(11)中的一排槽孔排渗管(3)构成；槽孔排渗管(3)通过三通管(12)与排水连通管(2)联通，排水连通管(2)的外端与坝肩截洪沟(1)相连。本发明方法提高了超细粒尾砂堆积坝的抗地震液化能力和稳定性，提高了超细粒尾矿的承载力和抗液化能力，消除了超细粒尾砂堆积坝地基的地震液化沉陷，避免了地震液化失稳破坏现象的发生，提高了超细粒尾砂堆积坝的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于细粒尾矿筑坝技术，具体涉及一种超细粒尾矿采用上游法筑坝如何防止地震液化失稳破坏的方法，对于高烈度地震地区超细粒尾矿堆筑上游法尾矿坝尤为适用。

背景技术

目前我国发现的矿产有150多种，建设的矿山有10000多座，累计产生尾矿一百余亿吨，而且每年仍以10亿多吨的速度增长。尾矿的处置方式还是采用尾矿库地面堆存为主，目前统计到的尾矿库数量超过12000座，90％以上采用上游法堆坝。

尾矿坝是一种特殊的土工构筑物，其筑坝材料、施工工艺、建筑工期、服务功能、静动力特性、坝体结构形式、服务期和环境安全要求均不同于一般的水工土石坝。上游法尾矿坝后继断面较小及占地较少，且工艺简单，造价低，在我国大多数尾矿坝中得到采用。然而，尾矿颗粒较细，比重较大，亲水性弱，饱和疏松的尾矿是非常敏感的不稳定结构，而上游法尾矿坝容易形成复杂、混合的坝体结构，许多坝体的排水系统不完善或易淤堵，致使坝体内的浸润线抬高甚至从坝面溢出，大部分坝体处于饱和状态且比较疏松，容易引起坝体产生渗透破坏或滑坡、垮塌，在动荷载条件下强度低，动剪应力比变化范围小，地震时更易发生液化破坏。如1978年日本的Mochikoshi 1#尾矿坝由于地震液化破坏，2#尾矿坝在地震后约24h倒塌，近8万m³的尾矿水合物被释放出来，给当地的生态环境和人民生命财产带来了巨大的损失。1965年智利La>

采用上游法堆坝的尾矿粒度一般控制在-200目(0.075mm)含量不超过80％，特别是对于堆筑超过60m的高坝，对尾矿粒度要求更严格，对于-200目含量超过80％的尾矿，一般认为不适合用尾矿直接堆坝。采用细颗粒尾矿筑坝的最终堆积高度受到很大的限制。国内经验认为，细颗粒筑坝不宜超过30m，对于占地较大的尾矿库，显然不经济。

随着选矿技术的进步及选矿回收率的提高，所产生的尾矿粒度越来越细，有色矿和一些超贫磁铁矿产生的尾矿-200目含量达到了85％，一些黄金尾矿甚至达到90％。浮选尾矿砂平均粒径在0.03mm左右，尾矿颗粒细。细颗粒尾矿筑坝力学强度低，固结时间长，堆坝速度较慢，对于大、中型矿山而言，堆坝速度将会影响矿山选厂的正常生产。采用细颗粒尾矿筑坝后，坝体内的排渗不畅造成坝体内的浸润线过高，使尾矿砂长期处于饱和状态，尾砂固结非常慢，不利于尾砂固结后强度提高，进而影响坝体的稳定性，有发生溃坝的潜在风险，当前发生的很多尾矿库灾害事故都是由于坝体内的浸润线过高引起的。

细颗粒尾矿筑坝尾矿库，在坝前分散管排矿很难形成尾矿筑坝的滩面，尾矿库水上沉积坡度十分平缓，库水位处于较高的位置，沉积的矿泥不易固结，筑坝速度、调洪库容和坝高都不同程度地受到限制，坝体抗震稳定性差，在地震作用下容易发生坝体液化失稳等状况。在高地震烈度区，因细颗粒尾矿的抗液化能力弱，尤其不适合直接堆坝或不能堆筑高坝。对于细粒尾矿库，比较安全可靠的堆存方式为一次性筑坝，但堆存成本太高，堆存成本在20～26元/m3，而且对于土地资源日益紧缺的矿山，尾矿库的建设和运行成本在急剧上升，甚至影响到矿山的持续健康发展。

根据中钢集团马鞍山矿山研究院(金属矿山安全与健康国家重点实验室、国家金属矿山固体废物处理与处置工程技术研究中心的依托单位)近年来对尾矿的抗液化性能的研究得出：在一定的地震荷载作用下，饱和尾砂是否发生液化和液化的程度，主要由尾砂自身的物理性质和环境条件决定。尾砂的液化与下列因素有关：尾砂颗粒的粒径、密度、不均匀系数和粘粒成分含量、地震历史(该区域遭受的最大地震烈度)、饱和程度及现场条件、地下水浸润线埋深、排水条件、渗透能力等都会影响尾砂的液化，以及动荷载的形式和幅度的大小也是影响尾砂的液化主要因素。

细粒尾矿筑坝的尾矿库动稳定性差，主要是由下列原因造成的：

(1)细粒尾矿砂土颗粒尺寸小，细粒尾矿相对密度小，尾砂固结速度慢，易液化；

(2)细粒尾矿不均匀系数愈小，抗液化性差；

(3)细粒尾矿筑坝，地下水浸润线埋深浅，易液化。

(4)动荷载和较大的地震幅值，在细粒尾砂中形成的超孔隙水压力来不及消散，使液化现象增加得愈明显。

尾矿库作为一个危险源，对于处于抗震设防烈度较高地区的细粒尾砂筑坝尾矿库，提高细粒尾矿抗地震液化性能和提高细粒尾矿筑坝的尾矿库动力稳定性显得尤为重要。

为了解决尾矿坝抗震问题，《中国钨业》2009年第二期刊登的“尾矿坝抗震设计研究进展”一文中，围绕尾矿坝地震液化评价和稳定分析简化方法两方面内容，较全面地概述了国内外尾矿坝抗震设计的研究成果和最新进展。但也指出：尾矿坝抗震设计研究仍然是岩土工程和地震工程中重要的课题之一，以往研究取得较大进展，但由于其复杂性，从理论到工程应用仍存在很多值得探讨的问题。而且该文并未针对超细粒尾矿采用上游法尾矿筑坝中如何防止地震液化失稳破坏提出具体的解决思路。

发明内容

本发明的目的就是针对细粒、特别是超细粒尾矿堆筑上游法尾矿库存在的地震液化、失稳破坏问题，而提出一种超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法，以提高细粒尾矿堆筑尾矿库坝体的稳定性。

为实现本发明的上述目的，本发明超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法，按照设计方案修建初期坝、坝肩截洪沟，所述的初期坝采用碾压土石坝坝体，并进一步按照以下技术方案实施：

1)根据上游法尾矿坝所在地区地震抗震设防烈度，确定第一层抗地震液化中粗砂排渗层，第二层抗地震液化中粗砂排渗层的埋深为第一层抗地震液化中粗砂排渗层埋置深度的一半；

设防地震烈度≤6地区，第一层抗地震液化中粗砂排渗层的埋深距初期坝坝顶向下距离在6.2～7.5m；设防地震烈度为7地区，第一层抗地震液化中粗砂排渗层的埋深距初期坝坝顶向下距离在7.2～8.5m；设防地震烈度为8地区，第一层抗地震液化中粗砂排渗层的埋深距初期坝坝顶向下距离在8～9.5m；设防地震烈度为9地区，第一层抗地震液化中粗砂排渗层的埋深距初期坝坝顶向下距离在9.5～11m；

所述的第一层抗地震液化中粗砂排渗层、第二层抗地震液化中粗砂排渗层皆由中粗砂排渗层及铺设在中粗砂排渗层中的一排槽孔排渗管构成；槽孔排渗管通过三通管与排水连通管联通；所述的排水连通管的一部分预埋在初期坝中，排水连通管的外端与坝肩截洪沟相连，排水连通管在初期坝内测位置改变方向后沿平行于初期坝的坝体方向布置，排水连通管通过三通管与槽孔排渗管联通。

2)当超细粒尾矿排放至初期坝中预埋的第一层排水连通管标高时，铺设第一层的中粗砂排渗层，在中粗砂排渗层中埋设槽孔排渗管，形成第一层抗地震液化中粗砂排渗层；排水连通管将槽孔排渗管收集的尾矿库里地下水导入坝肩截洪沟，排出库外。

在第一层抗地震液化中粗砂排渗层铺设完成后，继续排放超细粒尾矿，当超细粒尾矿排放至初期坝中预埋的第二层排水连通管标高时，再铺设第二层抗地震液化中粗砂排渗层中的中粗砂排渗层，在中粗砂排渗层中埋设槽孔排渗管；排水连通管将槽孔排渗管收集的尾矿库里地下水导入坝肩截洪沟，排出库外。

3)第二层抗地震液化中粗砂排渗层铺设完成后，再继续排放超细粒尾矿，在初期坝的坝顶高度位置铺设抗地震液化中粗砂排渗盲沟层，所述的抗地震液化中粗砂排渗盲沟层是由中粗砂排渗盲沟及埋设在中粗砂排渗盲沟中的槽孔排渗管构成，该层的槽孔排渗管与初期坝顶部的平台排水沟相连，平台排水沟与坝肩截洪沟相连，将细粒尾矿堆积坝中的地下水排入初期坝顶的平台排水沟。

4)在抗地震液化中粗砂排渗盲沟层之上，将尾矿砂浆充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一级的尾矿模袋子坝，在第一级的尾矿模袋子坝修筑完成后，再在该级的尾矿模袋子坝上铺设中粗砂排渗盲沟，该级的粗砂排渗盲沟与该级的平台排水沟相连；

依次继续采用模袋法向上修筑第二级的尾矿模袋子坝、第三级的尾矿模袋子坝，并将抗地震液化中粗砂排渗盲沟层与尾矿模袋子坝间隔设置。

所述的中粗砂是指物料中+0.1mm粒级含量占物料总质量在20％～70％、其中-0.074mm粒级含量占物料总质量≤50％的中粗粒尾矿。

尾砂堆积坝子坝采用模袋法堆筑，即将尾矿砂浆充灌入模袋中，经自然沉淀排水、振密固结排水得到坝体。模袋法的模袋为由上、下两层高强度土工织物(如丙纶、涤纶、锦纶、聚丙烯等)制作的大面积连续袋状材料，在其袋内泵灌流动性尾砂浆并固结后形成的一种防护体。模袋的土工织物的平均空隙根据尾砂的粒度构成确定，保证中值粒径以上的尾砂存留在模袋内为原则。

所述的第一层抗地震液化中粗砂排渗层、第二层抗地震液化中粗砂排渗层的宽度≥50m，长同初期坝轴线长度，厚度为0.5m～0.6m。

所述的槽孔排渗管外包土工布，该土工布必须耐腐蚀。所述的槽孔排渗管间距8m～12m，模袋法修筑的尾矿模袋子坝高为3m～4m。

本发明超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法，通过增加水平排渗设施，降低坝体地下水浸润线，加快细粒尾矿的固结，以提高细粒筑坝尾矿库坝体稳定性和细粒尾矿堆积坝抗地震液化。本发明采用以上技术方案后，具有以下积极效果：

1)解决了超细粒尾矿修筑尾矿库只能局限于一次性筑坝，不适用采用上游法修筑尾矿库的问题，并且可以对一次性筑坝的超细粒尾矿库进行增高扩容，延长了尾矿库的生产服务年限，增加了超细粒尾矿库的库容，极大地降低了超细粒尾矿的处理成本；

2)采用通常方法处理的超细粒尾矿上游法筑坝尾矿库，最终堆积高度受到很大的限制，国内经验认为，细颗粒筑坝不宜超过30m，对于占地较大的尾矿库，显然不经济。采用针对超细粒尾矿堆筑上游法尾矿坝防止地震液化失稳破坏的方法后，尾砂堆积坝最终堆积高度得到了极大的提高，最终堆积高度可达80米以上，大大提高了土地的利用率，降低了生产成本。

3)增设的抗地震液化中粗砂排水垫层，疏干了垫层以上区域的超细粒尾砂中的地下水，降低了坝体浸润线，加快了超细粒尾矿的固结，提高了超细粒尾矿的承载力和抗液化能力，消除了超细粒尾砂堆积坝地基的地震液化沉陷。

4)抗地震液化中粗砂排渗盲沟层，加快了模袋法构筑的子坝中超细粒尾砂的固结，加快了子坝堆筑的速度，提高了生产效率(对于大、中型矿山而言，堆坝速度将会影响矿山选厂的正常生产)，提高了超细粒尾砂的强度指标，提高了超细粒尾砂堆积坝的抗地震液化能力，提高了超细粒尾砂堆积坝的稳定性。

附图说明

图1为本发明方法采用的第一层抗地震液化中粗砂排水垫层平面布置示意图；

图2为图1中的A-A剖面图；

图3为本发明方法采用的抗地震液化中粗砂排渗层内埋设的槽孔排渗管与排水连通管连接剖面图；

图4为本发明方法采用的抗地震液化中粗砂排渗层中槽孔排渗管与排水连通管连接平面示意图；

图5为本发明方法采用的抗地震液化中粗砂排渗盲沟层中槽孔排渗管与尾砂堆积坝坡面排水沟示意图。

图中标记为：1-坝肩截洪沟；2-排水连通管；3-槽孔排渗管；4-中粗砂排渗盲沟；5-初期坝；6-平台排水沟；7-尾矿模袋子坝；8-第一层抗地震液化中粗砂排渗层；9-第二层抗地震液化中粗砂排渗层；10-土工布；11-中粗砂排渗层；12-三通管。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图，对本发明超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法作更详细的描述。

工程实施例为我国某大型磷矿的超细粒尾矿库(磷矿浮选细粒尾矿)的增高扩容工程，工程所在地区为8级地震烈度设防。

由图1所示的本发明方法采用的第一层抗地震液化中粗砂排水垫层平面布置示意图并结合图2、图3、图4、图5看出，本发明超细粒、上游法尾矿筑坝防止地震液化失稳破坏的方法包括以下工艺、步骤：

1)按照设计方案修建初期坝5、坝肩截洪沟1，所述的初期坝5采用碾压土石坝坝体；由于上游法尾矿坝所在地区地震抗震设防烈度为8级，确定第一层抗地震液化中粗砂排渗层8的埋深距初期坝5坝顶向下距离为8.4m，第二层抗地震液化中粗砂排渗层9的埋深为第一层抗地震液化中粗砂排渗层8埋置深度的一半，即4.2m。

所述的第一层抗地震液化中粗砂排渗层8、第二层抗地震液化中粗砂排渗层9皆由中粗砂排渗层11及铺设在中粗砂排渗层11中的一排槽孔排渗管3构成；第一层抗地震液化中粗砂排渗层8宽≥50m，长同初期坝5轴线长度，厚0.5m～0.6m，在中粗砂排渗层11中铺设纵向的槽孔排渗管3，长45m左右。槽孔排渗管3通过三通管12与排水连通管2联通；所述的排水连通管2的一部分预埋在初期坝5中，排水连通管2的外端与坝肩截洪沟1相连，排水连通管2在初期坝5内测位置改变方向后沿平行于初期坝5的坝体方向布置；槽孔排渗管3外包土工布10，槽孔排渗管3和外包的土工布10必须耐腐蚀，槽孔排渗管3长≥45m，槽孔排渗管3的间距为8m～12m，槽孔排渗管3直径≥75mm、壁厚≥12mm，槽孔排渗管3通过三通管12与排水连通管2相连，排水连通管2将槽孔排渗管3收集的尾矿库里地下水导入坝肩截洪沟1，排出库外。

2)当超细粒尾矿排放至初期坝5中预埋的第一层排水连通管2标高时，铺设第一层的中粗砂排渗层11，在中粗砂排渗层11中埋设槽孔排渗管3，形成第一层抗地震液化中粗砂排渗层8；

在第一层抗地震液化中粗砂排渗层8铺设完成后，继续排放超细粒尾矿，当超细粒尾矿排放至初期坝5中预埋的第二层排水连通管2标高时，再铺设第二层抗地震液化中粗砂排渗层9中的中粗砂排渗层11，在中粗砂排渗层11中埋设槽孔排渗管3；

3)第二层抗地震液化中粗砂排渗层9铺设完成后，再继续排放超细粒尾矿，在初期坝5的坝顶高度位置铺设抗地震液化中粗砂排渗盲沟层，所述的抗地震液化中粗砂排渗盲沟层是由中粗砂排渗盲沟4及埋设在中粗砂排渗盲沟4中的槽孔排渗管3构成，该层的槽孔排渗管3与初期坝5顶部的平台排水沟6相连，平台排水沟6与坝肩截洪沟1相连；

4)在抗地震液化中粗砂排渗盲沟层之上，将尾矿砂浆充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一级的尾矿模袋子坝7，在第一级的尾矿模袋子坝7修筑完成后，再在该级的尾矿模袋子坝7上铺设中粗砂排渗盲沟4，该级的粗砂排渗盲沟4与该级的平台排水沟6相连；

依次继续采用模袋法向上修筑第二级的尾矿模袋子坝7、第三级的尾矿模袋子坝7；每级矿模袋子坝7底宽36～40m，顶宽18m～20m，高3m，尾砂排放和模袋法修筑的子坝7同时进行，待模袋法修筑的尾矿模袋子坝7修筑完成，再在模袋法修筑的子坝上铺设抗地震液化中粗砂排渗盲沟层，抗地震液化中粗砂排渗盲沟层与尾矿模袋子坝7间隔设置；所述的模袋法修筑的尾矿模袋子坝7高度为3m～4m。

本发明的实际工程应用结果表明：由于第一层抗地震液化中粗砂排渗层8、第二层抗地震液化中粗砂排渗层9及抗地震液化中粗砂排渗盲沟层、坝肩截洪沟、平台排水沟以及尾矿模袋子坝的综合协同作用，有效防止了尾矿坝地震液化失稳破坏，成功地对一次性筑坝的超细粒尾矿库采用上游法进行了增高扩容。该项目成功实施后取得了显著的经济社会效益，增加了超细粒尾矿库的库容，提高了土地的利用率，延长了尾矿库的生产服务年限，无需另建新的尾矿库，仅节省新库建设费用和征地费用就高达1.5亿元，并极大地降低了超细粒尾矿的处理成本。