本發(fā)明屬于細(xì)粒尾礦筑壩技術(shù)，具體涉及一種超細(xì)粒尾礦采用上游法筑壩如何防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法，對(duì)于高烈度地震地區(qū)超細(xì)粒尾礦堆筑上游法尾礦壩尤為適用。

背景技術(shù)：

目前我國(guó)發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)有150多種，建設(shè)的礦山有10000多座，累計(jì)產(chǎn)生尾礦一百余億噸，而且每年仍以10億多噸的速度增長(zhǎng)。尾礦的處置方式還是采用尾礦庫地面堆存為主，目前統(tǒng)計(jì)到的尾礦庫數(shù)量超過12000座，90％以上采用上游法堆壩。

尾礦壩是一種特殊的土工構(gòu)筑物，其筑壩材料、施工工藝、建筑工期、服務(wù)功能、靜動(dòng)力特性、壩體結(jié)構(gòu)形式、服務(wù)期和環(huán)境安全要求均不同于一般的水工土石壩。上游法尾礦壩后繼斷面較小及占地較少，且工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，在我國(guó)大多數(shù)尾礦壩中得到采用。然而，尾礦顆粒較細(xì)，比重較大，親水性弱，飽和疏松的尾礦是非常敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而上游法尾礦壩容易形成復(fù)雜、混合的壩體結(jié)構(gòu)，許多壩體的排水系統(tǒng)不完善或易淤堵，致使壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線抬高甚至從壩面溢出，大部分壩體處于飽和狀態(tài)且比較疏松，容易引起壩體產(chǎn)生滲透破壞或滑坡、垮塌，在動(dòng)荷載條件下強(qiáng)度低，動(dòng)剪應(yīng)力比變化范圍小，地震時(shí)更易發(fā)生液化破壞。如1978年日本的Mochikoshi 1#尾礦壩由于地震液化破壞，2#尾礦壩在地震后約24h倒塌，近8萬m³的尾礦水合物被釋放出來，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大的損失。1965年智利La Ligua地震中Cobre尾礦壩潰壩吞掉200人的生命。1976年唐山地震曾導(dǎo)致大石河尾礦壩沉積灘發(fā)生大量的噴水冒砂現(xiàn)象，地震還導(dǎo)致天津堿廠尾礦庫發(fā)生液化破壞，波及范圍0.4km。鑒于尾礦壩地震液化帶來的重大危害，尾礦壩地震液化問題已成為尾礦庫工程抗震研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

采用上游法堆壩的尾礦粒度一般控制在-200目(0.075mm)含量不超過80％，特別是對(duì)于堆筑超過60m的高壩，對(duì)尾礦粒度要求更嚴(yán)格，對(duì)于-200目含量超過80％的尾礦，一般認(rèn)為不適合用尾礦直接堆壩。采用細(xì)顆粒尾礦筑壩的最終堆積高度受到很大的限制。國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，細(xì)顆粒筑壩不宜超過30m，對(duì)于占地較大的尾礦庫，顯然不經(jīng)濟(jì)。

隨著選礦技術(shù)的進(jìn)步及選礦回收率的提高，所產(chǎn)生的尾礦粒度越來越細(xì)，有色礦和一些超貧磁鐵礦產(chǎn)生的尾礦-200目含量達(dá)到了85％，一些黃金尾礦甚至達(dá)到90％。浮選尾礦砂平均粒徑在0.03mm左右，尾礦顆粒細(xì)。細(xì)顆粒尾礦筑壩力學(xué)強(qiáng)度低，固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，堆壩速度較慢，對(duì)于大、中型礦山而言，堆壩速度將會(huì)影響礦山選廠的正常生產(chǎn)。采用細(xì)顆粒尾礦筑壩后，壩體內(nèi)的排滲不暢造成壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線過高，使尾礦砂長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，尾砂固結(jié)非常慢，不利于尾砂固結(jié)后強(qiáng)度提高，進(jìn)而影響壩體的穩(wěn)定性，有發(fā)生潰壩的潛在風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前發(fā)生的很多尾礦庫災(zāi)害事故都是由于壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線過高引起的。

細(xì)顆粒尾礦筑壩尾礦庫，在壩前分散管排礦很難形成尾礦筑壩的灘面，尾礦庫水上沉積坡度十分平緩，庫水位處于較高的位置，沉積的礦泥不易固結(jié)，筑壩速度、調(diào)洪庫容和壩高都不同程度地受到限制，壩體抗震穩(wěn)定性差，在地震作用下容易發(fā)生壩體液化失穩(wěn)等狀況。在高地震烈度區(qū)，因細(xì)顆粒尾礦的抗液化能力弱，尤其不適合直接堆壩或不能堆筑高壩。對(duì)于細(xì)粒尾礦庫，比較安全可靠的堆存方式為一次性筑壩，但堆存成本太高，堆存成本在20～26元/m3，而且對(duì)于土地資源日益緊缺的礦山，尾礦庫的建設(shè)和運(yùn)行成本在急劇上升，甚至影響到礦山的持續(xù)健康發(fā)展。

根據(jù)中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院(金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家金屬礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)研究中心的依托單位)近年來對(duì)尾礦的抗液化性能的研究得出：在一定的地震荷載作用下，飽和尾砂是否發(fā)生液化和液化的程度，主要由尾砂自身的物理性質(zhì)和環(huán)境條件決定。尾砂的液化與下列因素有關(guān)：尾砂顆粒的粒徑、密度、不均勻系數(shù)和粘粒成分含量、地震歷史(該區(qū)域遭受的最大地震烈度)、飽和程度及現(xiàn)場(chǎng)條件、地下水浸潤(rùn)線埋深、排水條件、滲透能力等都會(huì)影響尾砂的液化，以及動(dòng)荷載的形式和幅度的大小也是影響尾砂的液化主要因素。

細(xì)粒尾礦筑壩的尾礦庫動(dòng)穩(wěn)定性差，主要是由下列原因造成的：

(1)細(xì)粒尾礦砂土顆粒尺寸小，細(xì)粒尾礦相對(duì)密度小，尾砂固結(jié)速度慢，易液化；

(2)細(xì)粒尾礦不均勻系數(shù)愈小，抗液化性差；

(3)細(xì)粒尾礦筑壩，地下水浸潤(rùn)線埋深淺，易液化。

(4)動(dòng)荷載和較大的地震幅值，在細(xì)粒尾砂中形成的超孔隙水壓力來不及消散，使液化現(xiàn)象增加得愈明顯。

尾礦庫作為一個(gè)危險(xiǎn)源，對(duì)于處于抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的細(xì)粒尾砂筑壩尾礦庫，提高細(xì)粒尾礦抗地震液化性能和提高細(xì)粒尾礦筑壩的尾礦庫動(dòng)力穩(wěn)定性顯得尤為重要。

為了解決尾礦壩抗震問題，《中國(guó)鎢業(yè)》2009年第二期刊登的“尾礦壩抗震設(shè)計(jì)研究進(jìn)展”一文中，圍繞尾礦壩地震液化評(píng)價(jià)和穩(wěn)定分析簡(jiǎn)化方法兩方面內(nèi)容，較全面地概述了國(guó)內(nèi)外尾礦壩抗震設(shè)計(jì)的研究成果和最新進(jìn)展。但也指出：尾礦壩抗震設(shè)計(jì)研究仍然是巖土工程和地震工程中重要的課題之一，以往研究取得較大進(jìn)展，但由于其復(fù)雜性，從理論到工程應(yīng)用仍存在很多值得探討的問題。而且該文并未針對(duì)超細(xì)粒尾礦采用上游法尾礦筑壩中如何防止地震液化失穩(wěn)破壞提出具體的解決思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)細(xì)粒、特別是超細(xì)粒尾礦堆筑上游法尾礦庫存在的地震液化、失穩(wěn)破壞問題，而提出一種超細(xì)粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法，以提高細(xì)粒尾礦堆筑尾礦庫壩體的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明超細(xì)粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法，按照設(shè)計(jì)方案修建初期壩、壩肩截洪溝，所述的初期壩采用碾壓土石壩壩體，并進(jìn)一步按照以下技術(shù)方案實(shí)施：

1)根據(jù)上游法尾礦壩所在地區(qū)地震抗震設(shè)防烈度，確定第一層抗地震液化中粗砂排滲層，第二層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深為第一層抗地震液化中粗砂排滲層埋置深度的一半；

設(shè)防地震烈度≤6地區(qū)，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在6.2～7.5m；設(shè)防地震烈度為7地區(qū)，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在7.2～8.5m；設(shè)防地震烈度為8地區(qū)，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在8～9.5m；設(shè)防地震烈度為9地區(qū)，第一層抗地震液化中粗砂排滲層的埋深距初期壩壩頂向下距離在9.5～11m；

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層、第二層抗地震液化中粗砂排滲層皆由中粗砂排滲層及鋪設(shè)在中粗砂排滲層中的一排槽孔排滲管構(gòu)成；槽孔排滲管通過三通管與排水連通管聯(lián)通；所述的排水連通管的一部分預(yù)埋在初期壩中，排水連通管的外端與壩肩截洪溝相連，排水連通管在初期壩內(nèi)測(cè)位置改變方向后沿平行于初期壩的壩體方向布置，排水連通管通過三通管與槽孔排滲管聯(lián)通。

2)當(dāng)超細(xì)粒尾礦排放至初期壩中預(yù)埋的第一層排水連通管標(biāo)高時(shí)，鋪設(shè)第一層的中粗砂排滲層，在中粗砂排滲層中埋設(shè)槽孔排滲管，形成第一層抗地震液化中粗砂排滲層；排水連通管將槽孔排滲管收集的尾礦庫里地下水導(dǎo)入壩肩截洪溝，排出庫外。

在第一層抗地震液化中粗砂排滲層鋪設(shè)完成后，繼續(xù)排放超細(xì)粒尾礦，當(dāng)超細(xì)粒尾礦排放至初期壩中預(yù)埋的第二層排水連通管標(biāo)高時(shí)，再鋪設(shè)第二層抗地震液化中粗砂排滲層中的中粗砂排滲層，在中粗砂排滲層中埋設(shè)槽孔排滲管；排水連通管將槽孔排滲管收集的尾礦庫里地下水導(dǎo)入壩肩截洪溝，排出庫外。

3)第二層抗地震液化中粗砂排滲層鋪設(shè)完成后，再繼續(xù)排放超細(xì)粒尾礦，在初期壩的壩頂高度位置鋪設(shè)抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，所述的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層是由中粗砂排滲盲溝及埋設(shè)在中粗砂排滲盲溝中的槽孔排滲管構(gòu)成，該層的槽孔排滲管與初期壩頂部的平臺(tái)排水溝相連，平臺(tái)排水溝與壩肩截洪溝相連，將細(xì)粒尾礦堆積壩中的地下水排入初期壩頂?shù)钠脚_(tái)排水溝。

4)在抗地震液化中粗砂排滲盲溝層之上，將尾礦砂漿充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一級(jí)的尾礦模袋子壩，在第一級(jí)的尾礦模袋子壩修筑完成后，再在該級(jí)的尾礦模袋子壩上鋪設(shè)中粗砂排滲盲溝，該級(jí)的粗砂排滲盲溝與該級(jí)的平臺(tái)排水溝相連；

依次繼續(xù)采用模袋法向上修筑第二級(jí)的尾礦模袋子壩、第三級(jí)的尾礦模袋子壩，并將抗地震液化中粗砂排滲盲溝層與尾礦模袋子壩間隔設(shè)置。

所述的中粗砂是指物料中+0.1mm粒級(jí)含量占物料總質(zhì)量在20％～70％、其中-0.074mm粒級(jí)含量占物料總質(zhì)量≤50％的中粗粒尾礦。

尾砂堆積壩子壩采用模袋法堆筑，即將尾礦砂漿充灌入模袋中，經(jīng)自然沉淀排水、振密固結(jié)排水得到壩體。模袋法的模袋為由上、下兩層高強(qiáng)度土工織物(如丙綸、滌綸、錦綸、聚丙烯等)制作的大面積連續(xù)袋狀材料，在其袋內(nèi)泵灌流動(dòng)性尾砂漿并固結(jié)后形成的一種防護(hù)體。模袋的土工織物的平均空隙根據(jù)尾砂的粒度構(gòu)成確定，保證中值粒徑以上的尾砂存留在模袋內(nèi)為原則。

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層、第二層抗地震液化中粗砂排滲層的寬度≥50m，長(zhǎng)同初期壩軸線長(zhǎng)度，厚度為0.5m～0.6m。

所述的槽孔排滲管外包土工布，該土工布必須耐腐蝕。所述的槽孔排滲管間距8m～12m，模袋法修筑的尾礦模袋子壩高為3m～4m。

本發(fā)明超細(xì)粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法，通過增加水平排滲設(shè)施，降低壩體地下水浸潤(rùn)線，加快細(xì)粒尾礦的固結(jié)，以提高細(xì)粒筑壩尾礦庫壩體穩(wěn)定性和細(xì)粒尾礦堆積壩抗地震液化。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案后，具有以下積極效果：

1)解決了超細(xì)粒尾礦修筑尾礦庫只能局限于一次性筑壩，不適用采用上游法修筑尾礦庫的問題，并且可以對(duì)一次性筑壩的超細(xì)粒尾礦庫進(jìn)行增高擴(kuò)容，延長(zhǎng)了尾礦庫的生產(chǎn)服務(wù)年限，增加了超細(xì)粒尾礦庫的庫容，極大地降低了超細(xì)粒尾礦的處理成本；

2)采用通常方法處理的超細(xì)粒尾礦上游法筑壩尾礦庫，最終堆積高度受到很大的限制，國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，細(xì)顆粒筑壩不宜超過30m，對(duì)于占地較大的尾礦庫，顯然不經(jīng)濟(jì)。采用針對(duì)超細(xì)粒尾礦堆筑上游法尾礦壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法后，尾砂堆積壩最終堆積高度得到了極大的提高，最終堆積高度可達(dá)80米以上，大大提高了土地的利用率，降低了生產(chǎn)成本。

3)增設(shè)的抗地震液化中粗砂排水墊層，疏干了墊層以上區(qū)域的超細(xì)粒尾砂中的地下水，降低了壩體浸潤(rùn)線，加快了超細(xì)粒尾礦的固結(jié)，提高了超細(xì)粒尾礦的承載力和抗液化能力，消除了超細(xì)粒尾砂堆積壩地基的地震液化沉陷。

4)抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，加快了模袋法構(gòu)筑的子壩中超細(xì)粒尾砂的固結(jié)，加快了子壩堆筑的速度，提高了生產(chǎn)效率(對(duì)于大、中型礦山而言，堆壩速度將會(huì)影響礦山選廠的正常生產(chǎn))，提高了超細(xì)粒尾砂的強(qiáng)度指標(biāo)，提高了超細(xì)粒尾砂堆積壩的抗地震液化能力，提高了超細(xì)粒尾砂堆積壩的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法采用的第一層抗地震液化中粗砂排水墊層平面布置示意圖；

圖2為圖1中的A-A剖面圖；

圖3為本發(fā)明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲層內(nèi)埋設(shè)的槽孔排滲管與排水連通管連接剖面圖；

圖4為本發(fā)明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲層中槽孔排滲管與排水連通管連接平面示意圖；

圖5為本發(fā)明方法采用的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層中槽孔排滲管與尾砂堆積壩坡面排水溝示意圖。

圖中標(biāo)記為：1-壩肩截洪溝；2-排水連通管；3-槽孔排滲管；4-中粗砂排滲盲溝；5-初期壩；6-平臺(tái)排水溝；7-尾礦模袋子壩；8-第一層抗地震液化中粗砂排滲層；9-第二層抗地震液化中粗砂排滲層；10-土工布；11-中粗砂排滲層；12-三通管。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明超細(xì)粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法作更詳細(xì)的描述。

工程實(shí)施例為我國(guó)某大型磷礦的超細(xì)粒尾礦庫(磷礦浮選細(xì)粒尾礦)的增高擴(kuò)容工程，工程所在地區(qū)為8級(jí)地震烈度設(shè)防。

由圖1所示的本發(fā)明方法采用的第一層抗地震液化中粗砂排水墊層平面布置示意圖并結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5看出，本發(fā)明超細(xì)粒、上游法尾礦筑壩防止地震液化失穩(wěn)破壞的方法包括以下工藝、步驟：

1)按照設(shè)計(jì)方案修建初期壩5、壩肩截洪溝1，所述的初期壩5采用碾壓土石壩壩體；由于上游法尾礦壩所在地區(qū)地震抗震設(shè)防烈度為8級(jí)，確定第一層抗地震液化中粗砂排滲層8的埋深距初期壩5壩頂向下距離為8.4m，第二層抗地震液化中粗砂排滲層9的埋深為第一層抗地震液化中粗砂排滲層8埋置深度的一半，即4.2m。

所述的第一層抗地震液化中粗砂排滲層8、第二層抗地震液化中粗砂排滲層9皆由中粗砂排滲層11及鋪設(shè)在中粗砂排滲層11中的一排槽孔排滲管3構(gòu)成；第一層抗地震液化中粗砂排滲層8寬≥50m，長(zhǎng)同初期壩5軸線長(zhǎng)度，厚0.5m～0.6m，在中粗砂排滲層11中鋪設(shè)縱向的槽孔排滲管3，長(zhǎng)45m左右。槽孔排滲管3通過三通管12與排水連通管2聯(lián)通；所述的排水連通管2的一部分預(yù)埋在初期壩5中，排水連通管2的外端與壩肩截洪溝1相連，排水連通管2在初期壩5內(nèi)測(cè)位置改變方向后沿平行于初期壩5的壩體方向布置；槽孔排滲管3外包土工布10，槽孔排滲管3和外包的土工布10必須耐腐蝕，槽孔排滲管3長(zhǎng)≥45m，槽孔排滲管3的間距為8m～12m，槽孔排滲管3直徑≥75mm、壁厚≥12mm，槽孔排滲管3通過三通管12與排水連通管2相連，排水連通管2將槽孔排滲管3收集的尾礦庫里地下水導(dǎo)入壩肩截洪溝1，排出庫外。

2)當(dāng)超細(xì)粒尾礦排放至初期壩5中預(yù)埋的第一層排水連通管2標(biāo)高時(shí)，鋪設(shè)第一層的中粗砂排滲層11，在中粗砂排滲層11中埋設(shè)槽孔排滲管3，形成第一層抗地震液化中粗砂排滲層8；

在第一層抗地震液化中粗砂排滲層8鋪設(shè)完成后，繼續(xù)排放超細(xì)粒尾礦，當(dāng)超細(xì)粒尾礦排放至初期壩5中預(yù)埋的第二層排水連通管2標(biāo)高時(shí)，再鋪設(shè)第二層抗地震液化中粗砂排滲層9中的中粗砂排滲層11，在中粗砂排滲層11中埋設(shè)槽孔排滲管3；

3)第二層抗地震液化中粗砂排滲層9鋪設(shè)完成后，再繼續(xù)排放超細(xì)粒尾礦，在初期壩5的壩頂高度位置鋪設(shè)抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，所述的抗地震液化中粗砂排滲盲溝層是由中粗砂排滲盲溝4及埋設(shè)在中粗砂排滲盲溝4中的槽孔排滲管3構(gòu)成，該層的槽孔排滲管3與初期壩5頂部的平臺(tái)排水溝6相連，平臺(tái)排水溝6與壩肩截洪溝1相連；

4)在抗地震液化中粗砂排滲盲溝層之上，將尾礦砂漿充灌入模袋中，采用模袋法修筑第一級(jí)的尾礦模袋子壩7，在第一級(jí)的尾礦模袋子壩7修筑完成后，再在該級(jí)的尾礦模袋子壩7上鋪設(shè)中粗砂排滲盲溝4，該級(jí)的粗砂排滲盲溝4與該級(jí)的平臺(tái)排水溝6相連；

依次繼續(xù)采用模袋法向上修筑第二級(jí)的尾礦模袋子壩7、第三級(jí)的尾礦模袋子壩7；每級(jí)礦模袋子壩7底寬36～40m，頂寬18m～20m，高3m，尾砂排放和模袋法修筑的子壩7同時(shí)進(jìn)行，待模袋法修筑的尾礦模袋子壩7修筑完成，再在模袋法修筑的子壩上鋪設(shè)抗地震液化中粗砂排滲盲溝層，抗地震液化中粗砂排滲盲溝層與尾礦模袋子壩7間隔設(shè)置；所述的模袋法修筑的尾礦模袋子壩7高度為3m～4m。

本發(fā)明的實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明：由于第一層抗地震液化中粗砂排滲層8、第二層抗地震液化中粗砂排滲層9及抗地震液化中粗砂排滲盲溝層、壩肩截洪溝、平臺(tái)排水溝以及尾礦模袋子壩的綜合協(xié)同作用，有效防止了尾礦壩地震液化失穩(wěn)破壞，成功地對(duì)一次性筑壩的超細(xì)粒尾礦庫采用上游法進(jìn)行了增高擴(kuò)容。該項(xiàng)目成功實(shí)施后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，增加了超細(xì)粒尾礦庫的庫容，提高了土地的利用率，延長(zhǎng)了尾礦庫的生產(chǎn)服務(wù)年限，無需另建新的尾礦庫，僅節(jié)省新庫建設(shè)費(fèi)用和征地費(fèi)用就高達(dá)1.5億元，并極大地降低了超細(xì)粒尾礦的處理成本。