CN103953008B - 一种适用于尾矿库的改进型混合坝 - Google Patents

Abstract

一种适用于尾矿库的改进型混合坝，包括坝体、上游面防渗层、防渗齿槽、排水堆石棱体、上游面排水层、上游面反滤层、反滤齿槽、坝外坡防渗层、坝下反滤层、坝下排水层、排水管、集渗管、坝体与山体接触面防渗层、坝体与山体接触面排水层，所述上游面防渗层位于坝体与排水堆石棱体、上游面排水层之间，上游面排水层、排水堆石棱体位于上游面防渗层与上游面反滤层之间，且排水堆石棱体位于上游面排水层的下方，坝下反滤层位于坝体与坝下排水层之间，排水管位于坝下排水层中，排水管的进口与集渗管相连，排水管的出口设有闸阀，集渗管位于排水堆石棱体中。本发明可利用当地材料筑坝，筑坝成本低，且运行可靠，维修方便，功能全面。

Description

一种适用于尾矿库的改进型混合坝

技术领域

本发明涉及一种适用于尾矿库的改进型混合坝。

背景技术

目前，我国尾矿库数量达12000余座，堆存量100多亿吨。尾矿库安全关系到下游居民生命财产的安全、土地环境的污染，特别近几年频发的尾矿库安全事故，给国家带来了较大的经济损失，安全事故造成的人员伤亡影响社会的和谐稳定。

尾矿库安全问题突出，安全设施投入也很大。尾矿库建设投资在整个矿山建设投资中的比例在逐渐升高。如何在提高尾矿坝安全系数的同时尽可能的降低工程投资，成为矿山发展面临的一个重要课题。尾矿库的安全设施主要由初期坝、堆积坝、排洪系统、排渗系统、观测设施等组成。其中初期坝的建设投资在整个尾矿库建设投资的比例较高，降低初期坝的投资成为降低尾矿库建设投资的一个关键部分。

在尾矿库设计中，为了尾矿坝的后期安全，初期坝坝型一般选用透水堆石坝。透水堆石坝主要由堆石体及其上游面的反滤层、保护层构成，因透水性能好，可降低尾矿堆积坝体内的浸润线，加快尾矿固结，有利于尾矿坝的稳定。透水堆石坝采用的筑坝石料一般为坚硬的花岗岩、正长岩、辉长岩、闪长岩、斑岩、辉绿岩、石英岩、桂质砂岩、密度大的石灰岩等，对于页岩、泥灰岩、角砾岩等岩石则不适于筑坝。

工程实践中，尾矿库库区附近往往缺少符合要求的硬岩，若使用硬岩筑坝，则筑坝成本过高，遇到这种情况，大部分将坝型改为当地材料筑坝，即软岩筑坝或者风化料筑坝。工程中使用软岩料的湿化特征比较明显，实际各种软岩料均有一个较为普遍的特点，即软岩料对环境变化的敏感性很强，现场刚开采的各种软岩料尚有一定的强度，但稍经风雨、日晒的影响，其强度迅速降低，颗粒加剧破碎。软岩一般软化系数小，即浸水饱和后强度损失较大，有时只剩下干燥状态下的20%～30%，因此湿化变形较大。同样，风化料筑坝时往往强度低，软化系数小，在尾矿库的初期坝建设实践中，采用软岩和风化料筑坝一般强度低，断面大，投资高。

尾矿库初期坝的施工过程中，为了防止洪水冲坏正在建设中的初期坝，要做施工导流；施工导流管一般选用预制钢筋混凝土管、钢管等，导流管施工完毕后，需要对导流管进行封堵，且封堵要有一定的强度，能够承受尾矿堆积至终期时的尾矿荷载，封堵之后，该导流管基本上没有任何作用。

浸润线对初期坝体的影响表现在四个方面：a)改变坝体内的应力状态，浸润线以下的岩土体有效应力减小；b)降低浸润线以下岩土体的物理力学指标；c)在浸润线溢出部位可能产生管涌、流土等渗透破坏；d)筑坝材料为粉土、砂土时，在浸润线较高的情况下，初期坝存在地震液化的可能性。故在工程实践中，尽量降低坝体内的浸润线对坝体的稳定意义重大。

尾矿库投入运行初期，排洪系统尚未开始进水，尾矿沉积滩面没有形成，透水堆石坝一般会出现短暂的跑浑现象，跑浑的时间取决于初期坝的高度、尾矿排放量及初期库容量等。目前，防止初期坝跑浑的措施为在初期坝上游面底部一定高度范围内设置粘土斜墙，设置粘土斜墙一方面会增加工程投资，另一方面会一定程度上削弱尾矿堆积坝的排渗能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种投资较低、运行可靠、便于维修、功能全面的适用于尾矿库的改进型混合坝。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于尾矿库的改进型混合坝，包括坝体、上游面防渗层、防渗齿槽、排水堆石棱体、上游面排水层、上游面反滤层、反滤齿槽、坝外坡防渗层、坝下反滤层、坝下排水层、排水管、集渗管、坝体与山体接触面防渗层、坝体与山体接触面排水层，所述上游面防渗层位于坝体与排水堆石棱体、上游面排水层之间，所述上游面防渗层的下端位于防渗齿槽中，所述防渗齿槽位于坝下排水层下方，所述上游面排水层、排水堆石棱体位于上游面防渗层与上游面反滤层之间，且排水堆石棱体位于上游面排水层的下方，所述上游面反滤层的下端位于反滤齿槽中，所述坝下反滤层位于坝体与坝下排水层之间，所述排水管位于坝下排水层中，所述排水管的进口与集渗管相连，所述排水管的出口设有闸阀，所述集渗管位于排水堆石棱体中，所述坝体与山体接触面防渗层位于坝体、坝体与山体接触面排水层之间。

进一步，所述坝体由风化料、软岩料、废石、废渣、土料等当地材料建成。

进一步，所述上游面防渗层、坝体与山体接触面防渗层为30cm厚砂砾石垫层-2.0mmHDPE膜-50cm厚粘土垫层，砂砾石垫层的砂砾石D=2～10mm。

进一步，所述上游面反滤层、坝下反滤层为30cm厚砂砾石垫层-400g/m²土工布-30cm厚砂砾石垫层，砂砾石垫层的砂砾石D=2～10mm。

进一步，所述坝外坡防渗层为10cm预制块护坡，中间水泥砂浆抹缝。

本发明通过设置上游面防渗层、坝外坡防渗层、坝体与山体接触面防渗层，将坝体渗透水与筑坝材料最大程度的隔离，通过设置坝下反滤层，降低坝体内的浸润线高度，使筑坝材料大部分处于浸润线以上，物理力学指标及有效应力较高，坝体稳定安全系数较高。对于筑坝材料为软岩的情况，该坝型可以使软岩尽量保持干燥状态，强度损失比例将大幅降低，加上软岩特有的较高的碾压干密度，对坝体的稳定性十分有利。通过利用当地材料如风化料、软岩料、废石、废渣、土料等最大程度的降低工程投资，解决施工过程中经常遇到的筑坝材料不足问题。

本发明通过设置排水堆石棱体、上游面反滤层以及在坝下设置排水管，且排水管上设置闸阀，可以灵活控制坝型的透水功能。当闸阀关闭时，该坝为不透水坝，当闸阀开启时，该坝属于透水坝。能够灵活控制坝体的透水性对尾矿库的意义重大，因为当尾矿库运行初期，尚未形成尾矿沉积滩，尾矿不易澄清，对于碾压透水堆石坝来说，经常出现跑浑现象，此时可以将闸阀关闭，改进型混合坝即为不透水坝，可以防止初期跑浑现象。当尾矿堆至初期坝坝顶，排洪系统可以排水时，尾矿沉积滩面已经形成，此时经过尾矿过滤的尾矿水已经较清，可以将闸阀打开，改进型混合坝变为透水坝，降低尾矿堆积体内的浸润线高度，对坝体的稳定安全有利。在尾矿堆积高度没有堆积至初期坝顶、排洪系统无法排水之前，遭遇到较大频率的洪水时，为防止洪水漫顶，在保证不发生冲刷破坏的前提下，可以适度控制闸阀的开启个数及时排水，对尾矿库初期防洪起到辅助作用。

在排水堆石棱体顶部标高以下主坝体完成后，对于汇水面积较小的尾矿库，坝下排水管可以发挥施工导流的作用，对于汇水面积较大的尾矿库，坝下排水管可以辅助其他施工导流措施发挥施工导流作用。

当初期坝与两侧山体的接触部位或者初期坝坝底有地表水、涌水或裂隙水、渗透水时，应采取措施将上述水流引至初期坝下游，防止进入坝体内，软化筑坝材料或提升坝体浸润线，给坝体安全造成安全隐患。当两侧山体的渗透水流呈现集中出流的状态时，可以通过设置适当断面的排水管将渗透水流引至坝体下游；当两侧山体的渗透水流呈面状形式出流时，可以在筑坝材料与山体之间设置排水层，将水流引至坝底排出；当两侧山体渗水量极小，筑坝材料不是软岩时，也可不设置排渗措施。

综上所述，本发明具有以下优点：（1）可以最大程度的适应当地可选用的筑坝材料，包括土料、软岩料、风化料、废石等，解决筑坝材料不足或不能满足设计要求的情况；（2）坝体内的浸润线很低，坝体的稳定安全系数较高；（3）初期坝建设期间可以利用坝下排渗系统作为施工导流措施中的一部分；（4）若尾矿水水质对筑坝材料有腐蚀作用，使用本发明，可以最大程度的降低尾矿水质对筑坝材料的影响；（5）在尾矿库运行初期，可以通过关闭排水管，使尾矿水得以澄清，防止发生初期跑浑问题；（6）对于尾矿水不能外排或尾矿库需要防渗处理的情况，该坝型既可以起到防渗作用，又可以在坝体稳定安全系数较低时，通过开启排水管排水，降低堆积坝体内的浸润线高度，提高坝体安全系数的作用；（7）对坝基的透水性适应性很好，对于透水性比较强的地基，可以在防渗齿槽处设置帷幕灌浆，减少透水性，可以灵活控制坝体内渗水及尾矿库渗漏；（8）因该坝型坝下管径一般较小，一旦在运行过程中发生损坏，可以及时进行封堵处理，其破坏性影响可以控制在一定程度内。

本发明适用于干堆场初期坝、排土场初期坝、垃圾填埋场坝等，特别适用于遇水软化、泥化，强度明显降低的情况；

附图说明

图1 为本发明实施例的纵剖面示意图；

图2 为图1所示实施例的平面示意图；

图3 为图1所示实施例的横剖面示意图；

图中：1-坝体、2-排水堆石棱体、3-反滤齿槽、4-防渗齿槽、5-排水管、6-集渗管、7-上游面反滤层、8-上游面防渗层、9-坝下反滤层、10-坝外坡防渗层、11-坝下排水层、12-上游面排水层、13-闸阀、14-坝体与山体接触面防渗层、15-坝体与山体接触面排水层。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参照附图，本实施例包括坝体1、上游面防渗层8、防渗齿槽4、排水堆石棱体2、上游面排水层12、上游面反滤层7、反滤齿槽3、坝外坡防渗层10、坝下反滤层9、坝下排水层11、排水管5、集渗管6、坝体与山体接触面防渗层14、坝体与山体接触面排水层15，所述上游面防渗层8位于坝体1与排水堆石棱体2、上游面排水层12之间，所述上游面防渗层8的下端位于防渗齿槽4中，所述防渗齿槽4位于坝下排水层11下方，所述上游面排水层12、排水堆石棱体2位于上游面防渗层8与上游面反滤层7之间，且排水堆石棱体2位于上游面排水层12的下方，所述上游面反滤层7的下端位于反滤齿槽3中，所述坝下反滤层9位于坝体1与坝下排水层11之间，所述排水管5位于坝下排水层11中，所述排水管5的进口与集渗管6相连，所述排水管5的出口设有闸阀13，所述集渗管6位于排水堆石棱体2中，所述坝体与山体接触面防渗层14位于坝体1、坝体与山体接触面排水层15之间。

本实施例的施工顺序一般为防渗齿槽、齿槽部分防渗层及齿槽回填、坝下排水管、排水堆石棱体、排水堆石棱体下游部分防渗层、坝下排水层、坝下反滤层、排水堆石棱体顶部标高以下主坝体、排水堆石棱体顶部标高以上主坝体、坝前部分防渗层、上游面排水层、反滤齿槽及上游面反滤层。在坝体填筑过程中施工坝体与山体之间的防渗层、排水层。

初期坝下埋设的管道，采用柔性管，如钢管、PVC管等，管径一般在800mm以内，数量可以根据实际情况而定，宜均匀布置，每条管道均设有一个闸阀，控制管道的出流。

库内排水层厚度的估算方法

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式中：为排水层渗水量；为估算的尾矿坝最大渗水量；为排水层厚度；为沿坝轴线方向排水层的平均长度；为排水层中平均流速；为排水层的渗透系数；为排水层中水流的比降；为坝体上游面面积；为尾矿渗透水平均流速；为各尾矿分层中的最大渗透系数；为尾矿渗透水中的水力坡降。

防渗层设计应考虑的因素：根据初期坝的高度，选择对应水压承受能力的防渗膜；防渗膜的上、下层应设计粘土保护层，防止施工过程中，防渗膜损坏，粘土保护层的厚度应根据承受水压及施工可能产生的外力确定；防渗膜应通过齿槽、防渗帷幕深入沟底及两侧不透水层；防渗膜在转弯、搭接处要采取加强措施，并采取锚固措施，防止扯出，保证接头处的水压承受力。

某尾矿库采用上游法尾矿筑坝，总坝高94.5m，尾矿堆积坝高60m。初期坝可以选用的筑坝材料为当地绢英千枚岩，隧洞掘进开挖废渣，绢英千枚岩有一定程度的风化。初期坝采用改进型混合坝，坝顶宽度为4m，上游边坡坡比为1:2.0，下游坡坡比为1:2.0，初期坝高度为34.5m。

排水堆石棱体顶宽6m，下游边坡坡比为1:1，高度为10m；上游面反滤层、上游面排水层、上游面防渗层的组成依次为30cm块石护坡、30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)-400g/m²土工布-30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)、2.15m块石排水层、30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)-2.0mmHDPE膜-50cm厚粘土垫层。坝体与两侧山体之间的防渗层组成为坝体材料-50cm粘土垫层-2mmHDPE膜-30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)-清基后山体。坝体底部排渗层组成为坝体材料、30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)-400g/m²土工布-30cm厚砂砾石垫层(D=2～10mm)、3m厚块石排水层-清基后坝体底部基础。坝外坡防渗层组成为10cm预制块护坡，中间水泥砂浆抹缝，施工至坝体块石排水层上部。坝体排水管采用DN300钢管，管壁厚度为8mm，根数为4根，每根钢管外设置一个阀门。钢管前集水管采用DN600钢管，钢管外梅花钻孔，每周钻孔18个，钻孔间距10cm，孔径2cm，钢管外包400g/m²土工布。

计算尾矿堆积坝体中的渗流量为5L/s，块石排水层的设计集水量为23L/s，钢管设计排水量为774L/s。

Claims (5)

1.一种适用于尾矿库的改进型混合坝，包括坝体，其特征在于：还设有上游面防渗层、防渗齿槽、排水堆石棱体、上游面排水层、上游面反滤层、反滤齿槽、坝外坡防渗层、坝下反滤层、坝下排水层、排水管、集渗管、坝体与山体接触面防渗层、坝体与山体接触面排水层，所述上游面防渗层位于坝体与排水堆石棱体、上游面排水层之间，所述上游面防渗层的下端位于防渗齿槽中，所述防渗齿槽位于坝下排水层下方，所述上游面排水层、排水堆石棱体位于上游面防渗层与上游面反滤层之间，且排水堆石棱体位于上游面排水层的下方，所述上游面反滤层的下端位于反滤齿槽中，所述坝下反滤层位于坝体与坝下排水层之间，所述排水管位于坝下排水层中，所述排水管的进口与集渗管相连，所述排水管的出口设有闸阀，所述集渗管位于排水堆石棱体中，所述坝体与山体接触面防渗层位于坝体、坝体与山体接触面排水层之间。

2.根据权利要求1所述的适用于尾矿库的改进型混合坝，其特征在于：所述坝体由风化料、软岩料、废石或废渣建成。

3.根据权利要求1或2所述的适用于尾矿库的改进型混合坝，其特征在于：所述上游面防渗层、坝体与山体接触面防渗层为30cm厚砂砾石垫层-2.0mmHDPE膜-50cm厚粘土垫层，砂砾石垫层的砂砾石D=2～10mm。

4.根据权利要求1或2所述的适用于尾矿库的改进型混合坝，其特征在于：所述上游面反滤层、坝下反滤层为30cm厚砂砾石垫层-400g/m²土工布-30cm厚砂砾石垫层，砂砾石垫层的砂砾石D=2～10mm。

5.根据权利要求1或2所述的适用于尾矿库的改进型混合坝，其特征在于：所述坝外坡防渗层为10cm预制块护坡，中间水泥砂浆抹缝。