康家湾矿斋家冲尾矿库加高扩容面临的问题及对策(终稿).docx

康家湾矿斋家冲尾矿库加高扩容面临的问题及对策
安环部 王松坚

摘要:本文提出了康家湾矿斋家冲尾矿库加高扩容的建议，并对尾矿库加高扩容所面临的问题提出了对策，论证了尾矿库加高扩容经过正规单位设计、工程整改，斋家冲尾矿坝稳定性完全可以满足规范要求。斋家冲尾矿库可从145米征地标高加高至170米或以上，库容从450万m3增至910万m3，相当于再造一个康家湾矿斋家冲尾矿库，与选择地址建新的尾矿库相比，可节省投资数千万元。 
关键词：斋家冲尾矿库 加高扩容 工程地质勘察 稳定性 物理力学指标 排洪系统
前言
近年来，由于康家湾矿斋家冲尾矿库接近145米征地标高，2008年公司领导多次要求选择地址建新的尾矿库以接替斋家冲尾矿库，后来康家湾矿物色了一个容积约为800万m3的尾矿库新址，预算金额9800万元。而笔者在征询多位知名专家后，向公司领导和康家湾矿领导提出了尾矿库加高扩容的建议。但众多同仁提出了尾矿库加高扩容可能存在的问题，如尾矿坝稳定性、是否有足够库容等，为此，公司邀请中国有色金属工业长沙勘察设计研究院对康家湾矿斋家冲尾矿库进行了工程地质勘察和对库区平面图进行精确测量。
1尾矿库概况
1.1尾矿库现状
斋家冲尾矿库于1974年由原水口山矿务局自行规划设计。1979年动工，至1986年5月竣工，6月正式使用至今。该库初期坝坝顶标高103.0m，坝高20.8m，坝顶宽4.0m，坝内坡1:2.0，外坡1:1.75，坝型为堆石坝，后期堆积坝坝为上游式尾矿堆坝，设计最终堆积标高150.0m，总坝高67.8m，设计总库容526×104m3（但是实际征地标高却为145米，相应库容450×104m3）。2000年该库坝坡出现沼泽化，长沙有色冶金设计研究院采用在坝坡上设置大口辐射井的方案对沼泽化问题进行了处理。2003年长沙有色冶金设计研究院对该库的排洪系统进行了安全整改设计，使其能安全运行至150.0m标高。目前该库坝顶标高约145.63m。
1.2尾矿堆积坝
目前斋家冲尾矿库堆积坝顶标高约145.63m，滩顶标高约145.5m ,堆积坝高42.63m，总坝高63.43m。库尾水面标高约139.02m，沉积滩长约370.0m，沉积滩坡度约为1.75%；平均堆积边坡约1:4.7。堆积坝坡采用山皮土护坡，表面植物（草）较好。坝肩排水沟除标高110～113m之间东侧的小部分损毁变形外，其余的排水沟均较好。
各级马道的排水沟现状良好。
1.3排洪系统
斋家冲尾矿库排洪系统由Ⅰ期窗口式排水井—隧洞和Ⅱ期斜槽—竖井—隧洞组成，目前正使用Ⅱ期排洪系统。
排水斜槽B×H=1.0×1.7m，断面为圆拱直墙型，建于标高114.7m至标高153.6m山坡上，斜槽倾角22.1°，长105.6m，其底板和侧壁均为单侧配筋的钢筋混凝土结构。130.0m标高以下斜槽中埋设D=0.8m钢管加固，钢管与斜槽内壁之间浇注C15细石混凝土。竖井D×H=1.6×11.0m，混凝土衬砌，竖井底标高约103.0m。隧洞B×H=1.6×1.92m，长857.8m，坡度约为1.5%，为门洞型支护结构，
库区隧洞经现场调查，主隧洞均采用钢筋混凝土衬砌，断面为圆拱直墙型，B×H=1.6×1.85m，坡度约为1.5%，出口底板标高90.28m。除部分约长160m长底板损毁外，其余段衬砌结构完好，未见明显裂缝，仅局部有串珠状渗水。
1.4排渗设施
2000年斋家冲尾矿库坝坡出现大面积沼泽化，长沙有色冶金设计研究院为该库设置了两座大口辐射井，分别位于120.0m标高和130.0m标高平台，水平排渗管的出口标高分别为107.0和120.0m，目前两座井出水水质澄清，水量稳定，分别为7.42L/s及7.29L/s（2010年5月30日测得）。
2.存在问题
2.1 库尾南侧垭口最低处标高为160.0m，加高后的库容有限，是否有必要搞加高扩容工程？
2.2原设计最终堆积标高150.0m，如果加高扩容，初期坝是否稳定以及排水隧洞能否承受加高后所带来的压力？
3对策：
·3.1. 对策一：该库库尾南向垭口最低标高160.0m，需要在此设置10.0m副坝，即可从145征地标高加高25米至170.0m。
3.1.1库容计算
斋家冲尾矿库为一曲折狭长的V形山谷，走向由东向西，地势北高南低，沟口高程为90m左右，沟长774m，北岸最高山脊高程为216.7m，南岸最低山脊高程为160.0m，库区总汇水面积为0.43km2，属山谷型全封闭尾矿库。两岸多发育近南北向山脊，两岸岸坡较缓，一般18°～35°。第四系覆盖层较薄，一般1～2m，局部小型沟谷地段达5～8m。常见基岩出露，风化程度不均，以强～中等风化为主。
库尾南向垭口标高最低处为160.0m，坝肩坡度为8°～11°，外侧沟谷坡度10°～12°，内侧沟谷坡度11°～13°，垭口顶最矮处宽约13.0m，两侧山体坡度较陡，库尾东侧垭口最低处标高为170.0m。由于南侧垭口顶部较窄，坝高受到严格限制。经初步估算，可修筑10m高副坝，则尾矿库可加高至170.0m，根据地形分析，该库最终加高扩容至170.0m标高，总坝高87.8m，总库容910.0×104m3。
拟建副坝坝型为加筋堆石坝，设计拟在碾压堆石坝的基础上考虑每隔1.0m高在坝体设置加筋钢塑土工格栅，规格为纵向极限抗拉力为120KN/m，每1.0m设一层，每层格栅必须相连，上游设置袋装现浇混凝土护坡，下游边坡采用干砌块石护坡。
副坝坝顶标高170.0m，最大坝顶12.0m，坝顶宽2.5m，上、下游边坡为1:0.7。
·3.2对策二：公司邀请中国有色金属工业长沙勘察设计研究院对康家湾矿斋家冲尾矿库进行了工程地质勘察，勘察结果显示，坝体稳定性满足规范要求。
3.2.1堆积坝体稳定分析
坝体的失稳是部分土体沿某滑裂面滑动，通常滑裂面假定为圆弧形的，一般情况采用瑞典圆弧法计算坝坡的抗滑稳定。本次设计的稳定分析即采用瑞典圆弧法。计算时采用总应力法。
根据《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）第3.4.3条规定，荷载组合分为正常运行、洪水运行和特殊运行三种工况。其抗滑稳定要求的最小安全系数见表1。

表1 抗滑稳定最小安全系数表
坝的级别
运行工况
1
2
3
4、5
正常运行
1．30
1．25
1．20
1．15
洪水运行
1．20
1．15
1．10
1．05
特殊运行
1．10
1．05
1．05
1．00
对于本尾矿库其坝坡抗滑稳定的最小安全系数指标为：
正常运行： K≥1.20
洪水运行： K≥1.10
特殊运行： K≥1.05
该地区的地震基本烈度小于6度，水平地震系数小于0.05，所以不进行特殊运行时的稳定分析。
根据工勘资料，该库的尾砂从上至下为人工填土（坝坡覆土保护层）、尾粉砂、尾粉土、尾粉质粘土、粉质粘土、强风化砂岩、中风化砂岩等，中间或夹尾粉土、尾粉质粘土，各土层物理力学指标见表2。

表2 尾矿主要物理力学指标工勘推荐值
类 别
天然重度
（KN/m3）
不饱和状态
饱和状态
φ（°）
C（Kpa）
φ（°）
C（Kpa）
初期坝体
22.0
36
0
34
0
人工填土
20.0
16
22
14
22
尾粉砂
20.5
25
4
23
4
尾粉土
20.5
20
12
18
12
尾粉质粘土
20.4
15
16
13
16
粉质粘土
19.4
20
25
18
25
强风化砂岩
21.0
30
50
28
50
中风化砂岩
26.0
32
100
30
100
根据长沙勘察设计研究院的计算，目前堆积坝体标高和加高扩容后最终堆积标高计算结果见表3，稳定计算结果示意图见图1～图4。

表3 抗滑稳定计算结果表
坝顶标高(m)
库等级
不同工况
平均
浸润线降深（m）
抗滑稳定
最小安全系数
Kmin
规范规定
最小安全系数
［K］
146
Ⅲ等
正常运行
实测
1.253
1.20
洪水运行
6
1.154
1.10
170.0
Ⅲ等
正常运行
8
1.206
1.20
洪水运行
6
1.134
1.10
根据以上计算结果可见，目前堆积坝顶标高时，在正常运行、洪水运行情况下的坝体抗滑稳定安全系数均能满足规范要求；继续堆高至170.0m标高时，在正常运行、洪水运行情况下均能满足要求。
3.3新建排洪系统方案
斋家冲尾矿库原排洪系统为排水斜槽（整改后）－竖井－隧洞。
整改后斜槽内部为圆形钢管，直径0.8m；竖井为圆形，内径1.6m，高11.0m；隧洞净断面B×H=1.6×1.85m，长857.8m，坡度约为1.5%。
长沙有色冶金设计研究院2003年对该库排洪系统进行了安全整改设计，设计中对排洪系统进行了结构强度复核。130.0m标高以下的斜槽进行加固，加固后结构强度能承受堆至150.0m高的尾砂荷载。但根据长沙有色冶金设计研究院计算结果，如果尾砂继续向上加高，则斜槽强度将不能满足要求，且该斜槽再无继续加固的空间，所以加高扩容中不再考虑利用原排水斜槽。
排洪隧洞根据工勘有关调查结果，除局部底板破坏外，其余段均衬砌完好，可继续利用。
如果斋家冲尾矿库加高扩容，将新建框架式排水井－新建隧洞（洞长约为580m）－距隧洞出口约260m处－原隧洞。

图1 目前坝顶标高146.0m时正常运行坝体稳定示意图

图2 目前坝顶标高146.0m时洪水运行坝体稳定示意图

图3 最终堆积坝顶标高170.0m时正常运行坝体稳定示意图

图4 最终堆积坝顶标高170.0m时洪水运行坝体稳定示意图

4工程投资估算
康家湾矿斋家冲尾矿库加高扩容工程主要包括：排洪系统、副坝等工程。其中排洪系统费用见下表：

工程或费用名称
金 额（元）
排水井
210000
隧洞掘进
608000
隧洞衬砌钢筋C25混凝土
1486000
竖井掘进
28800
竖井衬砌钢筋C25混凝土
93000
小计
2425800

副坝费用见下表：
工程或费用名称
金 额（元）
清基
5800
碾压堆石坝
605000
钢塑土工格栅
208000
现浇袋装C15混凝土
350000
上游坝坡喷C15混凝土
40000
小计
1208800

如果从各分水岭以下至145米标高征地，需征242 亩，按2万元计算，需484万元，如果从各170.0m标高至145米标高征地，需征142 亩，需284万元，这样，尾矿库加高扩容至170.0m标高后，总估算投资约为847.46万元～647.46万元。
5. 尾矿库违规加高的典型案例
2008年9月8日，山西省临汾市襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库突然溃坝，约26.8万立方米的泥沙碎石，从50多米的高度倾泻而下，冲垮和掩埋了尾矿库下方的新塔矿业公司办公楼、部分民居和一个集贸市场。事故共造成277人死亡和4人失踪，为死亡人数最多的一起尾矿库安全生产事故。
经调查，该尾矿库在原库已闭库的基础上加高16米，未经立项审批、没有正规设计，属违规私筑坝体。该公司凭经验随意堆坝，对堆坝边坡、干滩长度、排洪设施等关系到坝体安全的重要参数及设施没有充分的认识，最终因坝体浸润线过高、尾沙干滩长度过短而导致了事故的发生。由此可见，尾矿库的任何施工工程都必须经过有资质单位进行正规设计、验算后才能进行。
6. 结论
⑴斋家冲尾矿库加高扩容必须经有资质单位进行正规设计。该库本次加高扩容后，最终堆积标高170.0m，总坝高87.8m，总库容910.0×104m3，为Ⅲ等库，根据目前两个矿山的生产规模：
①康家湾矿50万t/a，年入库尾矿量26.6×104t，其余用于井下充填。
②铅锌矿选厂 5万吨/年，年入库尾矿量4×104t/a。
尾矿堆积干容重： 1.5t/m3
年入库尾矿量：30.6×104t(20.4×104m3, 尾矿粒径：－200目约占48％)
经计算，可为目前水口山有色集团的康家湾矿选厂和铅锌矿选厂服务18年，该库扩容改造后具有很大的经济效益和社会效益。
⑵ 该库新建排洪系统采用排水井－排水隧洞－老隧洞，新增1座钢筋混凝土框架式排水井，井内径2.0m，井架高H=24.0m，新排水隧洞与老隧洞相接，新建隧洞长约580.0m，断面为B×H=1.5×1.8m，可满足规范要求的500一遇的防洪要求。
⑶ 通过保持一定的堆积边坡和设置相应的坝体排渗设施，斋家冲尾矿库加高至170.0m标高时，堆积坝体的抗滑稳定安全系数能满足规范要求。
⑷ 副坝采用加筋堆石坝，坝顶宽2.5m，最大坝高12.0m，坝体上、下游边坡均为1:0.7，能满足规范要求。
⑸ 尾矿库加高工程费用总投资约为847.46万元～647.46万元。 (不包含子坝堆筑费用、尾矿输送加高等辅助设施费用)。

参考文献：
1.《现代尾矿库设施设计与管理维护技术及尾矿资源综合利用实用手册》，主编：金钟集石明，1999年
2《斋家冲尾矿库工程地质勘察报告》，主编：中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，2010年
3《康家湾矿斋家冲尾矿库安全现状评价》，主编：湖南浩美安全环保科技有限公司，2010年