浅析头石山尾矿库一期坝优化设计

时间：2024-07-28

陆晓毅李晶蕊赵麒张进

(1.云南建工水利水电建设有限公司；2.云南建工集团直属总承包一部；

3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；

5.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)

浅析头石山尾矿库一期坝优化设计

陆晓毅1李晶蕊2赵麒1张进3,4,5

(1.云南建工水利水电建设有限公司；2.云南建工集团直属总承包一部；

3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；

5.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)

分析了头石山尾矿库一期坝原设计存在的问题，在此基础上进行了优化设计。通过分析比较，优化后的设计，尾矿库一期坝的可行性、安全性和经济性得到较大提高。

尾矿库排渗体黏土料风化料均质黏土坝分区坝

头石山尾矿库是云南磷化集团有限公司(晋宁)450万t/a磷矿采选工程的配套设施，位于昆明市西山区海口镇石马哨村南西约1 km处，距选厂北东约7.0 km。尾矿库库区三面环山，一面筑坝，属山谷型尾矿库。总坝高80 m，总库容1 716.49万m3，有效库容1 497.72万m3。该尾矿库坝体设计为透水黏土坝，最终坝顶标高2 055 m，分两期建设，一期工程坝顶标高2 035 m，坝高60 m。依据《尾矿设施设计规范》和《尾矿库安全技术规程》，属于三等尾矿库。鉴于尾矿库下游有较多村庄，根据国家相关规范，将设计等级提高一等，按二等尾矿库建设。

1 头石山尾矿库一期坝设计

1.1 尾矿库原设计

头石山尾矿库一期坝坝体为均质黏土坝，上游坝台阶坡比1∶2.25，下游坝台阶坡比1∶3.0。下游坝脚设置排水棱体，排水棱体高25 m，顶高程1 995 m，上游面坡度1∶2，下游面坡度1∶2.5。坝体由碎石透水层及排水棱体组成，在碎石透水层的上、下面设置了双糙面土工膜及加筋土工布，并在黏土填筑过程中，每5 m高度设置一层土工格栅。坝体外坡采用多边形水泥混凝土空心块护坡，空心部分植草。坝体内坡2 010 m马道以上设置3～15 m(水平厚度)碎石透水层作为尾矿固结排渗层，该层与坝体接触部分采用2 mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)土工膜防渗，与尾矿接触部分采用二层加筋土工布作为反滤层；2 010 m马道以下按1∶2的坡度向外放坡并设置斜碎石透水层，上部与2 010 m马道以上的碎石透水层相连，下部与铺设在坝底1 970 m 标高的水平碎石透水层相连，水平碎石透水层与坝体外坡脚的排水棱体相连。斜碎石透水层上下均铺设2 mm 厚HDPE土工膜，水平碎石透水层下部铺设2 mm 厚HDPE土工膜，上部铺设500 g/m2土工布。见图1。

1.2 优化设计

头石山尾矿库一期坝筑坝工程于2011年1月18日开工，在筑坝施工过程中，黏土料场储量与工勘存在一定的出入，致使黏土料不足、初步设计时选定的石料场不能提供足量石料，且周边无满足抗腐蚀要求的白云岩等多种因素，导致无法按照原设计施工。为此，对该尾矿库一期坝进行优化。优化后设计为分区坝，上游坝坡1∶2.25，下游坝坡为1∶3.0。下游坝脚设置排水棱体，排水棱体高25 m，顶高程1 995 m，上游面坡度1∶2，下游面坡度1∶2.5。

(1)排渗体设计优化。取消从坝体内部穿过的斜坡透水层，将内坡透水层改由坝体内坡坝脚一直填筑到坝顶，并在坝体内坡的碎石透水层中铺设φ400 mm，壁厚19.1 mm的HDPE花管，将尾矿渗水引至左、右岸坡后，将尾矿渗水引出坝外的排水沟。既起到降低库内尾矿浸润线的作用，又可以将库内排渗与坝体排渗分开。

(2)筑坝材料设计优化。将坝体2 025 m以下下坡部分黏土料变更为风化料填筑，风化料与黏土料坝体之间设含碎石黏土过渡带，过渡带碎石最大粒径不大于15 cm，含碎石黏土中黏土碾压干密度不低于1.51 g/cm3，最优含水量25.5%，压实度不低于99%。风化料的最大粒径不大于50 cm，填筑时要求级配连续，碾压后干密度不低于2.01 g/cm3，压实度不低于99%。

图1 头石山尾矿库一期坝原设计剖面

(3)内外坡护坡结构设计优化。将坝体内坡1 987 m 标高以上的护坡块石改为C20混凝土块，外坡采用在钢筋混凝土框格梁内植草护坡，其中风化料段坝体在坡面铺设30cm厚耕植土后再植草护坡。

优化后设计剖面见图2。

图2 头石山尾矿库一期坝优化设计后坝剖面

1.3 头石山尾矿库一期坝稳定性分析

1.3.1 原设计尾矿坝稳定性计算及分析

根据头石山尾矿库的实际情况，选取一剖面对尾矿坝分二期进行稳定性分析计算[1]。

尾矿坝最大坝高位置，一期坝顶标高2 035 m，坝高60 m，在施工期，内坡安全系数为1.365，外坡安全系数为1.329；正常水位工况下，安全系数为1.489；最高水位工况下，安全系数为1.432，最高水位考虑地震的工况下，安全系数为1.124。最终坝顶标高2 055 m时，坝高80 m，在施工期，内坡安全系数为1.471，外坡安全系数为1.308，正常水位工况下，安全系数为1.419；最高水位工况下，安全系数为1.380，最高水位考虑地震的工况下，安全系数为1.093，因此，采用瑞典法计算的结果符合规范要求。根据计算结果，本尾矿坝只要满足特殊工况条件下的稳定性要求，也就满足了其他工况下的稳定性要求[2]。

1.3.2 优化设计后尾矿坝稳定性计算及分析

稳定性计算时的分析剖面及计算参数仍采用原设计安全专篇中的数据，其中风化料的物理力学强度指标见表1，根据实际情况，对该尾矿坝一期拟进行静力稳定性计算。

表1 风化料物理力学参数

分析计算结果，位于尾矿坝最大坝高位置，一期坝顶标高2 035 m，坝高60 m，在施工期，内坡安全系数为1.562，外坡安全系数为1.565；正常水位工况下，安全系数为1.336；最高水位工况下，安全系数为1.254；最高水位考虑地震的工况下，安全系数为1.072，因此，采用瑞典法符合规范要求。根据计算结果可知，本尾矿坝只要满足特殊工况条件下的稳定性要求，也就满足了其他工况条件下的稳定性要求。

2 方案比较

(1)根据工程勘查报告，头石山尾矿库黏土料场可用土料开挖厚度平均7 m，面积334 503 m2。但在施工过程中，现有黏土料场挖开形成工作面后，发现可用黏土层厚度仅3.0～6.0 m，可用土料开挖厚度平均4 m，按征地面积计算，最大可采量为133.8万m3，而大坝需填筑黏土量为295.5万m3。下部均为风化岩层，且呈犬牙状分布。综合分析后，决定将坝体黏性土料填筑自上而下分为3个区域：黏性土料区、含碎石黏土区、风化料区。

(2)根据筑坝工程现场施工情况及工程现状，结合排洪导流措施，取消坝体中的斜坡碎石透水层，尾矿渗水改用管道由坝体内坡通过左右岸向下游引出坝外，将库内排渗和坝体排渗分开，起到降低尾矿坝浸润线的作用，更有利于尾矿渗水排渗，同时可解决施工期间雨季时2 008 m标高以下的排洪问题。通过优化，减少了原设计碎石透水层的填筑量12.49万m3，节约施工成本104万元。

(3)对原设计和优化后设计主要工程量综合分析对比，优化设计后节约投资约2 100.842 9万元。