1 引言
水泥廠使用煤作為燃料時,將產生大量粉煤灰,雖然目前大多水泥廠粉煤灰已被開發利用,但在一些地區仍需建設貯灰庫即灰渣庫,用以存放暫時無法利用的粉煤灰。灰渣庫屬于尾礦庫的一種,但長期以來因未納入尾礦庫安全管理的范疇,致使目前存在著諸多的危險源和薄弱環節[1 ] 。灰渣庫的存在就是一個重大危險源,一旦發生事故將會造成重大的人員傷亡或財產損失,同時對庫區周邊造成嚴重的環境污染[2 ] 。鄭州中國鋁業集團公司鄭州鋁廠灰渣庫擋水土壩全面崩塌滑動,使河水污染并造成2 人死亡,數人受傷,直接經濟損失5000 多萬元,總體損失達數億元[3 ] ;中鋁廣西分公司熱水泥廠存在灰渣壩滲漏水對環境造成污染的問題[4 ] ;近年潰壩的巋美山、銀山、大冶鐵山、火谷都、大吉山、黃梅山、南丹鴻圖選廠等尾礦壩,都造成巨大的人員與財產損失[5 ] ;山西襄汾縣塔山礦區新塔礦業公司尾礦庫發生特別重大潰壩事故,造成重大人員傷亡。因此,必須高度重視灰渣庫的安全穩定性評價和加固改造。
2 某灰渣庫工程基本概況
該粉煤灰堆場位于水富縣城西南側境內,距縣城公路里程約5km ,有四級公路通往縣城。庫區為一狹長形山谷,東西兩側高、中間低,標高在486～587m ,相對高差約101m。地貌類型屬于中低山。山谷右岸山脊有一簡易公路通過。該區屬亞熱帶季風性氣候,雨量充沛、土壤濕潤,多年平均降水量1170mm ,降水與徑流主要集中在6～10 月,占全年的75 %。
庫區分布的地層主要有:人工填積(Qml ) 層、第四系坡殘積(Q4dl + el ) 層、侏羅系泥、砂巖(J2xt ) 。人工堆積(Qml ) 層:主要分布在庫區原截洪以東的大部分地段,從溝谷至庫區呈東岸厚西岸較薄的特點,厚度為210～26180m ,平均9174m ,以發水泥廠的粉煤灰渣粘性土為主,富含有機質、生活垃圾、角(圓) 礫含量約5 %～10 % ,表層見植物根系,偶見塊石,回填時未經壓實處理,欠固結狀。第四系坡殘積(Q4dl + el ) 層:主要分布于庫區西岸地表,溝谷中零星揭露,厚度均較薄,溝谷中以軟塑狀態為主, 庫區西岸以可塑為主, 層厚0160 ～1180m ,平均1117m。侏羅系基巖(J2xt ) :強風化泥巖,全庫區均有揭露,厚度0130 ～ 5190m , 平均1196m , 層頂標高為473151～538161m ,未發現有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性軟弱,巖體破碎,巖體質量等級屬Ⅴ類;中風化砂巖在庫區均有揭露,層厚0180～2120m ,平均1110m ,未發現有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性較軟,巖體較破碎,巖體質量等級屬Ⅳ類;中風化泥巖庫區均有分布,最大揭露厚度1140～4190m ,平均3138m ,未發現有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性較軟,巖體較破碎,巖體質量等級屬Ⅳ類。場地地下水類型主要為上層滯水和基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于填土地層中,沒有連續地下水位,水量較小,接受大氣降水和地表水下滲補給,蒸發和入滲排泄均受季節影響嚴重;基巖裂隙水主要賦存于侏羅系的泥、砂巖裂隙中,接受上層滯水入滲及高處裂隙水向下徑流的補給,向南東和北西向下入滲后于麻子溝處排泄后匯入金沙江。
3 灰渣壩現狀及穩定性評價
311 灰渣壩現狀
煤灰場初期壩壩型為漿砌石重力壩,壩基為頁巖,最大壩高2417m (壩底標高46013m , 壩頂標高485100m) ,壩軸線長6517m ,壩頂寬210m ,上游邊坡1 :015P0129 ,下游邊坡1 :011。由于現場場地條件限制,煤灰卸料未分層進行,而直接從山頂傾倒,未經壓實處理,初期壩已出現裂縫。一旦潰決,壩內粉煤灰和水以泥石流的形式涌出,危害巨大[7 ] 。
312 地形地貌
壩址(初期壩) 工程地質條件較好,但由于無道路通往堆場內,成庫自然地形條件差。場地溝口下方便是居民區,一旦發生險情,將會造成不可估量的傷亡損失。
313 水的作用
尾礦壩既是儲存尾礦又是儲存水的構筑物,水的存在使尾礦壩工程的巖土力學問題更加復雜化[6 ] 。潰壩破壞多起因于壩內地下水位控制不當、排洪設施不利、侵蝕和管涌、地震液化作用,基本上都與靜、動水壓力和孔隙水壓力有關,這是典型的巖土工程結構問題[5 ] 。庫區雨量充沛,地表水主要以沖溝內匯集的大氣降水為主,做好排水防滲措施至關重要。
314 生產因素
按供熱車間日出煤灰400tPd 計算,每年煤灰量為10 ×104 t ,目前堆場已不能滿足生產需要。據水泥廠工程部人員反應,堆積于山坡上的煤灰極不穩定(多次發生局部塌滑,部分已越過壩頂) ,上游堆積高度已超過設計高程(達503100～504100m) ,總煤灰量可能超過60 ×104m3 ,對下游的城鎮安全造成了威脅。如不進行整改加固,儲灰場的安全將難以保證,不能滿足環境保護及水土保持的要求。
315 灰場穩定性分析
為進一步分析壩體的整體穩定性,利用FLAC數值分析軟件建立了數值模型,模型左側以初期攔渣壩為邊界,右側邊界延伸至不影響邊坡穩定分析的區域(壩頂邊緣向后延伸60m) ,底部邊界延伸至壩體基巖面以下。模型網格剖分水平向115m ,豎直向210m。由于筋帶60cm 一層,考慮到模型網格密度限制,將3 層筋帶合并成一層筋帶。回填灰渣容重1710kNPm3 ,壓縮模量615MPa ,飽和固結抗剪強度指標: c = 20kPa ,φ= 27°。采用強度折減系數法計算壩體的整體穩定性,并得到壩體應力場、位移變形及加筋材料的結構內力。在整體抗滑穩定安全系數115 的條件下,考慮7度設防, 折減后的設計抗剪強度指標為: c =1313kPa ,φ= 1613°。
計算結果顯示(見圖1、圖2) ,未加固處理的壩體發生大變形破壞,不能達到平衡狀態。最大的水平位移已達2152m ,最大沉降達2103m。壩頂距邊緣21m 范圍內出現明顯沉降和水平位移,壩趾出現明顯的鼓脹現象。因此不能直接采取灰渣堆壩。采取土工格柵加筋處理后,計算結果顯示壩坡位移變形最大值為23cm(見圖3) ,控制在可接受范圍以內,土工格柵未發生粘結滑移,格柵筋帶最大拉應力1519MPa ,最大應變018 % ,土工格柵變形及應力指標符合設計要求,壩坡穩定。滿足安全系數115 的要求。
