水泥厂灰渣库安全性评价及处理措施

　　1 引言

　　水泥厂使用煤作为燃料时,将产生大量粉煤灰,虽然目前大多水泥厂粉煤灰已被开发利用,但在一些地区仍需建设贮灰库即灰渣库,用以存放暂时无法利用的粉煤灰。灰渣库属于尾矿库的一种,但长期以来因未纳入尾矿库安全管理的范畴,致使目前存在着诸多的危险源和薄弱环节[1 ] 。灰渣库的存在就是一个重大危险源,一旦发生事故将会造成重大的人员伤亡或财产损失,同时对库区周边造成严重的环境污染[2 ] 。郑州中国铝业集团公司郑州铝厂灰渣库挡水土坝全面崩塌滑动,使河水污染并造成2 人死亡,数人受伤,直接经济损失5000 多万元,总体损失达数亿元[3 ] ;中铝广西分公司热水泥厂存在灰渣坝渗漏水对环境造成污染的问题[4 ] ;近年溃坝的岿美山、银山、大冶铁山、火谷都、大吉山、黄梅山、南丹鸿图选厂等尾矿坝,都造成巨大的人员与财产损失[5 ] ;山西襄汾县塔山矿区新塔矿业公司尾矿库发生特别重大溃坝事故,造成重大人员伤亡。因此,必须高度重视灰渣库的安全稳定性评价和加固改造。

　　2 某灰渣库工程基本概况

　　该粉煤灰堆场位于水富县城西南侧境内,距县城公路里程约5km ,有四级公路通往县城。库区为一狭长形山谷,东西两侧高、中间低,标高在486～587m ,相对高差约101m。地貌类型属于中低山。山谷右岸山脊有一简易公路通过。该区属亚热带季风性气候,雨量充沛、土壤湿润,多年平均降水量1170mm ,降水与径流主要集中在6～10 月,占全年的75 %。

　　库区分布的地层主要有:人工填积(Qml ) 层、第四系坡残积(Q4dl + el ) 层、侏罗系泥、砂岩(J2xt ) 。人工堆积(Qml ) 层:主要分布在库区原截洪以东的大部分地段,从沟谷至库区呈东岸厚西岸较薄的特点,厚度为210～26180m ,平均9174m ,以发水泥厂的粉煤灰渣粘性土为主,富含有机质、生活垃圾、角(圆) 砾含量约5 %～10 % ,表层见植物根系,偶见块石,回填时未经压实处理,欠固结状。第四系坡残积(Q4dl + el ) 层:主要分布于库区西岸地表,沟谷中零星揭露,厚度均较薄,沟谷中以软塑状态为主, 库区西岸以可塑为主, 层厚0160 ～1180m ,平均1117m。侏罗系基岩(J2xt ) :强风化泥岩,全库区均有揭露,厚度0130 ～ 5190m , 平均1196m , 层顶标高为473151～538161m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性软弱,岩体破碎,岩体质量等级属Ⅴ类;中风化砂岩在库区均有揭露,层厚0180～2120m ,平均1110m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性较软,岩体较破碎,岩体质量等级属Ⅳ类;中风化泥岩库区均有分布,最大揭露厚度1140～4190m ,平均3138m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性较软,岩体较破碎,岩体质量等级属Ⅳ类。场地地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于填土地层中,没有连续地下水位,水量较小,接受大气降水和地表水下渗补给,蒸发和入渗排泄均受季节影响严重;基岩裂隙水主要赋存于侏罗系的泥、砂岩裂隙中,接受上层滞水入渗及高处裂隙水向下径流的补给,向南东和北西向下入渗后于麻子沟处排泄后汇入金沙江。

　　3 灰渣坝现状及稳定性评价

　　311 灰渣坝现状

　　煤灰场初期坝坝型为浆砌石重力坝,坝基为页岩,最大坝高2417m (坝底标高46013m , 坝顶标高485100m) ,坝轴线长6517m ,坝顶宽210m ,上游边坡1 :015P0129 ,下游边坡1 :011。由于现场场地条件限制,煤灰卸料未分层进行,而直接从山顶倾倒,未经压实处理,初期坝已出现裂缝。一旦溃决,坝内粉煤灰和水以泥石流的形式涌出,危害巨大[7 ] 。

　　312 地形地貌

　　坝址(初期坝) 工程地质条件较好,但由于无道路通往堆场内,成库自然地形条件差。场地沟口下方便是居民区,一旦发生险情,将会造成不可估量的伤亡损失。

　　313 水的作用

　　尾矿坝既是储存尾矿又是储存水的构筑物,水的存在使尾矿坝工程的岩土力学问题更加复杂化[6 ] 。溃坝破坏多起因于坝内地下水位控制不当、排洪设施不利、侵蚀和管涌、地震液化作用,基本上都与静、动水压力和孔隙水压力有关,这是典型的岩土工程结构问题[5 ] 。库区雨量充沛,地表水主要以冲沟内汇集的大气降水为主,做好排水防渗措施至关重要。

　　314 生产因素

　　按供热车间日出煤灰400tPd 计算,每年煤灰量为10 ×104 t ,目前堆场已不能满足生产需要。据水泥厂工程部人员反应,堆积于山坡上的煤灰极不稳定(多次发生局部塌滑,部分已越过坝顶) ,上游堆积高度已超过设计高程(达503100～504100m) ,总煤灰量可能超过60 ×104m3 ,对下游的城镇安全造成了威胁。如不进行整改加固,储灰场的安全将难以保证,不能满足环境保护及水土保持的要求。

　　315 灰场稳定性分析

　　为进一步分析坝体的整体稳定性,利用FLAC数值分析软件建立了数值模型,模型左侧以初期拦渣坝为边界,右侧边界延伸至不影响边坡稳定分析的区域(坝顶边缘向后延伸60m) ,底部边界延伸至坝体基岩面以下。模型网格剖分水平向115m ,竖直向210m。由于筋带60cm 一层,考虑到模型网格密度限制,将3 层筋带合并成一层筋带。回填灰渣容重1710kNPm3 ,压缩模量615MPa ,饱和固结抗剪强度指标: c = 20kPa ,φ= 27°。采用强度折减系数法计算坝体的整体稳定性,并得到坝体应力场、位移变形及加筋材料的结构内力。在整体抗滑稳定安全系数115 的条件下,考虑7度设防, 折减后的设计抗剪强度指标为: c =1313kPa ,φ= 1613°。

　　计算结果显示(见图1、图2) ,未加固处理的坝体发生大变形破坏,不能达到平衡状态。最大的水平位移已达2152m ,最大沉降达2103m。坝顶距边缘21m 范围内出现明显沉降和水平位移,坝趾出现明显的鼓胀现象。因此不能直接采取灰渣堆坝。采取土工格栅加筋处理后,计算结果显示坝坡位移变形最大值为23cm(见图3) ,控制在可接受范围以内,土工格栅未发生粘结滑移,格栅筋带最大拉应力1519MPa ,最大应变018 % ,土工格栅变形及应力指标符合设计要求,坝坡稳定。满足安全系数115 的要求。

　　4 灰渣坝加固改造措施

　　考虑上述问题针对该厂灰渣坝提出了改造方案,主要从四个方面加以处理:初期坝加固、为扩容要求新建一座加筋体灰渣坝、防渗排水、卸渣。具体措施如下。

　　411 旧坝加固措施

　　由于灰渣库前期的主体防护支挡结构为浆砌石初期拦渣坝,灰场多项现状条件已超过设计指标,为了后期的灰渣场扩容改造,需加固现有拦渣坝,拟采用抗滑桩对其加固,以增加拦渣坝的抗滑移和抗倾覆能力,提高灰渣坝的整体稳定性,确保工程安全。

　　1) 抗滑桩。抗滑桩布在拦渣坝的坝趾前方,桩间距510m ,桩截面114m ×214m ,桩长10～24m ,分为A 型和B 型两种桩型, 共10 根桩。桩顶标高478100m ,由于场地地形起伏大,依据抗滑桩加固原理对桩体嵌入深度的要求,根据初期坝的竣工资料,综合考虑控制桩长。

　　2) 腰梁及冠梁。为控制支挡结构位移及结构的整体性,在桩顶和桩的中部(标高471100m) 架设钢筋砼冠梁和腰梁。根据初期坝竣工资料,坝体西端处于原冲沟谷底,坝体高度较大,是受力最大的薄弱环节。因此,为充分发挥支挡结构的作用,保证初期坝的稳定,冠梁和腰梁均需进入坝肩山体。

　　3) 支撑体。在抗滑桩施工完毕后,桩背与浆砌石拦渣坝坝面之间采用“楔形”C15 素混凝土充填,在抗滑桩与拦渣坝之间形成传力体系。

　　412 加筋体灰渣坝

　　应扩容需要,在初期坝后方约60m 以外新建一座加筋体灰渣坝, 坝底标高500100m , 坝顶标高536100m ,加筋坝设计坡率1 :115 ,分三级平台,每级高度12m ,中部设两道马道,宽6m。

　　1) 灰渣坝地基处理。坝基由于为前期的填渣,地基承载力不足,需采用碎石桩处理,要求处理后的地基承载力≥200kPa 。拟建的加筋土灰渣坝地基土持力层范围内为不等厚软～可塑粉质粘土,不能满足上部荷载和变形要求,根据加筋土灰渣坝的设计要求,拟采用振冲碎石桩加固地基。

　　2) 坝体底座。底座拟采用浆砌石,底座每隔10～15m 应设置一道变形缝(或伸缩缝) 。另在地基岩(土) 性变化处,底座高度突变处和与其他建(构) 筑物连接处应设沉降缝。

　　3) 灰渣坝坝体。加筋坝坝体筑坝材料主要为灰渣和土工格栅。筑坝采取分层碾压,分层铺设方式,压实度≥0190。坝体表面采取“土工布袋+ 土工格栅反包”措施,防止灰渣外泄

　　413 截排水

　　截排水系统包括截洪沟及渡槽、排水盲沟、排水沟、排水斜槽。

　　1) 截洪沟及渡槽。由于后期渣坝填筑将淹没原有沟底地段的部分截洪沟,因此在设计坝顶标高以上复建一条与原截洪沟材料、尺寸形式一致的截洪沟与原有截洪沟相接。其中起始段100m 由于地形陡峻,需采用渡槽排洪,渡槽槽身及排架基础采用钢筋混凝土结构。

　　2) 排水盲沟。对于被灰渣淹没地段的排洪沟将其改造成排水盲沟,盲沟内充满砂砾石。顶部300mm 铺设3～15mm 粒径细砾石层后用粗砂铺平表面,再铺设双层350gPm2 土工滤布。

　　3) 排水沟。除复建截洪沟外,在灰渣场内部和周边特定位置布置地表排水系统。

　　4) 排水涵洞。为保证加筋坝施工完毕后能在后期灰渣场填渣期间排除坝上游的地表积水,需在上游布置排水措施。根据后期填渣期间坝后渣面将不断升高的实际情况,在坝后斜坡上布置一条排水涵洞,方向基本与等高线垂直。涵洞底部接Φ500排水管沿排水盲沟铺设至加筋坝外明沟地段。在后统一腐蚀强度等级,划分为微、弱、中、强四级。西双版纳州工程场地水质,两规范评价等级不同,主要是因为腐蚀强度定级的方法不同,统一腐蚀等级应统一定级方法。国内外定级方法有两类,一个是科学实验类,另一个是综合评价类

　　611 科学实验类

　　水中不同的腐蚀介质,用不同的试验法。普通酸和碳酸的腐蚀试验,以下三种方法可选用:即配制不同浓度的腐蚀溶液,加压透过碎水泥石的方法,或滤过圆柱形胶砂硬试体的方法以及水泥硬化试体在溶液中受腐蚀的方法。腐蚀强度等级按检验试体腐蚀后抗压强度降低的程度确定或按滤液中的化学成分的浓度确定。碳酸腐蚀溶液由蒸馏水配制,则碳酸、普通酸和溶出性三种腐蚀共存,用天然碳酸水进行时,水中各种盐类也存在正或负面的影响。

　　612 综合评价类

　　该方法是在科学试验类方法基础上,结合工程实践中混凝土受各类腐蚀介质破坏程度建立的。同时解决了一水多种腐蚀共存和混凝土有效使用的长期性。岩土规范配合科学实验方法,在全国调查了水土中各类腐蚀介质对混凝土的腐蚀情况。进行了北京、天津、青岛、烟台1889～1919 年的海港混凝土腐蚀调查。海港工程提出50a 不大修的经验。由此提出了综合评价的方法,见表4。土层中地下水的腐蚀,对混凝土水胶比0165 可抗弱腐蚀, 水胶比0155 可抗中等腐蚀,水胶比0145 可抗强腐蚀,抗腐蚀有效时间为50 年,当延长使用年限时应适当降低水胶比。