（水工结构工程专业论文）尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 尾矿坝是用来阻挡尾矿使其沉积的土工构筑物，它的使用功能、建筑工艺、坝体结 构和静动力特性均不同于一般的水工土石坝。随着我国经济的快速发展和工业水平的迅 速提高，对矿山原材料产出的需求越来越大，尾矿坝数量也随之增加。尾矿坝按其构造 形式可分成三类：上游式、中线式和下游式。上游式尾矿坝后继断面小及占地少，且工 艺简单、造价低，我国大多数尾矿坝均采用上游式修建。国内外震害表明，因上游式尾 矿坝浸润线较高，大部分坝体处于饱和状态，地震作用下易发生液化变形破坏。我国是 一个多地震国家，而尾矿坝几乎是永久性建筑，在设计阶段、服务期及废弃后均需要进 行抗震分析。因此，深入研究尾矿坝的抗震设计、稳定、变形及抗震措施就显得尤其重 要和迫切。本文主要进行了以下几方面的研究工作： l 传统的场地液化评估法通常以安全系数的大小作为评估标准，安全系数的要求则 由工程师经验确定，但不能给出相应的液化概率。首先阐述了砂土液化机理及场地液化 评价方法，其次用对数退化模型分析国内外现场实测标贯数据，建立场地液化极限状态 函数，然后将可靠度理论弓l 入场地液化评价中，用一次二阶矩法建立场地液化概率评价 模型，进行实例应用并与规范结果进行了比较。分析表明，建议模型具有较高的可靠性， 相比传统的确定性分析方法，不仅能判定液化发生与否，还能绘出液化概率，这为进行 基于风险分析的抗震设计提供了可能。 2 现有规范中尾矿坝抗震设计方法的计算过程相当繁琐，有必要提出一种实用的地 震液化稳定分析简化法。结合构筑物抗震设计规范的修订，用有限元程序计算多个 6 0 m 高的尾矿坝，确定坝顶加速度放大倍数、坝体加速度分布系数和应力折减系数，建 立尾矿坝地震作用应力比的简化计算式。基于尾矿抗液化性能的影响因素分析，对规范 中抗液化应力比计算式进行简化。液化分析简化法只要求简单的物理力学特性数据和地 震烈度，避免了进行大量的土力学试验和数值计算来评价尾矿土层的液化特性。根据砂 土抗液化安全系数与超孔隙水压力比的经验关系，建立了超孔隙水压力简化计算式，并 应用到瑞典条分法中，克服了用传统拟静力法进行尾矿坝地震稳定分析时忽略超孔隙水 压力带来的风险。综合中日尾矿坝抗震设计规范并进行比较分析，提出上游式四、五级 尾矿坝在小于或等于8 度地震时，用简化法进行抗震设计。 3 以某上游式尾矿坝为例，用有限元法分析了坝体的地震反应、永久变形及超孔 隙水压力的发展过程，研究了降低浸润线、碎石排水和加筋的抗震效果，提出了一种综 合抗震措施，即在子坝区加筋、初期坝外坡增设反压体及坝基土密实。分析表明，采取 综合抗震措施加固后坝体地震变形显著减小。 尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究 4 应用二维商用软件a l i d 研究了m o c h i k o s h i 尾矿坝在不同条件下发生液化流动 变形的特征，分析了降低浸润线、在上游增设稳定柱、下游施加反压体和坝基土密实对 抑制尾矿坝液化流动变形的作用效果。从经济、方便施工的角度出发，提出了两种抑制 尾矿坝液化流动变形的综合措施，即在坝基土密实加固，并同时在坝体外坡施加反压体 和降低浸润线。分析表明，采取综合措施加固后坝体液化流动变形得到了有效控制。 5 基于w a t a n a b e 提出的边坡地震稳定滑移分析法，以某上游式尾矿坝为例，研究 了输入不同加速度峰值对坝体等价加速度时程、安全系数时程与潜在滑块滑移量发展过 程的影响，分析了加筋对提高尾矿坝地震稳定及减小坝坡滑移量的有效性。分析表明， 随着输入水平加速度峰值的增大，水平等价加速度与地震安全系数的变化幅值相应地增 大，超越加速度的幅值增加、历时较长，地震滑移量增大；加筋能较好地改善尾矿的力 学性能，大大提高坝体的稳定性，减小滑动位移；筋材间距的增大与设计强度的降低都 会减小坝体的地震稳定系数。 关键词：尾矿坝；抗震设计；砂土液化；变形；稳定；抗震措施：地震 本研究论文得到a m d 公司大学合作计划资助项目的支持。 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo n a n t i s e i s m i cd e s i g nm e t h o da n da n t i s e i s m i cm e a s u r e so f t a i l i n g sd a m a b s t r a c t t a i l i n g s d a mi sas o i lc o n s t r u c t i o nt h a te n c l o s e sr a i l i n g sa n di t s u s i n gf u n c t i o n , a r c h i t e c t u r a lt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r t e t i s t i c sa r ed i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cs t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，c h i n e s ee c o n o m ya n di n d u s t r yq u i c k l y a d v a n c e 1 越l m g sd a mr a p i d l ya g g r a n d i z ea l o n gw i t ht h ed e m a n di n c r e a s eo fm i n er a w m a t e r i a l s b a s i c a l l y ，t a l l i n g sd a mf a l l si n t ot h r e eb a s i cc o n s t m c t i o nt y p e s ：u p s t r e a m ，c e n t e r l i n e 。a n dd o w n s t r e a m n eu p s t r e a mm e t h o di sf r e q u e n t l yt h el e a s te x p e n s i v e ，o c c u p y i n g p l a c el e s s ，t e c h n o l o g ys i m p l y ，a n di th a sb e e nu s e do nm a n yd a m si nt h ep a s t h o w e v e r , e a r t h q u a k ed i s a s t e r ss h o wt h a tt h eu p s t r e a mm e t h o di st h em o s ts u s c e p t i b l et oe x c e s s i v e p o s t - e a r t h q u a k ed e f o r m a t i o na n dl i q u e f a c t i o n b e c a u s el o o s es a t u r a t e dd e p o s i t sm a yb e i n c o r p o r a t e di nt h em o s t l yu p s t r e a mz o n e s t h e r ea r ef r e q u e n t l ye a r t h q u a k e si nc h i n a , a n d m o r e o v e r r a i l i n g sd a mi sa l m o s tp e r m a n e n ts o i lc o n s t r u c t i o na n dm u s tb ed o n ea n t i s e i s m i e a n a l y s i si nd e s i g n ，s e r v ea n da f t e rc l o s u r e c o n s e q u e n t l y ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ea n d u r g e n c yt os t u d ya n t i s e i s m i ed e s i g n ，s t a b i l i t y ，d e f o r m a t i o n ，a n da n t i s e i s m i em e a s u r e sf o r t a i l i n g sd a m t h em a i nr e s e a r c hw o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o na l e 鹞f o l l o w ： 1 t h et r a d i t i o n a ls i t el i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nm e t h o du s u a l l yu saf a c t o ro fs a f e t y 越 a s s e s s i n gs t a n d a r da n dt h es p e c i f i e ds a f e t yf a c t o ri sl a r g e l yd e t e r m i n e db ye n g i n e e r s e x p e r i e n c e ，h o w e v e r ，t h e r ei sn o tal i q u e f a c t i o np r o b a b i l i t y 1 1 l ep a p e rf i r s t l ye x p a t i a t e so n t h e m e c h a n i s mo fs a n dl i q u e f a c t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o do fs i t el i q u e f a c t i o n s e c o n d l y 。al i m i t s t a t ef u n c t i o nf o rs i t e l i q u e f a c t i o n i sd e v e l o p e db a s e do nl o g i s t i cr e g r e s s i o na n a l y s i ss p t d a t u mo f 2 0 0s e t sc a s eh i s t o r i e so f 2 3e a r t h q u a k e so v e rt h ew o r l d a n dt h e nr e l i a b i l i t yt h e o r y i si n t r o d u c e ds i t el i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o na n dt e s t i n gd a t u ms t a f f s t i c sa n a l y s i si su s e di n c o n j u n e t i o nw i t ht h ef i r s to r d e ra n ds e c o n dm o m e n tm e t h o dt of o n a dt h el i q u e f a c t i o n p r o b a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e lo fs i t e f i n a l l y ab r i d g es i t e 私e x a m p l ei sa n a l y z e da n d c o m p a r e dt od e s i g nc o d e sr e s u l t s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta n a l y s e ss h o wt h ep r o p o s e dm o d e l r e l i a b i l i t yi sh i 曲盯c o m p a r i n gt ot h ed e t e r m i n i s t i em e t h o do fs i t el i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o n , i t c a l ln o to n l ya s s e s si fl i q u e f a c t i o no c c u rb u ta l s og i v el i q u e f a c t i o np r o b a b i l 时，s oi ti sp o s s i b l e t om a k ea n t i s e i s m i cd e s i g nb a s e do nr i s ka n a l y s i s 2 t h cc a l c u l a t i o np r o c e s so f r a i l i n g sd a ma n t i s e i s m i cd e s i g ni sv e r yc o m p l i c a t e di nc o d e ， s oi ti sn e c e s s a r yt oa d v a n c eap r a c t i c a b l ys i m p l i f i e dm e t h o do fe a r t h q u a k el i q u e f a c t i o na n d s t a b i l i t ya n a l y s i s c o m b i n i n gt h ee d i t i n go fa n t i s e i s m i ed e s i g no fs p e c i a ls t r u c t u r e s ， - i i i - 尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究 t w o - d i m e n s i o n a ls e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s ea r ec a r d e do u tf o rm a n y6 0 mh i g ht a i l i n g sd a m s a n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i v e r e s u l t s a c c e l e r a t i o na m p l i f i c a t i o nr a t i oo ft h ec r e s t , d a m a c c e l e r a t i o nd i s t r i b u t i n gc o e f f i c i e n ta n ds t r e s sr e d u c t i o nc o e f f i c i e n ta l ec o n c l u d e da n dt i l 胁 t h es i m p l i f i e dp r o c e d o r ef o rc a l c u l a t i n gt h ec y c l i cs h e a rs t r e s sr a t i oi sf o u n d e d b a s e do nt h e i n f l u e n c ef a c t o r sa n a l y s i so ft a i l i n g sr e s i s t a n c e ，t h ef o r m u l ao fc y c l i cr e s i s t u n e er a t i oi n c h i n e s ed e s i g nc o d ei ss i m p l i f i e d 1 1 1 es i m p l i f i e dl i q u e f a c t i o ne v a l u a t i o nm e t h o do n l yn e e d s m a l lp h y s i c a l - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd a t u mo ft a i l i n g sa n dd e g r e eo fs e i s m i ci n t e n s i t ya n d a v o i dm a k i n gal o to f s o l lm e c h a n i c a lt e s t sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt oa s s e s sl i q u e f a c t i o no f t a i l i n g s a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a n dl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c ef a c t o ra n de x c e s s p o r ep r e s s u r er a t i o ，as i m p l ef o r m u l ao fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei sp r o p o s e da n da p p l i e di n s w e d e ns l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o df o rt a l l i n g sc l a m , a n dt h a tt oo v e r c o m et h er i s kf o r i g n o r i n ge x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt r a d i t i o n a lp s e u d o - s t a t i cm e t h o d 1 1 1 cs p e c i a l i t i e so f a n t i s e i s m i cd e s i g nc o d ef o rt a i l i n g sd a mi nc h i n aa n dj a p a na r ec o m p a r e da n dt h a nu s i n g s i m p l i f i e dm e t h o dt oi l a k ea n t i s e i s m i cd e s i g nf o rh e i g h tl e s st h a n6 0m a n dw i t h i n8d e g r e eo f s e i s m i ci n t e n s i t yi sp r o p o s e d 3 t a k i n gat a l l i n g sd a m a se x a m p l e ，d a ms e i s m i cr e s p o n s e ，p e r m a n e n td e f o r m a t i o n ，a n d t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea r es t u d i e du s i n gt h ef h l j 把e l e m e n t m e t h o d a f t e rc o m p a r i n gt h ee f f e c t so ft h r e ea n t i s e i s m i cm e a s u r e s ，s u c ha sf a l l i n gs o a k a g e l i n e ，d r a i n a g eb ys e t t i n gs t o n ec o l u m na n dr e i n f o r c i n gw i t hf i b r e ，as y n t h e t i c a l l ya n t i s e i s m i c m l s u r et h a ti sc o m p o s e do ff i b r e - r e i n f o r c e di nc h i l dd a m , f o r c i n gb u t t r e s so u to fs t a r t e rd a m a n dd e n s i f i c a t i o nf o u n d a t i o ni sp r o p o s e d i ti sf o u n dt h a tt h es y n t h e t i c a l l ya n t i s e i s m i c m e & q m p r o d u c e sb e t t e ra n t i s e i s m i ce f f e c t 4 b yu s i n gt h e 伽i t ce l e m e n tc o d ea l i d ( a n a l y s i sf o rl i q u e f a c t i o n - i n d u c e d d e f o r m a t i o n ) ，l i q u e f a c t i o n i n d u c e df l o wd e f o r m a t i o no f n o 1m o e h i k o s h it a l i n g sd a mu n d e r d i f f e r a n tc o n d i t i o n si se s t i m a t e d s o m em 铘u r e s ，s u c ha sf a l l i n gs o a k a g el i n e ，s e t t i n g s t a b i l i z i n gc o l u m n ，f o r c i n gb u t t r e s so u to fd a ma n dd e n s i f i c a t i o nf o u n d a t i o na r ca n a l y z e dt o a s s e s st h ee f f e c to nr e s t r a i n i n gl i q u e f a c t i o n i n d u c e dd e f o r m a t i o no fr a i l i n g sd a m l o o k i n ga t e c o n o m ya n dt h ec o n v e n i e n c eo f c o n s w a c t i o n ，t w os y n t h e t i c a lm e a 文l r 镪n a m e l yd e n s i f i c a f i o n f o u n d a t i o na n da tt h es a m et i m ef o r c i n gb u t t r e s so u to fd a ma n df a l l i n gs o a k a g el i n e 黜 p r o p o s e d i t i sf o u n dt h a tt h e s y n t h e t i c a l a n t i s e i s m i cm e a s u i sc a nr e d u c et h e l i q u e f a c t i o n - i n d u c e dd e f o r m a t i o no f d a mt oc o n s i d e r a b l ea m o u n t 5 t a k i n gar a i l i n g sd a ma se x a m p l e ，t h et i m eh i s t o r yo fa c c e l e r a t i o n , s a f e t yf a c t o ra n d s l i p p a g ei nd i f f e r e n te a r t h q u a k ee x c i t a t i o n sa r es t u d i e da n d t h e nt h ee f f e c to f r e i n f o r c e m e n tt o i m p r o v ed a ms t a b i l i t ya n dr e d u c es l i p p a g ea 聆a n a l y z e d , u s i n gt h ea n a l y s em e t h o do fs l o p e s e i s m i cs t a b i l i t ya n ds l i pt h a ti sp r o p o s e db yw a t a n a b e w 曲i n p u t t i n gh o r i z o n t a la c c e l e r a t i o n a n g n g m t , i ti sf o u n dt h a tt h ev a r i e t yv a l u eo fh o r i z o n t a le q u i v a l e n c ea c c e l e r a t i o na n ds a f e t y i v 大连理工大学博士学位论文 f a c t o r , e x c e e d i n ga c c e l e r a t i o na n dl a s t i n gt i m ea sw e l la ss l i p p a g ew i l lb ea g g r a n d i z e d r e i n f o r c e m e n tw i t hf i b r ec 姐i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft a i l i n g sa n ds t a b i l i t yo f d a ma n dr e d u c es l i p p a g e a d d i n gf i b r es p a c ea n dr e d u c i n gf i b r ei n t e n s i o nc a nm i n i s hd a m s a f e t yc o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：t a i l i n g sd a ma n t i s e i s m i cd e s i g n ；s a n d - s o i ll i q u e f a c t i o n ：d e f o r m a t i o n = s t a b i l i t y ；a n t i s e i s m i cm e a s u r e ge a r t h q u a k e t h er e s e a r c hp r o j e c ti sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yc o l l e g e c o o p e r a t i o np l a no f a m d v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文孛不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日期： 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解。大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盔堕叠 导师躲础够 埠碰月三日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 尾矿及其处理现状 矿山开采出来的矿石，经过选矿破碎，从中选出有用矿物后，剩下的矿渣叫尾矿【】。 我国现有国有矿山8 8 4 0 多座，乡镇集体及个体矿山2 6 万多个，年尾矿排放量达3 亿吨以 上【2 】。2 0 0 0 年以前，我国矿山产出的尾矿总量为5 0 2 6 亿吨，按此推算，现有尾矿总量约 为8 0 亿吨左右【3 】。1 9 9 9 年中国矿业联合会受国土资源部委托，对山东、山西、河北、甘 肃等省开展矿山尾矿、废石等固体废料及其占地、破坏环境等内容进行调查工作【4 】。通 过调查，四个试点省矿山尾矿库共计1 8 9 3 座，已累计堆存尾矿1 2 0 2 9 9 6 7 万t ，并以年排 放量8 6 5 0 5 2 万t 速度增长，见表1 1 。 表1 1 试点省矿山尾矿现状 t a b l e l ，1t a i l i n g sa c t u a l i t yo f m i n e si ns u r v e yp r o v i n c e s 表1 2 试点省矿山尾矿利用现状 t a b l e l 2t a i l i n g su t i l i z i n ga c t u a l i t yo f m i n e si ns u r v e yp r o v i n c e s 从尾矿整体利用来看，主要有塌陷地和井下充填，建路、建筑材料，如生产尾砂砖、 承重砌块、水泥等，但用量有限，生产规模也小。从四个试点省尾矿利用情况看，除山 尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究 东尾矿综合利用率达2 5 8 外，其他三省只有5 左右，见表1 2 。可见在我国目前尾矿 的利用率是很低的，其他未被利用的尾矿主要是通过修筑尾矿库处置。 1 2 尾矿坝 1 2 1 尾矿坝及其分类 尾矿坝是以尾矿堆置为工程材料，以人工控制总体结构为工程结构的特殊构筑物， 用以拦阻尾矿库内的尾矿料及废水，它是尾矿库最主要的构成部分。尾矿堆积有千法堆 积形式和湿法堆积形式之分，目前，普遍采用湿法堆积形式。按照尾矿堆积方式的不同， 可分为：上游式、中线式、下游式、高浓度尾矿堆积式和水库式尾矿堆积( 尾矿库挡水 坝) 等多种l l 】。 1 2 1 1 上游式尾矿坝 上游式堆坝由于工艺简单，占地少，便于管理，经济合理，而被广泛采用，我国约 8 5 以上的尾矿坝采用该法修筑，如图1 1 所示。该法筑坝一般在沉积干滩面上，取库 区内粗粒尾砂堆筑高度为1 s m 左右的子坝，将放矿支管分散放置在子坝上进行分散放 矿，待库内充填尾砂与子坝坝面平齐时，再在新形成的尾矿干滩面上，按设计堆坝外坡 向内移一定距离再堆筑子坝。同时，又将放矿管移至新的子坝上继续放矿，如此循环， 一层一层往上堆筑。如果遇见尾矿粒度较细时，可采用水力旋流器进行分级堆坝，或用 池填法、渠槽法等方法筑坝。 ，o o x 、相剪帜 i = = 二二o 一7 么二! 二；圣 图1 i 上游式尾矿坝示意图 f i g 1 1s k e t c h o f ar a i l i n g sc l a m b y u p s t r e a m m e t h o d 上游式尾矿堆积坝的稳定性，受沉积干滩面的颗粒组成及其固结程度的影响。干滩 面坡度由矿浆流量、浓度、尾矿粒度、库内水位等诸多因素决定。坡度与距离的关系一 般呈指数分布规律。矿浆流量大、浓度低、尾矿粒度粗，库内水位低( 干潍面长) ，则 大连理工大学博士学位论文 干潍面坡度就陡，反之干滩面坡度就缓。上游式堆坝的缺点是容易形成复杂的、混合的 坝体结构，致使坝体内的浸润线抬高或从坝面逸出，从而引起坝体产生渗透破坏或滑坡、 滑塌。尤其是在地震时容易引起液化，大大降低坝体的稳定性。 1 2 1 2 下游式尾矿坝 尾矿堆积坝在初期坝下游方向移动和升高，而不是坐落在松软细粒的尾砂沉积物 上，基础较好，尾矿排放堆积易于控制。采用水力旋流器分出浓度高的粗粒尾矿堆坝， 粗颗粒( d s o ：o 0 7 4 m m ) 含量不宜小于7 0 ，否则应进行筑坝试验。坝体可以分层碾压， 根据需要设置排渗，渗流控制比较容易，将饱和尾矿区限制在一定的范围。坝体稳定性 较好，容易满足抗震和其他要求。下游式尾矿堆积坝，如图1 2 所示。 下游式堆坝的主要缺点是需要大量的粗粒尾矿筑坝，特别是在使用初期，存在粗粒 尾矿量不足的问题。其解决办法是补充其他材料或高筑初期坝。利用废石补充尾砂的不 足，国内有此实例，如峨口铁矿第二尾矿坝就属此种坝型。另外，还有坝坡面一直在变 动，使德坝面水土流失严重；同时，占地量和后期筑坝量都很大，运行成本很高。 么曩 _ ，箧蓑漆蒸 初期坜： 氧 i i i i ：o ：o ：? 暑0 量0 。 o - 。、 x - ，x ，r ，一。 图1 2 下游式尾矿坝示意图 f i g 1 2s k e 曲o f ar a i l i n g sd a mb yd o w n s l l e a mm e t h o d 1 2 1 3 中线式尾矿坝 中线式筑坝实质上是介于上游式和下游式之间的一种坝型，其特点是在筑坝过程中 坝顶沿轴线垂自升高，尾矿堆积仍采用水力旋流器分级，和下游筑坝法基本相似，但与 下游式相比，坝体上升速度快，筑坝所需材料少，坝体的稳定性基本上具有下游式的优 点，而其筑坝费用比下游式低。同样因坝坡面一直在变动，使得坝面水土流失严重。中 线式堆坝如图1 3 所示。如我国德兴铜矿4 号尾矿库就是采用这种坝型。设计地震烈度 为p 9 度的地区，宜采用下游式或中线式堆坝。 尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究 图1 3 中线式尾矿坝示意图 f i g 1 3s k e t c h o f ar a i l i n g s d a mb y m i d l i n e m e t h o d 1 2 1 4 高浓度式尾矿坝 近年来，国外兴起了一种浓缩尾矿的堆积方法，它和传统方法不同，将尾矿浆浓缩 到5 0 以上的浓度，由砂泵输送到尾矿堆积场的某一部位排放，由于高浓度尾矿成浆状 或膏状，分级作用比较差，在排放口可以形成锥形堆积体，堆积体的坡度由矿浆的性质 所决定。如加拿大一些矿山采用该法沉积体坡度为6 左右，实际上形成的尾矿堆场像 干渣堆场一样。为了排放尾矿，需要修筑一些坡道，随着堆积体的增高，逐步抬高坡度。 为了收集尾矿的离析水以及携带的少量细粒矿泥，在堆积区下游一定部位应建立尾矿水 沉积池，沉积后的澄清水可以被回收利用。为了防止雨水冲刷及砂土流失，应设周边堤 和排水沟。这种堆存方式适于在较大面积的平地或丘陵地区排放。 高浓度堆坝法在我国尚处于研究阶段。目前，应用这种方法的困难在于矿浆浓缩和 高浓度浆体的输送，在技术经济上尚需作进一步研究。 1 2 1 5 水库式尾矿坝 该法不用尾矿堆坝，而是用其它材料像修水库那样修建大坝。例如贵州汞矿修了一 个5 4 m 高的三心圆拱坝( 库容2 0 0 万m 3 ，服务年限1 0 年) 即是一例。湖南锡矿山用南 选厂废石场的手选废石也堆筑了一座这样的尾矿库( 反滤层用河床砾石、全尾石、河砂、 重介质选矿的尾砂铺成，坝高6 8 m ，坝体堆石7 7 9 2 万m 3 ，总容积3 4 3 万m 3 ，全尾砂 经旋流器分级，粗颗粒尾砂作井下充填料，小于o 0 7 m m 的占9 8 的细尾砂进入尾矿库) 。 安徽宣城铜铝矿修了一座1 8 m 高的均质土坝作为尾矿库拦挡坝，用于储存井下充填的剩 余细粒尾砂。这种尾矿库和一般蓄水的水库工作条件基本相同，但坝前水位升降变化幅 度较小，尾矿堆积是逐步推进的。 水库式尾矿坝基建投资一般较高，多采用当地土石料或废石建坝。当尾矿粒度过细， 不宜用尾矿修坝或其它特殊原因时采用。排放位置在坝前不经济或困难大，必须在坝后 大连理工大学博士学位论文 放矿；矿浆水对环境危害很大，不容许泄漏。水库式尾矿库的大坝也称为尾矿库挡水坝， 设计时可按水工规范的要求进行。 1 2 2 尾矿坝的主要特点 尾矿坝的筑坝材料、修筑工艺、服务功能等与一般的水工土石坝存在较大的差异， 主要表现为p ： 1 修筑尾矿坝的目的是拦住库内的尾矿及废水，而一般水坝只用于挡水。 2 。尾矿分布非常复杂，从坝坡往库内，粒径、固结程度、坡度等都与排放工艺相关。 3 尾矿坝几乎是永久性建筑，设计时就必须考虑闭库问题，包括生态环境、静力动 力稳定等内容。 4 在尾矿库内，表面以下一定深度内的尾矿处于水土混合状态和欠固结状态，其抗 剪强度为零或很低。尾矿坝主要是用来保护这部分尾矿堆积体的稳定性。这部分尾矿堆 积体的深度随尾矿料排放速率的增大和其渗透系数的减小而增大。这个深度越大，尾矿 坝的稳定性就越低。因此，某些尾矿坝由于排放速率过高而丧失其静力稳定性。 5 尾矿坝作为一个结构体系，由坝基、初期坝、子坝及库内的尾矿堆积体组成。初 期坝通常用碾压法修建，而子坝或是填筑或是冲填。通常子坝和尾矿堆积体处于较疏松 的状态。处于较松状态的饱和尾矿料对地震作用非常敏感，有些尾矿坝在地震作用下由 于尾矿的液化而丧失稳定性。 6 尾矿坝是分阶段修筑的，尾矿库的服务期也就是尾矿筑坝期。这个筑坝施工和生 产使用合一的漫长时期，少则5 年、l o 年，多则十几年、几十年。这是不同于一般建设 工程的最突出特点，因此，适合于由业主自己施工，无法也无处请正规旌工、监理队伍。 多年来，尾矿筑坝都是由选矿厂的技术、生产部门负责组织实施。他们熟悉采矿、选矿、 机械等专业，但不熟悉和土石坝有关的土力学、水力学、水文学等学科知识，他们需要 坝工技术支持和服务。 7 与传统的土石坝相比，尾矿坝设计方法及建造工艺都相对落后，筑坝材料特性 研究有待进一步加强。 1 2 3 尾矿坝的安全等级 尾矿坝是一种特殊的工业构筑物，它的失败不仅涉及到矿山自身的生产安全，而且 关系到周边及其下游居民生命财产的安危。由于尾矿坝的垮塌所造成的灾害事故，在我 国过去时有发生，损失也非常惨重，教训亦菲常深刻，因此，根据尾矿库的库容和尾矿 坝的高度及其重要性，国家制定了尾矿坝的等级，见表1 3 i s 9 。 尾矿坝抗震设计方法及抗震措施研究 表1 3 尾矿库( 坝) 的( 抗震) 等级 t a b l e l 3 ( a n 小s e i s m i c 、g r a d eo f r a i l i n g sp o n d ( d a m ) 等级州亿m3)hm 一二级尾矿库( 坝) 具备提高等级条件者 二哼1 0 1 0 0 三o 1 k 1 0 6 0 1 0 0 四0 0 1 v o 13 0 6 0 五v o o lh 3 0 注：1 ) 矿为库容，为该使用期设计坝项标高时尾矿库的全部库容； 2 ) h 为坝高，为该使用期设计坝顶标高与初期坝轴线处坝底标高之差； 3 ) 坝高与全库容分级指标分属不同等级时，以其中高的等级为准，当级差大于一级时 按高者降低一级。 1 3 尾矿坝基本状况 我国黑色、有色、黄金、化工、核工业、建材等行业的矿山每年产出尾矿超3 亿t ， 基本上堆存在尾矿库中，其中8 0 属于黑色、有色冶金矿山。这些库中最大设计坝高 2 6 0 m ，超过1 0 0 m 的有2 6 座。库容大于l x l 0 8 m 3 的有l o 座。坝高小于3 0 m 的小库占8 0 左 右。但是2 0 的大、中型库的库容却占了总设计库容的8 0 。国内各行业主要矿山企业 的尾矿坝统计结果见表1 4 1 6 1 。 表i a 国内主要矿山企业尾矿坝数量统计 t a b l e l 4s t a t i s t i c so f r a i l i n g sd a m 砒m a j o rd o m e s t i cm i n e s 注：( ) 内为超服务期运行的尾矿坝。 6 大连理工大学博士学位论文 在生产中有不少尾矿坝已进入中、晚服务期，不同程度地存在着一些不安全因素和 隐患。据有关统计资料显示，我国有色金属矿山正常运行的尾矿坝为5 0 ，带病运行的 达3 3 ，超期运行的占9 ，处于危险状态的占6 i 埘。上游式尾矿坝的安全隐患比重 较大，详见表1 5 【1 1 】。 袭1 5 国内主要上游式尾矿坝运行情况统计 t a b l e l 5s t a t i s t i c so f t a i l r i g sd a m b y u p s t r e a m m e t h o d i no p e r a t i o na t m a j o r d o m e s t i c m i n e s 矿山类别尾矿擎别罐嚣数譬餮嚣数罐篡嚣数 黑色冶金 7 8 5 5 ( 7 1 ) t 6 ( 2 0 ) 7 ( 9 ) 有色冶金 化工矿山 黄金矿山 1 4 9 1 8 3 6 8 7 7 ( 5 2 ) 1 1 ( 6 1 ) 2 0 6 ( 5 6 ) 5 9 ( 4 0 ) 4 ( 2 2 ) 9 9 ( 2 7 ) 1 3 ( 舢 3 ( 1 7 ) 6 3 ( 1 7 ) 根据美国大坝委员会( u s c o l d ) 在1 9 8 9 年进行的一次尾矿坝事故调查和联合国 环境开发署( u n e p ) 后来补充的一份调查【协旧，图1 4 给出了调查范围内尾矿坝的历 史事故情况，图1 5 给出了各类尾矿坝的事故情况，图1 6 给出尾矿坝事故与坝高的关 系。 从图i 4 可知，在1 9 6 5 年到1 9 9 5 年之间为