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。

　　4 灰渣壩加固改造措施

　　考慮上述問題針對該廠灰渣壩提出了改造方案,主要從四個方面加以處理:初期壩加固、為擴容要求新建一座加筋體灰渣壩、防滲排水、卸渣。具體措施如下。

　　411 舊壩加固措施

　　由于灰渣庫前期的主體防護支擋結構為漿砌石初期攔渣壩,灰場多項現狀條件已超過設計指標,為了后期的灰渣場擴容改造,需加固現有攔渣壩,擬采用抗滑樁對其加固,以增加攔渣壩的抗滑移和抗傾覆能力,提高灰渣壩的整體穩定性,確保工程安全。

　　1) 抗滑樁。抗滑樁布在攔渣壩的壩趾前方,樁間距510m ,樁截面114m ×214m ,樁長10～24m ,分為A 型和B 型兩種樁型, 共10 根樁。樁頂標高478100m ,由于場地地形起伏大,依據抗滑樁加固原理對樁體嵌入深度的要求,根據初期壩的竣工資料,綜合考慮控制樁長。

　　2) 腰梁及冠梁。為控制支擋結構位移及結構的整體性,在樁頂和樁的中部(標高471100m) 架設鋼筋砼冠梁和腰梁。根據初期壩竣工資料,壩體西端處于原沖溝谷底,壩體高度較大,是受力最大的薄弱環節。因此,為充分發揮支擋結構的作用,保證初期壩的穩定,冠梁和腰梁均需進入壩肩山體。

　　3) 支撐體。在抗滑樁施工完畢后,樁背與漿砌石攔渣壩壩面之間采用“楔形”C15 素混凝土充填,在抗滑樁與攔渣壩之間形成傳力體系。

　　412 加筋體灰渣壩

　　應擴容需要,在初期壩后方約60m 以外新建一座加筋體灰渣壩, 壩底標高500100m , 壩頂標高536100m ,加筋壩設計坡率1 :115 ,分三級平臺,每級高度12m ,中部設兩道馬道,寬6m。

　　1) 灰渣壩地基處理。壩基由于為前期的填渣,地基承載力不足,需采用碎石樁處理,要求處理后的地基承載力≥200kPa 。擬建的加筋土灰渣壩地基土持力層范圍內為不等厚軟～可塑粉質粘土,不能滿足上部荷載和變形要求,根據加筋土灰渣壩的設計要求,擬采用振沖碎石樁加固地基。

　　2) 壩體底座。底座擬采用漿砌石,底座每隔10～15m 應設置一道變形縫(或伸縮縫) 。另在地基巖(土) 性變化處,底座高度突變處和與其他建(構) 筑物連接處應設沉降縫。

　　3) 灰渣壩壩體。加筋壩壩體筑壩材料主要為灰渣和土工格柵。筑壩采取分層碾壓,分層鋪設方式,壓實度≥0190。壩體表面采取“土工布袋+ 土工格柵反包”措施,防止灰渣外泄

　　413 截排水

　　截排水系統包括截洪溝及渡槽、排水盲溝、排水溝、排水斜槽。

　　1) 截洪溝及渡槽。由于后期渣壩填筑將淹沒原有溝底地段的部分截洪溝,因此在設計壩頂標高以上復建一條與原截洪溝材料、尺寸形式一致的截洪溝與原有截洪溝相接。其中起始段100m 由于地形陡峻,需采用渡槽排洪,渡槽槽身及排架基礎采用鋼筋混凝土結構。

　　2) 排水盲溝。對于被灰渣淹沒地段的排洪溝將其改造成排水盲溝,盲溝內充滿砂礫石。頂部300mm 鋪設3～15mm 粒徑細礫石層后用粗砂鋪平表面,再鋪設雙層350gPm2 土工濾布。

　　3) 排水溝。除復建截洪溝外,在灰渣場內部和周邊特定位置布置地表排水系統。

　　4) 排水涵洞。為保證加筋壩施工完畢后能在后期灰渣場填渣期間排除壩上游的地表積水,需在上游布置排水措施。根據后期填渣期間壩后渣面將不斷升高的實際情況,在壩后斜坡上布置一條排水涵洞,方向基本與等高線垂直。涵洞底部接Φ500排水管沿排水盲溝鋪設至加筋壩外明溝地段。在后統一腐蝕強度等級,劃分為微、弱、中、強四級。西雙版納州工程場地水質,兩規范評價等級不同,主要是因為腐蝕強度定級的方法不同,統一腐蝕等級應統一定級方法。國內外定級方法有兩類,一個是科學實驗類,另一個是綜合評價類

　　611 科學實驗類

　　水中不同的腐蝕介質,用不同的試驗法。普通酸和碳酸的腐蝕試驗,以下三種方法可選用:即配制不同濃度的腐蝕溶液,加壓透過碎水泥石的方法,或濾過圓柱形膠砂硬試體的方法以及水泥硬化試體在溶液中受腐蝕的方法。腐蝕強度等級按檢驗試體腐蝕后抗壓強度降低的程度確定或按濾液中的化學成分的濃度確定。碳酸腐蝕溶液由蒸餾水配制,則碳酸、普通酸和溶出性三種腐蝕共存,用天然碳酸水進行時,水中各種鹽類也存在正或負面的影響。

　　612 綜合評價類

　　該方法是在科學試驗類方法基礎上,結合工程實踐中混凝土受各類腐蝕介質破壞程度建立的。同時解決了一水多種腐蝕共存和混凝土有效使用的長期性。巖土規范配合科學實驗方法,在全國調查了水土中各類腐蝕介質對混凝土的腐蝕情況。進行了北京、天津、青島、煙臺1889～1919 年的海港混凝土腐蝕調查。海港工程提出50a 不大修的經驗。由此提出了綜合評價的方法,見表4。土層中地下水的腐蝕,對混凝土水膠比0165 可抗弱腐蝕, 水膠比0155 可抗中等腐蝕,水膠比0145 可抗強腐蝕,抗腐蝕有效時間為50 年,當延長使用年限時應適當降低水膠比。