1 引言

　　水泥廠使用煤作為燃料時(shí),將產(chǎn)生大量粉煤灰,雖然目前大多水泥廠粉煤灰已被開(kāi)發(fā)利用,但在一些地區(qū)仍需建設(shè)貯灰?guī)旒椿以鼛?kù),用以存放暫時(shí)無(wú)法利用的粉煤灰。灰渣庫(kù)屬于尾礦庫(kù)的一種,但長(zhǎng)期以來(lái)因未納入尾礦庫(kù)安全管理的范疇,致使目前存在著諸多的危險(xiǎn)源和薄弱環(huán)節(jié)[1 ] 。灰渣庫(kù)的存在就是一個(gè)重大危險(xiǎn)源,一旦發(fā)生事故將會(huì)造成重大的人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失,同時(shí)對(duì)庫(kù)區(qū)周邊造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2 ] 。鄭州中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)公司鄭州鋁廠灰渣庫(kù)擋水土壩全面崩塌滑動(dòng),使河水污染并造成2 人死亡,數(shù)人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失5000 多萬(wàn)元,總體損失達(dá)數(shù)億元[3 ] ;中鋁廣西分公司熱水泥廠存在灰渣壩滲漏水對(duì)環(huán)境造成污染的問(wèn)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(cái)產(chǎn)損失[5 ] ;山西襄汾縣塔山礦區(qū)新塔礦業(yè)公司尾礦庫(kù)發(fā)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(kù)的安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固改造。

　　2 某灰渣庫(kù)工程基本概況

　　該粉煤灰堆場(chǎng)位于水富縣城西南側(cè)境內(nèi),距縣城公路里程約5km ,有四級(jí)公路通往縣城。庫(kù)區(qū)為一狹長(zhǎng)形山谷,東西兩側(cè)高、中間低,標(biāo)高在486～587m ,相對(duì)高差約101m。地貌類(lèi)型屬于中低山。山谷右岸山脊有一簡(jiǎn)易公路通過(guò)。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候,雨量充沛、土壤濕潤(rùn),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(kù)區(qū)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(kù)區(qū)原截洪以東的大部分地段,從溝谷至庫(kù)區(qū)呈東岸厚西岸較薄的特點(diǎn),厚度為210～26180m ,平均9174m ,以發(fā)水泥廠的粉煤灰渣粘性土為主,富含有機(jī)質(zhì)、生活垃圾、角(圓) 礫含量約5 %～10 % ,表層見(jiàn)植物根系,偶見(jiàn)塊石,回填時(shí)未經(jīng)壓實(shí)處理,欠固結(jié)狀。第四系坡殘積(Q4dl + el ) 層:主要分布于庫(kù)區(qū)西岸地表,溝谷中零星揭露,厚度均較薄,溝谷中以軟塑狀態(tài)為主, 庫(kù)區(qū)西岸以可塑為主, 層厚0160 ～1180m ,平均1117m。侏羅系基巖(J2xt ) :強(qiáng)風(fēng)化泥巖,全庫(kù)區(qū)均有揭露,厚度0130 ～ 5190m , 平均1196m , 層頂標(biāo)高為473151～538161m ,未發(fā)現(xiàn)有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性軟弱,巖體破碎,巖體質(zhì)量等級(jí)屬Ⅴ類(lèi);中風(fēng)化砂巖在庫(kù)區(qū)均有揭露,層厚0180～2120m ,平均1110m ,未發(fā)現(xiàn)有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性較軟,巖體較破碎,巖體質(zhì)量等級(jí)屬Ⅳ類(lèi);中風(fēng)化泥巖庫(kù)區(qū)均有分布,最大揭露厚度1140～4190m ,平均3138m ,未發(fā)現(xiàn)有洞穴、軟弱夾層和臨空面,巖性較軟,巖體較破碎,巖體質(zhì)量等級(jí)屬Ⅳ類(lèi)。場(chǎng)地地下水類(lèi)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(méi)有連續(xù)地下水位,水量較小,接受大氣降水和地表水下滲補(bǔ)給,蒸發(fā)和入滲排泄均受季節(jié)影響嚴(yán)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(bǔ)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(xiàn)狀及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

　　311 灰渣壩現(xiàn)狀

　　煤灰場(chǎng)初期壩壩型為漿砌石重力壩,壩基為頁(yè)巖,最大壩高2417m (壩底標(biāo)高46013m , 壩頂標(biāo)高485100m) ,壩軸線長(zhǎng)6517m ,壩頂寬210m ,上游邊坡1 :015P0129 ,下游邊坡1 :011。由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件限制,煤灰卸料未分層進(jìn)行,而直接從山頂傾倒,未經(jīng)壓實(shí)處理,初期壩已出現(xiàn)裂縫。一旦潰決,壩內(nèi)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(zhì)條件較好,但由于無(wú)道路通往堆場(chǎng)內(nèi),成庫(kù)自然地形條件差。場(chǎng)地溝口下方便是居民區(qū),一旦發(fā)生險(xiǎn)情,將會(huì)造成不可估量的傷亡損失。

　　313 水的作用

　　尾礦壩既是儲(chǔ)存尾礦又是儲(chǔ)存水的構(gòu)筑物,水的存在使尾礦壩工程的巖土力學(xué)問(wèn)題更加復(fù)雜化[6 ] 。潰壩破壞多起因于壩內(nèi)地下水位控制不當(dāng)、排洪設(shè)施不利、侵蝕和管涌、地震液化作用,基本上都與靜、動(dòng)水壓力和孔隙水壓力有關(guān),這是典型的巖土工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題[5 ] 。庫(kù)區(qū)雨量充沛,地表水主要以沖溝內(nèi)匯集的大氣降水為主,做好排水防滲措施至關(guān)重要。

　　314 生產(chǎn)因素

　　按供熱車(chē)間日出煤灰400tPd 計(jì)算,每年煤灰量為10 ×104 t ,目前堆場(chǎng)已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。據(jù)水泥廠工程部人員反應(yīng),堆積于山坡上的煤灰極不穩(wěn)定(多次發(fā)生局部塌滑,部分已越過(guò)壩頂) ,上游堆積高度已超過(guò)設(shè)計(jì)高程(達(dá)503100～504100m) ,總煤灰量可能超過(guò)60 ×104m3 ,對(duì)下游的城鎮(zhèn)安全造成了威脅。如不進(jìn)行整改加固,儲(chǔ)灰場(chǎng)的安全將難以保證,不能滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)及水土保持的要求。

　　315 灰場(chǎng)穩(wěn)定性分析

　　為進(jìn)一步分析壩體的整體穩(wěn)定性,利用FLAC數(shù)值分析軟件建立了數(shù)值模型,模型左側(cè)以初期攔渣壩為邊界,右側(cè)邊界延伸至不影響邊坡穩(wěn)定分析的區(qū)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(wǎng)格剖分水平向115m ,豎直向210m。由于筋帶60cm 一層,考慮到模型網(wǎng)格密度限制,將3 層筋帶合并成一層筋帶?；靥罨以葜?710kNPm3 ,壓縮模量615MPa ,飽和固結(jié)抗剪強(qiáng)度指標(biāo): c = 20kPa ,φ= 27°。采用強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算壩體的整體穩(wěn)定性,并得到壩體應(yīng)力場(chǎng)、位移變形及加筋材料的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)115 的條件下,考慮7度設(shè)防, 折減后的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為: c =1313kPa ,φ= 1613°。

　　計(jì)算結(jié)果顯示(見(jiàn)圖1、圖2) ,未加固處理的壩體發(fā)生大變形破壞,不能達(dá)到平衡狀態(tài)。最大的水平位移已達(dá)2152m ,最大沉降達(dá)2103m。壩頂距邊緣21m 范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯沉降和水平位移,壩趾出現(xiàn)明顯的鼓脹現(xiàn)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(jì)算結(jié)果顯示壩坡位移變形最大值為23cm(見(jiàn)圖3) ,控制在可接受范圍以?xún)?nèi),土工格柵未發(fā)生粘結(jié)滑移,格柵筋帶最大拉應(yīng)力1519MPa ,最大應(yīng)變018 % ,土工格柵變形及應(yīng)力指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,壩坡穩(wěn)定。滿(mǎn)足安全系數(shù)115 的要求。