尾礦庫設計簡介

1、尾礦庫設計簡介一、尾礦庫的基本系統(tǒng)尾礦庫一般由尾礦堆存系統(tǒng)、尾礦庫排洪系統(tǒng)、尾礦庫回水系統(tǒng)等幾部分組成。1. 尾礦堆存系統(tǒng)該系統(tǒng)一般包括壩上放礦管道、尾礦初期壩、尾礦后期壩、浸潤線觀測、位移觀測以及排滲設施等。2. 尾礦庫排洪系統(tǒng)該系統(tǒng)一般包括截洪溝、溢洪道、排水井、排水管、排水隧洞等構筑物。3. 尾礦回水系統(tǒng)該系統(tǒng)大多利用庫內排洪井、管將澄清水引入下游回水泵站，再揚至高位水池。也有在庫內水面邊緣設置活動泵站直接抽取澄清水，揚至高位水池。二、尾礦庫的功能1. 保護環(huán)境選礦廠產(chǎn)生的尾礦不僅數(shù)量大，顆粒細，且尾礦水中往往含有多種藥劑，如不加處理，則必造成選廠周圍環(huán)境嚴重污染。將尾礦妥善貯存在尾礦庫

2、內，尾礦水在庫內澄清后回收循環(huán)利用，可有效地保護環(huán)境。2. 充分利用水資源選礦廠生產(chǎn)是用水大戶，通常每處理一噸原礦需用水46噸；有些重力選礦甚至高達1020噸。這些水隨尾礦排入尾礦庫內，經(jīng)過澄清和自然凈化后，大部分的水可供選礦生產(chǎn)重復利用，起到平衡枯水季節(jié)水源不足的供水補給作用。一般回水利用率達7090。3. 保護礦產(chǎn)資源有些尾礦還含有大量有用礦物成份，甚至是稀有和貴重金屬成份，由于種種原因，一時無法全部選凈，將其暫貯存于尾礦庫中，可待將來再進行回收利用。三、尾礦庫的重要性1. 尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)不可缺少的設施環(huán)境保護是我國一項基本國策。尾礦庫是礦山企業(yè)最大的環(huán)境保護工程項目。隨著全國人民

3、生活水平的提高。國家對環(huán)境保護的要求也越來越高，即使在人煙稀少的偏遠山區(qū)，也嚴禁將尾礦向江、河、湖、海沙漠及草原等處任意排放。一個礦山的選礦廠只要有尾礦產(chǎn)生，就必須建有尾礦庫。所以說尾礦庫是礦山選礦廠生產(chǎn)必不可少的組成部分。2. 尾礦庫基建投資及運行費用巨大尾礦庫的基建投資一般約占礦山建設總投資的10以上，占選礦廠投資的20左右，有的幾乎接近甚至超過選礦廠投資。尾礦設施的運行成本也較高，有些礦山尾礦設施運行成本占選礦廠生產(chǎn)成本的30以上。為了減少運行費，有些礦山的選礦廠廠址取決于尾礦庫的位置。近年來，由于征購土地和搬遷農戶越發(fā)困難，建設尾礦庫的費用更高?？梢娢驳V庫在礦山建設中的地位是不同一般的

4、。3. 尾礦庫是礦山企業(yè)生產(chǎn)最大的危險源尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流的危險源。在長達十多年甚至數(shù)十的期間里，各種天然的（雨水、地震、鼠洞等）和人為的（管理不善、工農關系不協(xié)調等）不利因素時時刻刻或周期性地威脅著它的安全。事實一再表明，尾礦庫一旦失事，將給工農業(yè)生產(chǎn)及下游人民生命財產(chǎn)造成巨大的災害和損失。以上幾方面足以說明尾礦庫在礦山生產(chǎn)中的重要性。尾礦庫的安全問題一直受到社會和政府的高度重視。一、尾 礦 庫（一）選擇庫址的基本原則正確選擇尾礦庫庫址極為重要。設計時一般須選擇多個庫址，進行技術經(jīng)濟比較予以確定。尋找?guī)熘窇C合考慮下列原則：（1）一個尾礦庫的庫容力求能容納全部生產(chǎn)年限的尾礦量

5、。如確有困難，其服務年限以不少于五年為宜。（2）庫址離選礦廠要近，最好位于選廠的下游方向?？墒刮驳V輸送距離縮短，揚程小，且可減少對選廠的不利影響。（3）盡量位于大的居民區(qū)、水源地、水產(chǎn)基地及重點保護的名勝古跡的下游方向。（4）盡量不占或少占農田，不遷或少遷村莊；（5）未經(jīng)技術論證，不宜位于有開采價值的礦床上部。（6）庫區(qū)匯水面積要小，縱深要長，縱坡要緩?？蓽p小排洪系統(tǒng)的規(guī)模。（7）庫區(qū)口部要小，“肚子”要大?？墒钩跗趬喂こ塘啃?，庫容大。（8）盡量避免位于有不良地質現(xiàn)象的地區(qū)，以減少處理費用。（二）尾礦庫的類型及其特點1. 山谷型尾礦庫山谷型尾礦庫是在山谷谷口處筑壩形成的尾礦庫，如圖11所示。它

6、的特點是初期壩相對較短，壩體工程量較??；后期尾礦堆壩相對較易管理和維護，當堆壩較高時，可獲得較大的庫容；庫區(qū)縱深較長，澄清距離及干灘長度易于滿足設計要求；但匯水面積較大，排水設施工程量大。我國大中型尾礦庫大多屬于這種類型的尾礦庫。 11 山谷型尾礦庫2. 傍山型尾礦庫傍山型尾礦庫是在山坡腳下依山筑壩所圍成的尾礦庫，如圖12所示。它的特點是初期壩相對較長，初期壩和后期尾礦堆壩工程量較大；由于庫區(qū)縱深較短，澄清距離及干灘長度受到限制，后期堆壩高度一般不太高，故庫容較??；匯水面積雖小，但調洪能力較小，排洪設施的進水構筑物較大；由于尾礦水的澄清條件和防洪控制條件較差。管理、維護相對比較復雜。

7、國內低山丘陵地區(qū)的尾礦庫大多屬于這種類型。圖12 傍山型尾礦庫3. 平地型尾礦庫平地型尾礦庫是在平地四面筑壩圍成的尾礦庫，如圖1-3所示。其特點是初期壩和后期尾礦堆壩工程量最大，維護管理比較麻煩；由于周邊堆壩，庫區(qū)面積越來越小，尾礦沉積灘坡度越來越緩，因而澄清距離、干灘長度以及調洪能力都隨之減少，堆壩高度受到限制，一般不高；但匯水面積小，排水構筑物相對較小；國內平原或沙漠地區(qū)多采用這類尾礦庫。例如金川、包鋼和山東省一些金礦的尾礦庫。圖13 平地型尾礦庫4. 截河型尾礦庫截河型尾礦庫是截取一段河床，在其上、下游兩端分別筑壩行成的尾礦庫，如圖14所示。有的在寬淺式河床上留出一定的流水寬度，三面筑壩

8、圍成尾礦庫，也屬此類。它的特點是不占農田；庫區(qū)匯水面積不太大，但庫外上游的匯水面積通常很大，庫內和庫上游都要設置排水系統(tǒng)，配置較復雜，規(guī)模龐大。這種類型的尾礦庫維護管理比較復雜。國內采用者不多。 圖14 截河型尾礦庫（三）尾礦庫的庫容及性能曲線1. 尾礦庫的庫容組成尾礦庫的庫容有全庫容、總庫容和有效庫容之分。用圖1-5來解釋其間的區(qū)別，該圖為尾礦庫典型斷面示意圖。（1）空余庫容（V1）。指水平面AA與BB之間的庫容，它是為確保設計洪水位時壩體安全超高或安全灘長的空間容積，是不允許占用的，故又稱安全庫容。（2）調洪庫容（V2）。指水平面BB和CC之間的庫容，它是在暴雨期間用以調洪的庫容

9、。是設計確保最高洪水位不致超過BB水平面所需的庫容，因此，這部分庫容在非雨季一般不許占用，雨季絕對不許占用。（3）蓄水庫容（V3）。指水平面CC和DD之間的庫容，供礦山生產(chǎn)水源緊張時使用，一般的尾礦庫不具備蓄水條件時，此值為零，CC和DD重合。（4）澄清庫容（V4）。指水平面DD和灘面DE之間的庫容，它是保證正常生產(chǎn)時水量平衡和溢流水水質得以澄清的最低水位所占用的庫容，俗稱死庫容。（5）有效庫容（V5）。是指灘面ABCDE以下沉積尾礦以及懸浮狀礦泥所占用的容積。它是尾礦庫實際可容納尾礦的庫容，按式1-1算得：V5=W /d 1-1式中，V5為有效庫容，m3;W為設計根據(jù)選礦廠全部生產(chǎn)期限內產(chǎn)出

10、的尾礦總量，t；d為尾礦平均堆積干密度，tm3。 圖15 尾礦庫的庫容組成H1某一壩頂標高，對應的水平面為AA；H2洪水水位，對應的水平面為BB；H3蓄水水位，對應的水平面為CC；H4正常生產(chǎn)的最低水位，亦可稱之為死水位，對應的水平面為DD。該水位由最小澄清距離確定；DE細顆粒尾礦沉積灘面及礦泥懸浮層面。（6）尾礦庫的全庫容（V ）。指某壩頂標高時的各種庫容之和，可用式1-2表示：V=V1+V2+V3+V4+V5 1-2（7）尾礦庫的總庫容。指尾礦堆至最終設計壩頂標高時的全庫容。2. 尾礦庫的性能曲線尾礦庫的庫面面積、全庫容、有效庫容和匯水面積都將隨壩體堆積高度的變化而變化。為了清楚

11、地表示出不同堆壩高度時的具體數(shù)值，可繪制出尾礦庫的性能曲線，如圖1-6所示。設計時，可根據(jù)全庫容曲線確定各使用期的尾礦庫等別；生產(chǎn)部門可根據(jù)有效庫容曲線推算各年壩頂所達標高，以便制定各年尾礦壩筑壩生產(chǎn)計劃；設計者根據(jù)匯水面積曲線進行各使用期尾礦庫排洪驗算。  圖16 尾礦庫的性能曲線曲線H-Fm是高程-庫面面積曲線；曲線H-Vq是高程-全庫容曲線；曲線H-Fy是高程-有效庫容曲線；曲線H-Fh是高程-匯水面積曲線。（四）尾礦庫等別的劃分標準尾礦庫各生產(chǎn)期的設計等別應根據(jù)該期的全庫容和壩高分別按表11進行確定。當兩者的等差為一等時，以高者為準；當?shù)炔畲笥谝坏葧r，按高者降低一等

12、。如果尾礦庫失事后會使下游重要城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)或重要鐵路干線遭受嚴重災害者，其設計等別可提高一等。表11 尾礦庫等別劃分表尾礦庫級別全庫容V（萬m3）壩高H（m）一二等庫具備提高等別條件者二V10000H100三1000V1000060H100四100V100030H60五V100H30尾礦庫失事造成災害的大小與庫內尾礦量的多少以及尾礦壩的高矮成正比。尾礦庫使用的特點是尾礦量由少到多，尾礦壩由矮到高，在不同使用期失事，造成危害的嚴重程度是不同的。因此，同一個尾礦庫在整個生產(chǎn)期間根據(jù)庫容和壩高劃分為不同的等別是合理的；再者，尾礦庫使用過程中，初期調洪能力較小，后期調洪能力較大，同一個尾礦庫初期按低

13、等別設計，中期及后期逐漸將等別提高，這樣一次建成的排洪構筑物就能兼顧各使用期的防洪要求，設計更加經(jīng)濟合理。因此，我國制定的設計規(guī)范允許按上述原則劃分尾礦庫等別。二、尾礦壩尾礦壩是尾礦庫用來攔擋尾礦和水的圍護構筑物。一般尾礦壩是由初期壩（又稱基礎壩）和后期壩（又稱尾礦堆壩）組成。只有當尾礦顆粒極細，無法用尾礦堆壩者，才采用類似建水壩（即無后期壩）的形式貯存全部尾礦，習慣稱之為一次建壩。（一）初期壩的類型及其特點在礦山主體工程基建期間，同時在尾礦壩址用土、石等材料修筑成的壩體稱為尾礦庫的初期壩，用以容納選礦廠生產(chǎn)初期0.51年排出的尾礦量，并作為后期壩的支撐及排滲棱體。初期壩的壩型可分為不透水壩和

14、透水壩。不透水初期壩用透水性較小的材料筑成的初期壩。因其透水性遠小于庫內尾礦的透水性，不利于庫內沉積尾礦的排水固結。當尾礦堆高后，浸潤線往往從初期壩壩頂以上的子壩壩腳或壩坡逸出，造成壩面沼澤化，不利于壩體的穩(wěn)定性。這種壩型適用于不用尾礦筑壩或因環(huán)保要求不允許向庫下游排放尾礦水的尾礦庫。透水初期壩用透水性較好的材料筑成的初期壩。因其透水性大于庫內尾礦的透水性，可加快庫內沉積尾礦的排水固結，并可降低壩體浸潤線，因而有利于提高壩體的穩(wěn)定性。這種壩型是初期壩比較理想的壩型。透水初期壩的主要壩型有堆石壩或在各種不透水壩體上游坡面設置排滲通道的壩型。初期壩具體有以下幾種壩型：1. 均質土壩均質土壩是用粘土

15、、粉質粘土或風化土料筑成的壩，如圖17所示，它像水壩一樣，屬典型的不透水壩型。在壩的外坡腳設有毛石堆成的排水棱體，以加強排滲，降低壩體浸潤線。該壩型對壩基工程地質條件要求不高，施工簡單，造價較低。在早期或缺少石材地區(qū)應用較多。 圖17 不透水均質土壩若在均質土壩內坡面和壩底面鋪筑可靠的排滲層，如圖18所示，使尾礦堆積壩內的滲水通過此排滲層排到壩外。這樣，便成了適用于尾礦堆壩要求的透水土壩。 圖18 透水均質土壩2. 透水堆石壩用毛石堆筑成的壩，如圖19所示。在壩的上游坡面用砂礫料或土工布鋪設反濾層，其作用是有效地降低后期壩的浸潤線。由于它對后期壩的穩(wěn)定有利，且施工簡便，成為

16、廿世紀60年代以后廣泛采用的初期壩型。圖19 用毛石堆筑成透水堆石壩該壩型對壩基工程地質條件要求也不高。當質量較好的石料數(shù)量不足時，也可采用一部分較差的砂石料來筑壩。即將質量較好的石料鋪筑在壩體底部及上游坡一側（浸水飽和部位），而將質量較差的砂石料鋪筑在壩體的次要部位，如圖表110所示。表110 用砂石堆筑成透水堆石壩3. 廢石壩用采礦場剝離的廢石筑壩，有兩種情況：當廢石質量符合強度和塊度要求時，可按正常堆石壩要求筑壩；另一種是結合采場廢石排放筑壩，廢石不經(jīng)挑選，用汽車或輕便軌道直接上壩卸料，下游壩坡為廢石的自然安息角，為安全計，壩頂寬度較大，圖111所示。在上游坡面應設置砂礫料或土工布做成的

17、反濾層，以防止壩體土顆粒透過堆石而流失。圖111 廢石壩4. 砌石壩用塊石或條石砌成的壩。這種壩型的壩體強度較高，壩坡可做得比較陡，能節(jié)省筑壩材料，但造價較高。可用于高度不大的尾礦壩，但對壩基的工程地質條件要求較高，壩基最好是基巖，以免壩體產(chǎn)生不均勻沉降，導致壩體產(chǎn)生裂縫。5. 混凝土壩用混凝土澆筑成的壩。這種壩型的壩體整體性好，強度高，因而壩坡可做得很陡，筑壩工程量比其他壩型都小，但工程造價高，對壩基條件要求高，采用者比較少。（二）初期壩的構造1. 壩頂寬度為了滿足敷設尾礦輸送主管、放礦支管和向尾礦庫內排放尾礦操作的要求，初期壩壩頂應具有一定的寬度。一般情況下壩頂寬度不宜小于表12所列數(shù)值。

18、當壩頂需要行車時，還應按行車的要求確定。生產(chǎn)中應確保壩頂寬度不被侵占。表12初期壩壩頂最小寬度壩高（m）壩頂最小寬度（m）102.510203.020303.5304.02. 壩坡壩的內、外坡坡比的確定，應通過壩坡穩(wěn)定性計算來確定。土壩的下游坡面上應種植草皮護坡，堆石壩的下游坡面應干砌大塊石護面。3. 馬道當壩的高度較高時，壩體下游坡每隔1015米高度設置一寬度為12米的馬道，以利壩體的穩(wěn)定，方便操作管理。4. 排水棱體為排出土壩壩體內的滲水和保護壩體外坡腳，在土壩外坡腳處設置毛石堆成的排水棱體。排水棱體的高度為初期壩壩高的1/51/3，頂寬為1.52.0米，邊坡坡比為1111.5。5. 反濾

19、層為防止?jié)B透水將尾礦或土等細顆粒物料通過堆石體帶出壩外，在土壩壩體與排水棱體接觸面處以及堆石壩的上游坡面處或與非基巖的接觸面處都須設置反濾層。早期的反濾層采用砂、礫料或卵石等組成，由細到粗順水流方向敷設。反濾層上再用毛石護面。因對各層物料的級配、層厚和施工要求很嚴格，反濾層的施工質量要求較高。現(xiàn)在普遍采用土工布（又稱無紡土工織物）作反濾層。在土工布的上下用粒徑符合要求的碎石作過濾層，并用毛石護面。土工布作反濾層施工簡單，質量易保證，使用效果好，造價也不高。（三）后期壩的類型及其特點選礦廠投產(chǎn)后，在生產(chǎn)過程中隨著尾礦的不斷排入尾礦庫，在初期壩壩頂以上用尾砂逐層加高筑成的小壩體，稱之為子壩。子壩用

20、以形成新的庫容，并在其上敷設放礦主管和放礦支管，以便繼續(xù)向庫內排放尾礦。子壩連同子壩壩前的尾礦沉積體統(tǒng)稱為后期壩（也稱尾礦堆積壩）?？梢姾笃趬纬掠纹旅嬗忻鞔_的邊界外，沒有明確的內坡面分界線。也可認為沉積灘面即為其上游坡面。根據(jù)其筑壩方式可分為下列幾種基本類型：1. 上游式尾礦筑壩上游式筑壩的特點是子壩中心線位置不斷向初期壩上游方向移升，壩體由流動的礦漿自然沉積而成，如圖112所示。受排礦方式的影響，往往含細粒夾層較多，滲透性能較差，浸潤線位置較高，故壩體穩(wěn)定性較差。但它具有筑壩工藝簡單，管理相對簡單，運營費用較低等優(yōu)點，且對庫址地形沒有太特別的要求，所以國內外均普遍采用。圖112 上游式尾礦

21、筑壩1-初級壩； 2-子壩 2. 下游式尾礦筑壩下游式尾礦筑壩是用水力旋流器將尾礦分級，溢流部分（細粒尾礦）排向初期壩上游方向沉積；底流部分（粗粒尾礦）排向初期壩下游方向沉積。其特點是子壩中心線位置不斷向初期壩下游方向移升，如圖1-13所示。由于壩體尾礦顆粒粗，抗剪強度高，滲透性能較好，浸潤線位置較低，故壩體穩(wěn)定性較好。但分級設施費用較高，且只實用于顆粒較粗的原尾礦，又要有比較狹窄的壩址地點。國外使用較多，國內使用尚少見。圖113 下游式尾礦筑壩1-初級壩； 2-子壩3. 中線式尾礦筑壩中線式尾礦筑壩工藝與下游式尾礦筑壩類似，但壩頂中心線位置始終不變。如圖114所示。其優(yōu)缺點介于上游式與下游式

22、之間。圖114 中線式尾礦筑壩1-初級壩； 2-子壩4. 濃縮錐式尾礦筑壩濃縮錐式尾礦筑壩是將濃度55%以上的濃縮尾礦用管道輸送到堆存場地的某個點集中排放，沉積的尾礦自然行成錐形堆體，堆體表面坡度一般只有5%6%。占地面積較大，且需高效濃縮設施。所有型式的后期壩下游坡的坡度均須通過穩(wěn)定性分析確定。（四）尾礦壩穩(wěn)定性分析簡介尾礦壩穩(wěn)定分析主要指抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定和液化穩(wěn)定的分析。1. 抗滑穩(wěn)定分析抗滑穩(wěn)定分析是研究尾礦壩（包括初期壩和后期壩）的下游壩坡抵抗滑動破壞的能力的問題。設計一般要通過計算給出定量的評價。計算之前，先要擬定計算剖面。后期壩壩坡憑經(jīng)驗假定；浸潤線位置由滲流分析確定；壩基土層的

23、物理力學指標通過工程地質勘察確定；后期壩的物理力學指標可參照類似尾礦的指標確定，有條件者應在老尾礦壩上勘察確定。計算時，假定多個滑動面，根據(jù)滑動體的受力狀態(tài)，求出滑動力和抗滑力。用滑動力與滑動力之比值作為抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)。設計的作用就是要采取多種措施，確保最小的安全系數(shù)不小于設計規(guī)范的規(guī)定。我國現(xiàn)行選礦廠尾礦設施設計規(guī)范（ZBJ1-90）規(guī)定：尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不得小于表1-3的數(shù)值。影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素很多。一般情況下，尾礦堆積的高度越高、下游坡坡度越陡、壩體內浸潤線的位置越淺、庫內的水位越高、壩基和壩體土料的抗剪強度越低，抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)就越小；反之安全系數(shù)就越大。表1-

24、3尾礦壩壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)值運行情況壩的級別12345正常運行1.301.251.201.15洪水運行1.201.151.101.05特殊運行1.101.051.051.00注：表中“正常運行”是指尾礦庫水位處于正常生產(chǎn)水位時的運行情況；“洪水運行”是指尾礦庫水位處于最高洪水位時的運行情況；“特殊運行”是指尾礦庫水位處于最高洪水位時，又遇到設計烈度的地震情況下運行。2. 滲透穩(wěn)定分析尾礦水在壩體、壩肩和壩基土中受重力作用總是由高處向低處滲透流動，簡稱滲流。在庫水位一定時，壩體橫剖面上穩(wěn)定滲流的自由水面線（或滲流頂面線）叫浸潤線。由于滲流受到土粒的阻力，浸潤線就產(chǎn)生水力坡降，稱為滲透坡降，

25、以IS表示。滲透坡降越大，對土粒的壓力就越大。使土體開始產(chǎn)生不允許的流土、管涌等變形的滲透坡降稱為臨界坡降，以IL表示。尾礦壩滲流分析的任務之一是確定浸潤線的位置，從而判斷浸潤線在壩體下游坡面逸出部位的滲透坡降是否超過臨界坡降。滲透穩(wěn)定的安全系數(shù)K由下式表示：K=IL/IS 1-3現(xiàn)行尾礦設計規(guī)范中對K值尚無具體規(guī)定，一般可根據(jù)壩的級別將K值限制在22.5之間為宜。由于尾礦壩是一個特別復雜的非均質體，目前尾礦壩滲流研究成果還難以準確確定浸潤線的位置。因此，設計為安全計，對級別較高的尾礦壩結合抗滑穩(wěn)定的需要，大多采取措施使浸潤線不致在坡面逸出；對級別較低的尾礦壩可在逸出部位采取貼坡反濾加以保護。

26、3. 液化穩(wěn)定分析所謂液化就是飽和砂土在振動作用下抗剪強度驟然下降為零而成為粘滯液體的現(xiàn)象。尾礦壩在大地震時可能發(fā)生液化，如果這種液化發(fā)生在壩體下游坡部位，則會引起邊坡坍塌，危害甚大。即使不坍塌，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也大大降低。尾礦壩的抗震計算（即液化穩(wěn)定分析）包括地震液化分析和穩(wěn)定分析。我國現(xiàn)行構筑物抗震設計規(guī)范規(guī)定：地震設防烈度為6度地區(qū)的尾礦壩可不進行抗震計算，但應滿足抗震構造和工程措施要求，具體構造和要求見規(guī)范；6度和7度時，可采用上游式筑壩，經(jīng)論證可行時，也可采用上游式筑壩工藝；8度和9度時，宜采用中線式或下游式筑壩工藝。三級及以下尾礦壩的液化分析可采用一維簡化動力法計算；一級和二級尾

27、礦壩，應采用二維時程法進行計算分析。尾礦壩的穩(wěn)定分析可按圓弧滑動面的規(guī)定計算。尾礦壩的地震穩(wěn)定性最小安全系數(shù)值應符合表1-4的規(guī)定。表1-4 地震穩(wěn)定性最小安全系數(shù)值效應組合壩的等級 二級三級四、五級組合I1.151.101.05組合II1.051.051.00                           注：

28、組合I：自重作用效應、正常水位的滲透壓力、地震作用效應和地震動引起的孔隙水壓力；組合II：自重作用效應、設計洪水位的滲透壓力、地震作用效應和地震動引起的孔隙水壓力。三、尾礦庫排洪系統(tǒng)（一）排洪系統(tǒng)布置的原則尾礦庫設置排洪系統(tǒng)的作用有二：一是為了及時排除庫內暴雨；二是兼作回收庫內尾礦澄清水用。對于一次建壩的尾礦庫，可在壩頂一端的山坡上開挖溢洪道排洪。其形式與水庫的溢洪道相類似。對于非一次建壩的尾礦庫，排洪系統(tǒng)應靠尾礦庫一側山坡進行布置。選線應力求短直；地基的工程地質條件應盡量均勻，最好無斷層、破碎帶、滑坡帶及軟弱巖層。尾礦庫排洪系統(tǒng)布置的關鍵是進水構筑物的位置。我們知到：壩上排礦口的位置在使用過

29、程中是不斷改變的，進水構筑物與排礦口之間的距離應始終能滿足安全排洪和尾礦水得以澄清的要求。也就是說，這個距離一般應不小于尾礦水最小澄清距離、調洪所需灘長和設計最小安全灘長（或最小安全超高所對應的灘長）三者之和。當采用排水井作為進水構筑物時，為了適應排礦口位置的不斷改變，往往需建多個井接替使用，相鄰二井井筒有一定高度的重疊（一般為0.51.0米）。進水構筑物以下可采用排水涵管或排水隧洞的結構型式進行排水。當采用排水斜槽方案排洪時，為了適應排礦口位置的不斷改變，需根據(jù)地形條件和排洪量大小確定斜槽的斷面和敷設坡度。有時為了避免全部洪水流經(jīng)尾礦庫增大排水系統(tǒng)的規(guī)模，當尾礦庫淹沒范圍以上具備較緩山坡地形

30、時，可沿庫周邊開挖截洪溝或在庫后部的山谷狹窄處設攔洪壩和溢洪道分流，以減小庫區(qū)淹沒范圍內的排洪系統(tǒng)的規(guī)模。排洪系統(tǒng)出水口以下用明渠與下游水系連通。（二）排洪計算步驟簡介洪水計算的目的在于根據(jù)選定的排洪系統(tǒng)和布置，計算出不同庫水位時的泄洪流量，以確定排洪構筑物的結構尺寸。當尾礦庫的調洪庫容足夠大，可以容納得下一場暴雨的洪水總量時，問題就比較簡單，先將洪水匯積后再慢慢排出，排水構筑物可做得較小，工程投資費用最低；當尾礦庫沒有足夠的調洪庫容時，問題就比較復雜。排水構筑物要做得較大，工程投資費用較高。一般情況下尾礦庫都有一定的調洪庫容，但不足以容納全部洪水，在設計排水構筑物時要充分考慮利用這部分調洪庫

31、容來進行排洪計算，以便減小排水構筑物的尺寸，節(jié)省工程投資費用。排洪計算的步驟一般如下：（1）確定防洪標準。我國現(xiàn)行設計規(guī)范規(guī)定尾礦庫的防洪標準按表1-5確定。當確定尾礦庫等別的庫容或壩高偏于下限，或尾礦庫使用年限較短，或失事后危害較輕者，宜取重現(xiàn)期的下限；反之，宜取上限。（2）洪水計算及調洪演算。確定防洪標準后，可從當?shù)厮氖謨圆榈糜嘘P降雨量等水文參數(shù)，先求出尾礦庫不同高程匯水面積的洪峰流量和洪水總量，這叫洪水計算。再根據(jù)尾礦沉積灘的坡度求出不同高程的調洪庫容，這叫調洪演算。表15 尾礦庫防洪標準尾礦庫等別一二三四五洪水重現(xiàn)期(a）初期 1002005010030502030中后期1

32、0002000500100020050010020050100注：初期指尾礦庫啟用后的頭35年。（3）排洪計算。根據(jù)洪水計算及調洪演算的結果，再進行庫內水量平衡計算，就可求出經(jīng)過調洪以后的洪峰流量。該流量即為尾礦庫所需排洪流量。最后，設計者以尾礦庫所需排洪流量作為依據(jù)，進行排洪構筑物的水力計算，以確定構筑物的凈空斷面尺寸。（三）排洪構筑物的類型及其特點尾礦庫庫內排洪構筑物通常由進水構筑物和輸水構筑物兩部分組成。尾礦壩下游坡面的洪水用排水溝排除。排洪構筑物型式的選擇，應根據(jù)尾礦庫排水量的大小、尾礦庫地形、地質條件、使用要求以及施工條件等因素，經(jīng)技術經(jīng)濟比較確定。1. 進水構筑物進水構筑物的基本型

33、式有排水井、排水斜槽、溢洪道以及山坡截洪溝等。排水井是最常用的進水構筑物。有窗口式、框架式、井圈疊裝式和砌塊式等型式，見圖115。圖115 進水構筑物a-窗口式；b-框架式；c-砌塊式；d-疊圈式窗口式排水井整體性好，堵孔簡單。但進水量小，未能充分發(fā)揮井筒的作用。早期應用較多?？蚣苁脚潘涩F(xiàn)澆梁柱構成框架，用預制薄拱板逐層加高。結構合理，進水量大，操作也較簡便。從六十年代后期起，廣泛采用。井圈疊裝式和砌塊式等型式排水井分別用預制拱板和預制砌塊逐層加高。雖能充分發(fā)揮井筒的進水作用，但加高操作要求位置準確性較高，整體性差些，應用不多。排水斜槽既是進水構筑物，又是輸水構筑物。隨著庫水位的升高，進水

34、口的位置不斷向上移動。它沒有復雜的排水井，但畢竟進水量小，一般在排洪量較小時經(jīng)常采用。洪道常用于一次性建庫的排洪進水構筑物。為了盡量減小進水深度，往往作成寬淺式結構。山坡截洪溝也是進水構筑物兼作輸水構筑物。沿全部溝長均可進水。在較陡山坡處的截洪溝易遭暴雨沖毀，管理維護工作量大。2. 輸水構筑物尾礦庫輸水構筑物的基本型式有排水管、隧洞、斜槽、山坡截洪溝等。排水管是最常用的輸水構筑物。一般埋設在庫內最底部，荷載較大，一般采用鋼筋混凝土管，如圖116所示。斜槽的蓋板采用鋼筋混凝土板，槽身有鋼筋混凝土和漿砌塊石兩種，如圖117所示。鋼筋混凝土管整體性好，承壓能力高，適用于堆壩較高的尾礦庫。但當凈空尺寸

35、較大時，造價偏高。漿砌塊石管是用漿砌塊石作為管底和側壁，用鋼筋混凝土板蓋頂而成。整體性差，承壓能力較低，適用于堆壩不高、排洪量不大的尾礦庫。圖116 鋼筋混凝土排水管  圖117 斜槽蓋板隧洞需由專門鑿巖機械施工，故凈空尺寸較大。它的結構穩(wěn)定性好，是大、中型尾礦庫常用的輸水構筑物。因為當排洪量較大，且地質條件較好時，隧洞方案往往比較經(jīng)濟。3. 壩坡排水溝壩坡排水溝有兩類：一類是沿山坡與壩坡結合部設置漿砌塊石截水溝，以防止山坡暴雨匯流沖刷壩肩。另一類是在壩體下游坡面設置縱橫排水溝，將壩面的雨水導流排出壩外，以免雨水滯留在壩面造成壩面拉溝，影響壩體的安全。四、尾礦庫設計的主要參

36、數(shù)與安全要求1. 設計基礎資料的主要參數(shù)（1）尾礦日產(chǎn)量、設計服務年限內的尾礦總量；（2）尾礦顆粒分析及其加權平均粒徑；（3）尾礦漿的流量及其濃度；（4）尾礦沉積灘的坡度；（5）尾礦漿的最小澄清距離；（6）尾礦庫內平均堆積干密度；（7）尾礦庫地區(qū)的地震設防烈度及氣象資料；（8）尾礦庫址工程水文地質條件。以上各參數(shù)及資料是尾礦庫設計必不可少的。一般應由企業(yè)提供，隨著今后生產(chǎn)工藝的改進，若上述參數(shù)有變化，須及時將新的參數(shù)提供給設計部門，以便對原設計做必要的修改。2. 設計成品的主要參數(shù)（1）總庫容及總壩高。（2）各運行期尾礦庫的等別（設計規(guī)范規(guī)定同一個尾礦庫在運行期間，庫容由小到大，壩高由矮到高，

37、庫的等別也可隨之變化，這樣可大大節(jié)省基建投資）。（3）各運行期的防洪標準。（4）初期壩壩型、壩高和上、下游壩坡。（5）后期壩壩型、壩高和下游壩坡及堆壩逐年上升速度。（6）壩體穩(wěn)定安全系數(shù)。（7）子壩堆筑方式。（8）浸潤線控制深度。（9）尾礦庫匯水面積。（10）各運行期的所需調洪深度及所需排洪流量。（11）設計洪水位時的最小安全超高和最小安全灘長（注意，這里不時指設計規(guī)范中的最小安全超高和最小安全灘長）。（12）排洪構筑物的型式及尺寸。一個完善的設計對以上主要參數(shù)不僅要求數(shù)據(jù)明確，而且都要有詳細確切的論證。3. 尾礦庫設計的安全要求如前所述，尾礦庫實際上是一個處于高勢能狀態(tài)的泥石流源，尾礦庫一旦

38、失事，往往造成特大災害。其安全故然有賴于勘察、設計、施工、監(jiān)理和管理等多個部門的共同重視與配合，但設計屬于核心和基礎環(huán)節(jié)，作用更為突出和重要。因此，設計者應具有高度責任心和過硬的技能，才能勝任。設計的安全要求是多方面的。除了要仔細研究勘察報告和基礎資料外，在具體設計中主要體現(xiàn)在兩個方面：一是要確保設計的尾礦壩具有足夠的穩(wěn)定性，各種運行狀態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)必須符合設計規(guī)范的規(guī)定；二是要使洪水位能控制在設計規(guī)范規(guī)定的范圍內，確保防洪的安全。對施工質量和運行管理的具體技術參數(shù)要求，在設計文件中必須有明確的交代，以便施工和生產(chǎn)部門嚴格按設計要求進行管理。中小尾礦庫設計中存在的問題比較多，有些潛在的或者已經(jīng)

39、造成了重大的人員、財產(chǎn)損失。在中小尾礦庫設計中北京首云鐵礦做法為采用生態(tài)恢復的方法，具體為（摘自：北京首云鐵礦簡介）一、尾礦概況：北京首云鐵礦和尚峪尾礦庫區(qū)基巖為古老的片麻巖，溝底為第四紀覆蓋層，壩址處覆蓋層最厚16m。上部以洪積亞粘土為主，中部以坡積碎石和含土碎石為主，底部為碎石層。尾礦庫建有兩座初期壩，均為透水堆石壩。西壩底標高149.3m，東壩底標高143.5m。壩頂標高均為163.5m，總庫容1350萬m3，庫區(qū)縱深300m，占地55.85m2?，F(xiàn)尾礦庫可利用15年，目前首鋼鐵礦已在礦區(qū)東南側3km處的孫家溝擬建遠期尾礦庫。因尾礦組成物質的特點，此處易發(fā)生水力侵蝕和風力侵蝕。尾礦庫形成

40、的邊坡坡度比較大（30°40°），等輸送尾礦的水蒸發(fā)后表面土體結構松散，膠結性比較差。夏季遇降雨邊坡將主要以面蝕、溝蝕、重力侵蝕為主，并在秋冬春季遭受風力侵蝕。所以尾礦庫采用鋪設植生草毯的方式，對尾礦庫進行植被恢復，此措施不僅施工簡單易行而且造價低、短期內能起到保持水土流失的功效。選擇植物種為荊條、胡枝子、堿茅。二、植被措施設計原則：（一）因地制宜、因害設防、適地適樹并結合鄉(xiāng)土樹種對植被破壞區(qū)進行恢復；（二）生態(tài)與綠色景觀相結合，選種耐旱耐生長的適宜植物，誘導鄉(xiāng)土植物入侵，促進植物群落的演替；（三）保持礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展的原則。三、植被恢復計劃如下：北京首

41、云鐵礦從2004年至2014年將由露天開采轉為坑內深部開采階段，根據(jù)水土保持工程與主體工程同時設計、同時施工、同時驗收的“三同時”制度要求，水土保持工程實施進度應與主體工程同步，各項水土保持工程的實施要與主體工程的施工進度相協(xié)調。總體防治目標為因地制宜地采取綜合防治措施，以排土場和尾礦庫水土保持為核心，全面控制項目生產(chǎn)過程中可能造成的新的水土流失，恢復和保護礦區(qū)內的植被和其它水土保持設施，有效治理防治責任范圍內的水土流失，達到地面侵蝕量顯著減少，主體工程安全保障加強，形成工程建設和生態(tài)環(huán)境治理協(xié)調發(fā)展的良性循環(huán)。本著積極穩(wěn)妥、盡快發(fā)揮效益的原則，合理使用資金、勞力、材料和機械設備，保證水土保持

42、工程的施工進度和工程質量。尾礦庫：尾礦庫采用鋪設植生草毯的方式，對尾礦庫進行植被恢復，此措施不僅施工簡單易行而且造價低、短期內能起到保持水土流失的功效。選擇植物種為荊條、胡枝子、堿茅。尾礦庫的選擇與計算(一)尾礦庫址的選擇 1、尾礦庫址選擇的基本原則為：    (1)不占或少占耕地，不拆遷或少拆遷居民住宅。    (2)選擇有利地形、天然洼地、修筑較短的壩堤(指壩的軸線短)即可形成足夠的庫容(一般應滿足貯存設計年限內的尾礦量)。當一個庫容不能滿足要求時，應分選幾個，每個庫容年限不應低于5年。    (3)

43、尾礦庫地址應盡可能選擇近于和低于選礦廠，盡量做到尾礦自流輸送，尾礦堆置應位于廠區(qū)、居民區(qū)的主導風向的下風向。    (4)匯雨面積應當小，如若較大，在壩址附近或庫岸應具有適宜開挖溢洪道的有利地形。    (5)壩址和庫區(qū)應具有較好的工程地質條件，壩基處理簡單，兩岸山坡穩(wěn)定，避開溶洞、泉眼、淤泥、活斷層、滑坡等不良地質構造。    (6)庫區(qū)附近需有足夠的筑壩材料。    (7)庫址、尾礦輸送和儲存方式、設施的確定，應進行方案比較。    (二)尾

44、礦庫的型式    尾礦庫是堆存尾礦的場所，多由堤壩和山谷圍截而成。按照地形條件及建筑方式，尾礦庫可分為山谷型、山坡型、平地型3種；按筑壩的方式劃分，可分為一次筑壩型(包括廢石筑壩)和尾礦堆壩型兩種。    (1)河谷型的尾礦庫。此種尾礦庫系由封閉河谷口而成。其優(yōu)點是壩身短，初期壩工程量較小，生產(chǎn)期間用尾礦堆壩也容易。缺點是積水面積大，因而流入尾礦庫內的洪水量大，使排水構筑物復雜。    (2)河灘型和坡地型的尾礦庫。利用河灘或坡地筑成的尾礦庫，通常是由三面圍筑而成。其優(yōu)點是積水面積小，排水構筑物簡單。缺點

45、是三面筑壩，壩身較長，初期壩工程量較大，生產(chǎn)期間用尾礦堆壩也較不便。    (3)平地型的尾礦庫。此種尾礦庫系利用平坦地段由四面圍壩而成。其優(yōu)點是積水面積小，排水構筑物簡單。缺點是四面筑壩，壩身長，初期壩工程量大，生產(chǎn)期間操作管理不便。這類尾礦庫通常是在當?shù)厝狈m當?shù)暮庸取⒑訛?、坡地或在上述兩類尾礦庫都不合適時才采用。    (三)尾礦庫等級的劃分    尾礦庫的等級根據(jù)其總庫容的大小和壩高按表2-1確定。表2-1尾礦庫等級表  級 別 庫容億m3 壩高m 工程規(guī)模 >1O >100

46、 大型 1.00.1 10060 中型 四 O1O01 6030 小一型 五 <0.0l <30 小二型 注：1庫容系指校核洪水位以下尾礦庫的容積；  2壩高系指尾礦堆積標高與初期壩軸線處壩底標高的高差；  3壩高與庫容分級指標分屬不同的級別時，以其中高的級別為準，當級差大于或等于兩級時可降低一級。    有下列情況之一者，按表2-1確定的尾礦庫等級可提高一級：    (1)當尾礦庫失事將使下游重要城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、鐵路干線遭受嚴重的災害者；    (2)當工程地質

47、及水文條件特別復雜時，經(jīng)地基處理后尚認為不徹底者(洪水標準不予提高)。    (四)尾礦場的計算    1庫容計算    為明確起見，先說明各種庫容名稱的含義，由圖22可以看出：    幾何庫容：是指初期壩、堆積壩邊坡與地形等高線封閉所形成的容積；    總庫容：是根據(jù)總尾礦量、調洪、礦漿水澄清及滲流控制條件所確定的與尾礦庫最終堆積標高相應的幾何庫容；    有效庫容：是指尾礦在尾礦庫中所占據(jù)的實際容積，以Vr表示：

48、    回水庫容：是指正常高水位與控制水位之間水的容積，以Vx表示；    調洪庫容：是指最高洪水位與正常高水位之間水的容積，以 VT表示；    死庫容：是指控制水位以下水所占的容積，以Vo表示；    空余庫容：是指最終堆積標高與最高洪水位之間未被尾礦充填的容積，以廠k表示。所有尾礦庫的Vk相應高度應滿足安全超高要求。  上述尾礦庫的庫容是經(jīng)常變化的。  (1)幾何庫容的計算。在地形圖上繪出初期壩壩坡和堆積壩壩坡，用求積儀測量出各封閉等高線的面積，按式

49、(21)計算：式中v幾何容積，m3；    ii=0、1、2、3，n，標高線序號；    j用求積儀測量封閉等高線3次，每次求積儀讀數(shù)序號；    k求積儀的面積系數(shù)，與地形圖的比例有關，求積儀說明書中給出；    xij第i個標高第J次求積儀讀數(shù)；    H第i條等高線的標高，rn。    (2)尾礦庫所需庫容的計算。尾礦庫的庫容應滿足選礦廠服務年限的要求。其所需庫容與選礦廠每年排出的尾礦量和服務年限有關，可按式(

50、22)計算：式中  Vz選礦廠在生產(chǎn)服務年限內所需尾礦庫的容積，mj；    w選礦廠每年排人尾礦庫的尾礦量，ta；    d尾礦的松散密度(即平均堆積干容重)，t/m3；    N選礦廠生產(chǎn)服務年限，a；    z尾礦庫庫容利用系數(shù)。    pd的確定，一般參考類似尾礦的勘察資料或實驗室的試驗資料確定；在無上述資料時，可參考表22確定。    z值的確定，一般應根據(jù)尾礦堆積的實際邊坡、尾礦沉積灘的水上、水

51、下沖積縱坡，繪出尾礦堆積平面圖，計算出尾礦的實際堆積容積(尾礦庫的有效庫容)，按下式計算尾礦庫庫容利用系數(shù)：表22   堆積尾礦的密度參考表  尾礦分類 各粒組顆粒的含量尾礦的松散密度 名稱 黏粒組<0.005mm 粉粒組0.0050.05ram 礫砂組 O052Omm pat·m一3 中尾砂 <5 <20 >O25mm多于50 1.501.40 細尾砂 <5 <20 >0.10mm多于75 1.401.35 尾粉砂 <5 <45 >50 1.351.30 尾亞砂 510 <60 >

52、30 1.301.20 尾亞粘 1030 <60 >10 1.201.10 尾礦泥 >30 <60 >10 1.101.00注：表中系按尾礦密度Pg=270tm3編制的，若尾礦密度不等于270tm3時，  堆積密度數(shù)值應乘以校正系數(shù)盧=Pg270。z=尾礦庫的有效庫容V，尾礦庫的總庫容    (23)在缺少尾礦沉積灘水上、水下縱坡資料時，可按表23確定。表2-3尾礦庫庫容利用系數(shù)參考表  庫容利用系數(shù)z 尾礦庫形狀及放礦方式 初 期 終 期 狹長曲折的山谷形、壩頂放礦 0.30 0.600.70 較寬闊的山谷形，單

53、向或兩向放礦 0.40 0.70O80 平地或山坡形，三面或四周放礦 0.50 O800.90根據(jù)式(2-2)的計算結果，查庫容曲線可得尾礦所需的堆積標高。  2尾礦澄清距離的計算  在尾礦水力沖積過程中，細粒尾礦隨礦漿水進入尾礦池，并需在水中停留一定時間(流過一定距離澄清距離)細顆粒才能下沉，使尾礦水得以澄清而達到一定的水質標準，澄清距離的計算參考圖23，采用式(2-4)計算。式中L所需澄清距離，m；    h1顆粒在靜水中下沉深度(即澄清水層的厚度)，一般不小于051Om，視溢水口的溢水深度而定，要求h1大于溢水口的溢水水頭，m；    平均流速，ms；    Q礦漿流量，m3S；    h2，礦漿流動平均深度，一般取為051Om；    n同時工作的放礦口個數(shù)，根據(jù)放礦管和分散管(主管)直徑而定，要求同時工作的放礦管斷面面積之和等于分散管斷面面積的兩倍，參考表24；|表2-4分散管直徑和放礦管直徑參考表  分散管直徑mm 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 70080