軟質(zhì)可壓縮性尾礦堆鋪筑技術(shù)綜述

軟質(zhì)可壓縮性尾礦堆鋪筑技術(shù)綜述

3干覆蓋層鋪設(shè)技術(shù)為了找到可壓縮性聚礦床使用的各種涂層覆蓋技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜合分析（表2）。現(xiàn)將分析結(jié)果綜述于下。3.1充填料的填充料和覆蓋層如果能夠允許坡面有少量滑塌(連帶或不連帶覆蓋層),則可以采用下述二種方法之一來(lái)填筑物料。第一種方法,在尾礦池排水之前,可將物料用水力方法填入或者從駁船上卸入,然后排出尾礦池內(nèi)的水,再將暴露出來(lái)的尾礦堆加以平整和覆蓋。此法簡(jiǎn)便安全,但可能需要大量填充料(因?yàn)樘畛淞峡赡軡B入細(xì)泥中并且與之混合),而且此法僅限用于處理那些仍被水覆蓋的細(xì)泥帶(以便于駁船駛?cè)?。第二種方法,可以采用傳統(tǒng)的運(yùn)土設(shè)備將填充料推入細(xì)泥帶。按此方法,有利于盡快地降低尾礦池水位?？焖倥潘畷?huì)誘發(fā)尾礦堆可能出現(xiàn)的滑坡,而后,存留的坡面就更加穩(wěn)定。細(xì)泥的較早暴露會(huì)受到風(fēng)干作用,因而又可使細(xì)泥帶初始表面強(qiáng)度有所增大。之后,便可采用輕型設(shè)備填鋪物料。覆蓋層鋪筑工作可能需要暫時(shí)停下,以便達(dá)到進(jìn)一步固結(jié)。這種將風(fēng)干與逐步推進(jìn)相結(jié)合的方法可能是最常見(jiàn)的做法,可是卻很少見(jiàn)到文獻(xiàn)報(bào)道。不過(guò)由于可能達(dá)到的覆蓋層推進(jìn)速度不確定而且施工過(guò)程中覆蓋層的穩(wěn)定程度也不確定,所以此法也并非總是適用的。3.2尾礦壩充填固結(jié)和穩(wěn)定孔隙的分析如果要求防止滑塌,則必須減小鋪筑覆蓋層時(shí)所施加的荷載。有三種方法可以做到無(wú)滑塌覆蓋層控制鋪筑。第一種方法:薄分層(如0.3～1.0m)鋪筑覆蓋物料。分段施工可以消除鋪筑各分層之間的剩余孔隙壓力。第二種方法:假如有供應(yīng)來(lái)源的話,可以鋪填較輕質(zhì)的覆蓋(填充)物料。例如,捷克共和國(guó)邁得羅法里(Mydlovari)尾礦壩采用煤灰作為輕質(zhì)填充料來(lái)覆蓋軟質(zhì)尾礦堆。第三種方法:采用地上(套筒)排料或者水下排料技術(shù)進(jìn)行水力鋪填覆蓋層。例如,納米比亞勒辛(Rossing)鈾礦采用地上排料法將尾砂鋪填到細(xì)泥堆上。此法只限用于尾礦堆坡面斜度約為1%～2%的區(qū)段,在坡面斜度大于尾礦灘肩角的區(qū)段,則需要將水力填筑的尾砂擋在小型阻擋臺(tái)(例如,采用填滿砂子的土工布管)的后面。水下填筑尾砂會(huì)形成比地上填筑大得多的水下灘肩坡度(達(dá)10%),所以要求不斷移動(dòng)排料點(diǎn)以達(dá)到比較均勻的鋪砂分層。起初,只是填砂的懸浮重量對(duì)細(xì)泥施加荷載。在這第一分層的荷載作用下細(xì)泥達(dá)到一定固結(jié)程度之后,尾礦池便開(kāi)始排水。這就使填砂分層圖5按3種不同覆蓋層鋪筑方案施工過(guò)程中靠近表面的分層內(nèi)的模擬剩余孔隙壓力細(xì)泥的巖土工程特性。從浮動(dòng)平臺(tái)上對(duì)細(xì)泥帶進(jìn)行鉆探并使用專門的真空取樣器取樣,再送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。這第一次的巖土工程研究結(jié)果列于表1。數(shù)據(jù)分析表明:實(shí)驗(yàn)室內(nèi)確定的固結(jié)參數(shù)是不夠精確的,預(yù)測(cè)不出細(xì)泥的未來(lái)固結(jié)狀況。所以改用模擬細(xì)泥帶填充與重力固結(jié)的方法來(lái)確定固結(jié)參數(shù)。實(shí)質(zhì)上,尾礦壩填充就是一次大規(guī)模固結(jié)儀測(cè)試,采用試湊法不斷調(diào)整固結(jié)參數(shù)(即:e→σ′與kf→e這二個(gè)關(guān)系式),直至與目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件(孔隙比曲線)達(dá)到良好吻合為止。這樣做,固結(jié)參數(shù)便按實(shí)地比例進(jìn)行了修正,使下一步預(yù)測(cè)模擬具有了很高的可信度。模擬尾礦壩填充與重力固結(jié)過(guò)程需要采用非線性有限應(yīng)變(NLFS)模型,這種模型考慮了細(xì)泥的非線性固結(jié)特性以及壓縮性很大的尾礦細(xì)泥沉降過(guò)程中產(chǎn)生的巨大應(yīng)變。圖2示出的是黑爾姆斯多夫尾礦壩中部按二種細(xì)泥帶狀況使用NLFSACCUMV模型模擬出的孔隙比與剩余孔隙壓力關(guān)系曲線。使用同一組固結(jié)參數(shù)[e=-0.5·logσ′(kPa)+2.2和e=1.8·logkf(m/s)+17.2]便能很好地模擬出這二種細(xì)泥帶狀況的孔隙比。遺憾的是,在做這項(xiàng)研究的當(dāng)時(shí)沒(méi)有掌握細(xì)泥堆剩余孔隙壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),無(wú)法進(jìn)行修正工作。不過(guò),模擬出的細(xì)泥堆較高的剩余孔隙壓力(圖2)與在細(xì)泥帶觀測(cè)到的較低的實(shí)地抗剪強(qiáng)度(圖3)是相一致的。然后,使用經(jīng)過(guò)修正的固結(jié)模型來(lái)估算鋪裝了裝有或者不裝垂直帶狀排水器的臨時(shí)覆蓋層之后產(chǎn)生的總沉降量和沉降率。用一維模型模擬各個(gè)單一水平分層的固結(jié)過(guò)程概略得出了安裝垂直排水器的結(jié)果。圖4示出了在鋪筑一層厚度為2m的不裝或者裝有深部垂直帶狀排水器(水平間距4m)的臨時(shí)覆蓋層的條件下模擬出的相對(duì)沉降量。模擬結(jié)果表明:1)相對(duì)沉降量應(yīng)為細(xì)泥堆總厚度的20%左右(即達(dá)到4.5m總沉降量);2)安裝深部垂直排水器會(huì)使沉降速度加快一個(gè)數(shù)量級(jí)(即達(dá)到90%相對(duì)沉降量的所需時(shí)間可從～25年縮短到～1.2年)。將相對(duì)沉降量的模擬值按包括中間帶和細(xì)泥帶在內(nèi)的整個(gè)區(qū)段進(jìn)行外插,估算需要處理的污染孔隙水量和在鋪筑最終覆蓋層之前需要填入的物料量。鋪筑臨時(shí)覆蓋層后由壩內(nèi)尾礦滲出的孔隙水總量估計(jì)約為140萬(wàn)m3。估計(jì)的沉降尾礦堆表面用于形成最終地表平面。填充料層(在細(xì)泥帶中部)的最大厚度估計(jì)約為6m。應(yīng)當(dāng)指出的是:填入這部分補(bǔ)充物料會(huì)使細(xì)泥帶的沉降量有所增大,雖然增大不算多(圖4)。初步穩(wěn)定性計(jì)算表明:即使在采用高強(qiáng)度土工網(wǎng)格或土工布加強(qiáng)構(gòu)件的條件下,細(xì)泥帶未排水(實(shí)地)抗剪強(qiáng)度也承受不了由廢石組成的設(shè)計(jì)厚度2m的臨時(shí)覆蓋層的鋪筑作業(yè)(總荷載約36kPa)。得出的結(jié)論是:為了在合理的時(shí)間框架內(nèi)成功地進(jìn)行覆蓋工作,必須采用一種能夠達(dá)到并且利用覆蓋層鋪筑過(guò)程中的增高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與施工方法(即“有效強(qiáng)度設(shè)計(jì)法”)。采用帶狀排水器和加重荷載以加快固結(jié)速度,采用水平加強(qiáng)構(gòu)件以保持施工過(guò)程中的穩(wěn)定性,這樣就可以控制覆蓋層鋪筑過(guò)程中可壓縮性土壤內(nèi)產(chǎn)生的剩余孔隙壓力。采取固結(jié)分析與穩(wěn)定性分析相結(jié)合的做法評(píng)估了使用薄層鋪筑技術(shù)進(jìn)行覆蓋層無(wú)滑塌控制鋪筑的可行性。對(duì)淺置帶狀排水器(均裝到尾礦堆頂面以下7m)水平間距與分層鋪筑時(shí)間(t)各不相同的3種不同方案進(jìn)行了評(píng)估(表3)。方案1中,垂直排水器采用很密的安裝距離(間距0.8m),為的是不必預(yù)先固結(jié)便可分段施工。方案2和方案3中,從浮在尾礦池內(nèi)的駁船上安裝帶狀排水器(間距1.5m),可使尾礦堆預(yù)固結(jié)。方案3中,采用水下方法鋪筑第一分層(借助其懸浮重量來(lái)預(yù)先加載)以增強(qiáng)固結(jié)作用。對(duì)于每種方案都采用NLFS固結(jié)模型模擬了每個(gè)細(xì)泥分層中剩余孔隙壓力的消失與沉降狀況。圖5示出了按照所分析的3種方案施工過(guò)程中靠近表面的細(xì)泥分層(0.8～1.6m深度)內(nèi)剩余孔隙壓力消失狀況的模擬結(jié)果。然后將模擬剩余孔隙壓力輸入到坡面穩(wěn)定性模型(SLOPE/W)并且按關(guān)鍵施工時(shí)間(即覆蓋層鋪筑的時(shí)間)模擬穩(wěn)定性。取不同的施工機(jī)械荷載和不同的尾礦堆坡度,按每一分層的推進(jìn)程度,評(píng)估了坡面穩(wěn)定性。圖6所示為方案2的典型模型構(gòu)成與最低安全系數(shù)條件下的滑動(dòng)圈(假設(shè)使用D3型機(jī)械按5%坡度鋪筑最后分層)。根據(jù)坡面穩(wěn)定性分析得出的結(jié)論是:鋪筑第1分層一般來(lái)說(shuō)都是最關(guān)鍵的。為了完全在“干態(tài)”下施工(方案1),必須按0.8m水平間距安裝淺置帶狀排水器并且使用像Bobcats這類很輕型的鋪筑設(shè)備。如果從尾礦池表面安裝帶狀排水器并且在鋪筑覆蓋層之前進(jìn)行了1年的排水(方案2),則排水器間距可加大到1.5m。如果安裝了帶狀排水器并且采用水力方法鋪筑了厚0.3m的初始分層(方案3),則可以使用較大型的鋪筑設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn):在尾礦池側(cè)部坡面上,較陡的灘肩坡度的影響是很大的。模擬結(jié)果說(shuō)明:必須采用較小型的鋪筑設(shè)備或者增強(qiáng)土工加強(qiáng)構(gòu)件。研究發(fā)現(xiàn):固結(jié)分析與穩(wěn)定性分析對(duì)于模型輸入?yún)?shù),尤其是非線性關(guān)系式e→σ′和kf→e是十分敏感的。得出的結(jié)論是:確定實(shí)地參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及按實(shí)地比例檢驗(yàn)覆蓋層鋪筑技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證初始模擬結(jié)果是至關(guān)重要的。目前正在黑爾姆斯多夫尾礦壩(以及WISMUT公司的其他尾礦壩)的細(xì)泥帶進(jìn)行幾項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果將用于改進(jìn)固結(jié)模型和穩(wěn)定性模型,以提高供給最終設(shè)計(jì)用的預(yù)測(cè)結(jié)果的精確度。5應(yīng)用固結(jié)模型與坡面穩(wěn)定性模型相結(jié)合的規(guī)則在尾礦壩土地復(fù)墾期間,尚未固結(jié)的尾礦堆的抗剪強(qiáng)度低、車輛通行條件差,而且其沉降量大,因此在這種特軟質(zhì)可壓縮性細(xì)粒尾礦(“細(xì)泥”)帶上進(jìn)行覆蓋層施工往往會(huì)提出難以對(duì)付的挑戰(zhàn)。干式覆蓋層的最佳鋪筑技術(shù)(或數(shù)種技術(shù)的結(jié)合施工方法)是因地而異的