四等\五等尾矿库一次性筑坝设计要点探讨

摘要：近期，国家安监总局等五部门联合下发了《关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见》，明确提出新建四、五等尾矿库应当优先采用一次性筑坝方式。我国四、五等尾矿库数量众多，安全基础条件相对比较薄弱，采用一次性筑坝方式能显著提高尾矿坝的安全性，减少坝体滑动失稳和渗透破坏的可能性。一次性筑坝工艺要求较高，对于已习惯上游式筑坝的设计和建设单位，属于新的课题。本文对一次性筑坝坝型选择、筑坝材料要求、排渗防渗、排洪、尾矿排放等做了简要介绍，希望本文能抛砖引玉，为一次性筑坝工艺在中小型尾矿库建设中大规模推广起到一定的促进作用。

关键词：一次性筑坝；混凝土坝；基础；溢洪道

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1 前言

我国四五等尾矿库众多，根据2010年底的统计数据，四、五等库占全国各类尾矿库95%以上，达到11000多座。与四五等尾矿库多而小的现状，伴随的是安全基础条件相对比较薄弱，安全事故率较大型尾矿库要高。如近年造成重大人员伤亡陕西商洛镇安金矿尾矿库、辽宁海城西洋铁矿尾矿库、山西襄汾县新塔矿区尾矿库、广东信宜紫金矿业尾矿库都是四等或五等尾矿库。另一方面，我国中小型尾矿库90%以上采用上游式筑坝方式。上游法筑坝虽然排放、运行成本较低，在我国积累了丰富的筑坝经验，但是对安全及环境影响较大。由于上游式筑坝采用水力冲填的方式向尾矿库上游排放尾矿浆，形成的坝体没有坚硬的坝壳保护，浸润线常常从堆积坝坡上逸出，容易出现滑动失稳和渗透破坏的现象。近期，国家五部门联合下发了《关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见》（安监总管一[2012]32号），明确提出新建四、五等尾矿库应当优先采用一次性筑坝方式，为尾矿库实现安全、环保排尾指明了方向。本文将阐述一次性筑坝方式的定义及在安全和环保等方面的优势，提出一次性筑坝坝型选择、筑坝材料要求、排渗防渗、排洪、尾矿排放方式等设计要求，供有关矿山设计和运营单位参考。

2 一次性筑坝方式的优势

顾名思义，尾矿库一次性筑坝即把拦挡坝作为库区尾矿堆积体和放矿水及洪水的唯一拦挡方式，没有了尾矿后期堆坝。一次性筑坝方式强调尾矿坝没有了后期分级堆筑的子坝，但并不否定拦挡坝可以分期建造。四等尾矿库的标准是坝高小于60m或库容小于1000万m3，然而修建60m高的拦挡坝不是易事，可根据尾矿排放堆积速率分期建造。与常规的上游式筑坝方式相比，中小型尾矿库一次性筑坝存在以下优点：

（1）尾矿坝安全稳定性好。拦挡坝与周围山体形成一个盆状容器，容纳尾矿砂，不形成临空的尾砂堆积边坡。排放的尾矿砂外侧有一个强度较高的坝壳，从而减小了尾砂堆积边坡滑动的可能性，提高了尾矿坝坡的抗滑安全系数。一次性筑坝一般多采用土石作为拦挡坝的坝体材料，拦挡坝坝体较厚，由渗流而导致的渗透破坏可能性也大为降低。在地震工况下，即使库区内部的尾矿振动液化，由于外部强度较高的坝壳阻挡，丧失强度的尾矿堆积体一般不会流滑至下游区域。

（2）排洪设施相对简单经济。一次性筑坝坝顶高程固定，可采用溢洪道进行排洪，溢洪道泄流底坎高度位于坝顶高程以下，由调洪演算确定。溢洪道相对井―管（洞）、斜槽等排洪设施有泄量大、工程量小、造价低、施工简便、方便维修的优点。

（3）有利于细粒尾矿排放。以往细颗粒尾砂堆筑尾矿坝难度较大，无法由尾砂形成稳定的坝体，经常采用废石、山皮土修建子坝，而且有些还需对尾矿坝进行加筋处理，这些措施实施比较复杂，投资较大，且需要贯穿尾矿库整个运行过程。采用一次性筑坝之后，细粒尾矿浆可直接向库区排放，避免了修建子坝等技术难题。

3 一次性筑坝设计要点

尾矿库一次性筑坝相当于具有高淤积泥沙的水库大坝，与黄土高原上用于水土保持的淤地坝十分类似，可按照水利水电工程有关设计规范设计。

3.1 坝型选择

尾矿库一次性筑坝按筑坝材料分类可分为土石坝、混凝土坝、浆砌石坝等；按结构受力特点分类：重力坝、拱坝、支墩坝等。按透水性分类：透水坝、不透水坝。加拿大、智利等国家也有采用混凝土拱坝作为尾矿库的拦挡坝的案例，我国尾矿库基础坝建设中土石坝、重力坝应用相对较多，本文仅对土石坝和重力坝作重点介绍。

土石坝一般采用堆石坝、碾压式土坝。土石坝有以下优点：①就地取材，节省钢材水泥木材等材料，同时减少了筑坝材料的远途运输；②结构简单，便于维修和加高扩建；③坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，因此对地基的要求低；④施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。土石坝的缺点：①体积相对较大，占地面积大；②粘性土料的填筑受气候等条件影响较大，影响工期；③坝身需定期维护，增加了运行管理费用。

重力坝一般采用混凝土坝和浆砌石坝。重力坝有以下优点：①相对安全可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；②设计、施工技术简单，易于机械化施工；③对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝；④体积相对较小，占地面积小。重力坝的缺点是：①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；②坝体体积大，耗用水泥多；③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。

采用一次性筑坝时，一般要对两种以上坝型进行比选，选择技术经济指标较优的坝型。

3.2 筑坝地基要求

土石坝对地形、地质条件要求低，大部分不良地基经过处理后都可堆筑土石坝。重力坝对基础要求相对高，基础经处理后应满足下列要求：①具有足够的强度，以承受坝体的压力；②具有足够的整体性和均匀性，以满足坝体抗滑稳定和减小不均匀沉降；③具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定；具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）[1]要求，坝高超高100m时，可建在新鲜、微风化下部岩基上；坝高100~50m时，可建在微风化至弱风化中部岩基上；坝高小于50m时，，可建在弱风化中部至上部岩基上。

3.3 筑坝材料要求

土坝坝体材料以土和砂砾为主；堆石坝以石渣、卵石、爆破石料为主；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。坝体材料起着保持坝体稳定的作用，应具有较高的抗剪强度和抗滑动性，料场开挖的无黏性土（包括砂石、砾石、卵石、漂石等）、石料和风化料、砾石土均可作为筑坝材料，但应根据材料性质用于坝体的不同部位。

坝体筑坝土石材料应具有与其使用目的相适应的工程特性，并具有长期稳定性；以就地、就近取材少占或不占农田为原则；应具有便于开采、运输和压实的特点；坝体材料的开采应尽量避免破坏生态环境。

由于一次性筑坝坝体堆筑方量一般较大，堆石坝可利用选矿厂甩尾废石、采矿场剥离废石（符合筑坝要求）进行堆筑，利用废石筑坝是一次性筑坝首选。有条件的可与排土场联合使用，既节省筑坝费用，又增加坝体稳定性。有防渗要求的尾矿库可采用碾压式土坝。为节约成本，增加投资收益率，土石坝可采用分期建设，逐渐加高的形式进行堆筑。

重力坝的建筑材料主要是混凝土，也有部分工程采用毛石混凝土、浆砌石。对坝体混凝土除要满足相应的强度要求，还应满足其所处环境条件下的耐久性要求。由于混凝土的强度随育龄期增长，大坝施工期又较长，一般采用混凝土的后期强度进行设计，并在确定混凝土强度等级时应同时规定设计育龄期。混凝土的耐久性是指其抗渗、抗冻、抗磨蚀、抗侵蚀、抗裂、低热等性能。坝体的抗渗可根据其承受的水头、渗透坡降及下游排渗条件等来选取混凝土的抗渗标号；坝体的混凝土的抗冻可根据坝体所在的地区气候条件、工作条件等来选取混凝土的抗冻标号；提高混凝土的抗磨蚀性，应采用高标号的硅酸盐水泥，硬度大且耐磨性好的骨料，经量减少水泥砂浆用量，提高水泥和骨料的粘结力；当环境水具有侵蚀性时，应根据侵蚀环境的特点选用适宜品种的水泥和骨料、提高混凝土密实度、或加做保护层，减缓水的渗透作用和侵蚀破坏速度；为防止坝体内产生温度、干缩和应力裂缝，通常采取合理分缝、分块和采取必要的温控措施及表面保温措施，尽量采用低热水泥，提高混凝土的均质性和抗裂能力；混凝土的低热性主要采用低热水泥和降低水泥用量来实现，在坝底、坝体内部和防渗抗裂重要部位，应尽量采用低热水泥，也可采用降低入模温度，通冷却管等措施降低混凝土水化热。

3.4 调洪库容

与常规的上游式尾矿库依靠排放的尾矿干滩坡面调节洪水不同的是，一次性筑坝利用尾矿滩面高程和拦挡坝坝顶高程之间的空间调节洪水，因而调节能力较大。但是，随着尾矿排放的增加，尾矿库调洪库容也相应减少，当达到最小控制调节库容时（一般由最小超高控制），应采取闭库或者加高拦挡坝的措施。

按照水库的特征水位确定方法，一次性筑坝尾矿库也相应要确定以下特征水位。

3.5 排洪构筑物

溢洪道是水库大坝最主要的排洪设施之一，泄流量大，管理方便，因而得到了广泛应用。但是，在常规的上游式尾矿库工程中应用不多，主要是受尾矿逐渐加高的影响，堰顶也要相应调整，管理不便。一次性筑坝尾矿库拦挡坝坝顶高程一般不变，如地形条件适宜设置溢洪道，应首选采用溢洪道泄洪。

溢洪道根据溢流堰与泄槽相对位置的不同，又可以分为正槽式溢洪道和侧槽式溢洪道，前者大多利用坝址附近合适的马鞍形地形布置，以节省开挖土量；但当坝址附近缺乏这种可以利用的地形，如布置正槽式溢洪道开挖方量过大以及在经济上，技术上都有困难时，则往往采用侧槽式溢洪道。溢洪道一般由进水段、泄槽、出口消能设施三部分组成。

溢洪道的布置和形式应根据库区水文、坝址地形、地质、水流条件、放矿方式、施工、管理条件以及造价等因素，根据技术经济综合比较后确定。

有的一次性筑坝尾矿库没有修建溢洪道的地形或地质条件，经比选后，还可使用常规的上游式尾矿库常用的溢流井（斜槽）-隧洞（涵管）等方式泄洪。

3.6 尾矿排放方式

上游式尾矿库一般在坝前放矿，矿浆向库尾流动。对于一次性筑坝的尾矿库，既可以采用坝前放矿也可采用库尾放矿方式。坝前放矿，靠近拦挡坝位置的尾矿堆积体大部分是非饱和的，可降低坝身侧水压力与扬压力，进而使坝体剖面单薄，降低筑坝工程造价。库尾放矿，拦挡坝坝前积水，能减少排洪系统的工程量。沈楼燕曾报道了一种库尾放矿的尾矿库[2]，缩短了排洪系统70%以上的工程量，降低了排洪系统施工费用。

3.7 尾矿库防渗与排渗

采用一次性筑坝后，拦挡坝坝体是否采用防渗取决于尾矿库内贮存物质有害性。如从环保的角度考虑，由拦挡坝与周围山体形成一个不允许有害物质扩散的盆状容器，那么拦挡坝及尾矿库库盆应该采取防渗措施。常用坝体防渗措施有粘土心墙、粘土斜墙、均质土坝、沥青混凝土心墙、混凝土面板、土工膜心墙等，坝基防渗措施有帷幕灌浆、混凝土截渗墙、截水槽等。上游式尾矿坝从降低浸润线、确保渗流稳定和抗滑稳定的角度出发，要求初期坝采取透水坝型。如一次性堆筑的拦挡坝采用透水坝型，也可降低堆积体内的浸润线，减少库内堆存的尾砂和水对拦挡坝的侧水压力和侧土压力。采用一次性筑坝工艺后，是否设置坝体与坝基的防渗取决于环保要求，安全要求不占决定性作用。

4 结语

国家五部门联合下发了《关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见》明确提出新建四、五等尾矿库应当优先采用一次性筑坝方式，为中小型尾矿库设计、建设指明了方向。尾矿库一次性筑坝相当于具有高淤积泥沙的水库大坝，与黄土高原上用于水土保持的淤地坝十分类似，可按照水利水电工程有关设计规程设计。本文对一次性筑坝尾矿库的坝型选择、筑坝材料要求、排渗防渗、尾矿库排洪、尾矿排放方式等设计要点做了探讨。总体而言，目前除了少量特细粒径尾矿库和有特殊环保要求的尾矿库之外，我国尾矿库采用一次性筑坝工艺的还很少，还需要积累和总结经验，为四、五等尾矿库大规模采用一次性筑坝方式做技术准备。

5 参考文献

1. 中华人民共和国水利行业标准. 混凝土重力坝设计规范.SL319-2005

2. 沈楼燕, 尾矿库双设计洪水频率的联合排洪系统.有色金属[J].2008.60(4):50-52.