2.2尾矿堆积坝设计

尾矿库结构与设计中南大学资源与安全工程学院刘志祥[e-mail]13207475458尾矿库的类型尾矿库设计建设内容尾矿库的选择尾矿坝的设计排水构筑物设计库址的选择尾矿库的布置设计所需资料库容及坝高尾矿库的等级坝址的选择初期坝的设计尾矿堆积坝设计类型及布置排水系统设计(1)山谷型在山区和丘陵地区，多利用自然山谷，三面环山，在谷口一面筑坝建库；(2)山坡型在丘陵和湖湾地区，利用山坡洼地，三面或二面筑坝；(3)平地型在平原、沙漠地区，在平地筑坝建库；(4)截河型尾矿库，拦截河流作为尾矿库。1.尾矿库的选择根据地形条件不同，尾矿库可分为如下类型。在平地四周筑坝平地型初期坝长，工作量大，基建费用高，尾矿堆坝工作量大，管理维护复杂，安全性差，只在无适合的山谷做尾矿库时才选用利用山坡阶地二面或三面筑坝山坡型初期坝短，工程量小，基建费用省，尾矿堆坝工作量小，管理维护简单，应优先选择在谷口一面筑坝山谷型特点初期坝平面形式库型ACBA图为山谷型尾矿库B图为山坡型尾矿库C图为平地型尾矿库尾矿库尾矿库的选择在很大程度上决定尾矿设施基建费和经营费的多少以及管理工作的繁简。选择尾矿库考虑下例原则：1.1尾矿库库址选择1、不占或少占耕地，不拆迁或少拆迁居民住宅；2、距选矿厂近，尽可能自流输送尾矿：3、有足够的库容(使用年限不应少于五年)；4、汇雨面积小；5、坝址及库区工程地质条件好；6、处于厂区和大的居民点下游，并最好位于下风向；7、库区附近有足够的筑坝材料：8、节省基建投资和经营费用。1.1.1尾矿数量及特性对库址选择的影响尾矿的数量，粒度和矿浆的浓度、成份是决定尾矿库规模及形式的重要条件，是选择库址的重要依据。尾矿库的库容应能满足尾矿数量及其相应的服务年限。一般最低的服务年限不能少于5年(目前建设一个新尾矿库需要3～5年的时间)。一般应按矿山的储量来选择尾矿库，如地形条件允许，最好一个矿山用一个库来堆存尾矿。尾矿的粒度决定了是否能用尾矿堆坝。目前，粉砂类和砂类尾矿可用以堆坝，也可以堆高坝，泥类尾矿则堆坝高度受到一定限制。冶金工业部建筑科学研究院研究认为，尾矿颗粒粒径0.02mm是筑坝颗粒粒径界限。如尾矿中0.02mm颗粒达25%-30%就可以考虑用尾矿筑坝，但坝高及坝体上升速度受到限制，如果尾矿中平均粒径为0.03mm，0.02mm达到50%以上，0.037mm达到30%以上，则应考虑用尾矿筑坝。矿浆的浓度对于尾矿的处理方式也有一定的影响。尾矿浓度也影响沉积滩的坡度，这对尾矿库的库容规划也是有影响的。尾矿浆的成份包括尾矿和尾矿水的成份，影响到尾矿库的选型和水处理设施。1.1.2地形地质条件对库址选择的影晌(1)地形条件对库址选择的影响对山谷型尾矿库来说，河床坡度要缓，有一段窄的口子可作坝址，对于中线式和下游式堆坝法还要求有一定长度，库内比较开阔，同时要考虑邻谷的相互影响，山坡型尾矿库址要求山坡坡度较缓；平地型尾矿库则以能找到封闭形的洼地为宜。(2)地质条件对库址选择的影响库区内有无不良地质构造，如断层、滑坡，溶洞等，对建库后可能产生影响。库址的地质条件应注意渗流、塌方和泥石流三个问题。1)渗漏问题主要是了解库区周围的岩层性质和地质构造条件，以及地下水位和地下水的补给条件。2)坝基及库岸的稳定主要是了解库区有无滑坡体，有没有放矿后引起库岸滑塌的条件，应特别注意坝肩附近及排水构筑物进出口附近有无这种滑坡体。3)泥石流问题主要分析库区有无产生泥石流的条件。充分考虑泥石流的产生对泄洪设施及坝体安全造成的影响及应采取的防范措施。1.1.3尾矿库库址选择的其他影响条件尾矿库的淹没条件经常是选择库坝址的重要因素。要考虑库区淹没范围的农田，林木等数量及居民户数和人口。对附近居民水源及下游水库、河道等水质有无影响。库区内有无矿产，库区与采矿场关系。对附近铁路，主要公路等及公用设施有无影响。对周围名胜古迹有无影响，必要时要作文物勘察。库区最好位于工业和居民区下游与常年主导风向下方。尾矿库布置是尾矿库选址过程的组成部分。从某种程度上讲，尾矿布置方案有无限多种，但它必须与各种地形背景相适应。1.2尾矿库的布置环型跨谷型山坡型尾矿库1.2.1环形在没有天然凹地的平坦地区，最适合采用环型尾矿库。这种布置方案，相对于其库容量而言，其所用筑坝材料量较大。由于尾矿库全封闭，所以消除了来自外部的地表径流量，汇水仅是尾矿库表面直受降雨量。环型尾矿库一般按规则几何图形布置，因此便于采用任意类型垫层。1.2.2跨谷型跨谷型尾矿库是由尾矿坝跨过谷地两侧拦截成尾矿库，布置型式近乎同于普通蓄水坝，可分单一尾矿库（图a）和多级尾矿库（图b），因适用性广泛而为世界所普遍接受。跨谷型尾矿库尽可能靠近流域上游布置，以减少洪水流入量。在采用多级型尾矿库时，最上级尾矿库因容积小而负担洪水压力大，需要精心控制地表水。1.2.3山坡型山坡型尾矿库三面采用尾矿坝封隔，所需筑坝材料量比跨谷型布置多。尾矿库的全库容是指某坝顶标高时全部库容。尾矿库的总库容是指最终堆积标高时的全库容。初步设计时考虑所需库容计算dyNSW1.3尾矿库库容计算式中N——设计服务年限，年，S——年尾矿量，t／a;η——库容利用系数γ——尾矿平均堆积干容重库容确定后即可根据库容曲线确定总坝高H0。为了确保坝体安全，坝顶与最高洪水位之间需留有最小安全超高和最小滩长。上游式尾矿坝的最小安全超高与最小滩长坝的级别12345最小安全超高（m）1.51.00.70.50.4最小滩长（m）150100705040沉积滩的最小安全超高和最小滩长，详见《尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）尾矿库的等级决定防洪标准及库内构筑物的级别，而构筑物的级别决定结构安全度1.4尾矿库的等级尾矿坝包括初期坝和堆积坝，尾矿坝的设计分为初期坝和堆积坝两部分。初期坝是用非尾矿的材料筑成，其主要作用是为以后的尾矿堆积坝打基础，又称基础坝。2.尾矿坝的设计尾矿坝初期坝是用非尾矿的材料筑成，其主要作用是为以后的尾矿堆积坝打基础。初期坝作为尾矿坝的支撑棱体，应具有较好的透水性，以便使尾矿堆积坝迅速排水，加快固结，有利于稳定。坝型选择应考虑就地取材、施工方便、节省投资。2.1初期坝的设计2.2.1初期坝的坝型根据目前国内所用筑坝材料和施工方法，初期坝(包括尾矿库挡水坝)坝型可归类如下表所示。初期坝按是否透水可分为两种基本类型。不透水坝这是一种以防渗为目的的坝型。由粘土、钢筋混凝土、土工薄膜、沥青等材料作防渗体的堆石坝。透水坝这是一种在坝体内进行有组织的排水，允许有组织有计划渗水的坝型。初期坝的坝型选择主要应根据当地具体条件，贯彻因地制宜，就地取材的原则。2.2.2筑坝材料的选择和设计对于各种不同的筑坝材料，相应配备不同的碾压和运输设备，就能够更经济、合理地利用各种材料。筑坝材料的种类粘性土主要作为坝体防渗材料，亦可用作均质坝或混合式土石坝的坝体材料；非粘性土主要是指砂、砂砾料，这种材料主要用作填筑坝体和排水、反滤料(或过渡层)等；砾质土(包括碎石土)可选作良好的防渗材料或筑坝材料；堆石(包括石碴)、块石主要用作填筑坝体和块石护坡等。2.2.3初期坝坝高的确定初期坝坝高的确定必须满足初期储存容积、堆积坝稳定、水质澄清和防洪等要求。(1)初期储存容积设计规定，对上游法堆坝，初期坝所贮存的设计尾矿量，一般应根据选矿厂投产后0.5年的排出量确定。(2)堆积坝的稳定性初期坝的坝高对后期坝的稳定有很大的作用。它是后期坝坡脚的一个支承体。如果采用透水堆石坝，则对后期坝的浸润线有一定的作用。一般选1/4~1/6的总坝高为宜。(2)水质澄清的要求排水口处要有0.5～1.0m的澄清水深。(3)满足防洪要求初期坝高要求满足调洪库容。2.2.4坝体工程量估算先将坝址处河谷断面形状简化为抛物线形或梯形，然后按下式计算：)8.0(32HmbHLV)()(21HkmbHLlV对于抛物线形河谷断面对于梯形河谷断面式中：V—坝体工程量，m3；L·l—河谷横断面上、下底宽，m；H—坝高，m；b—坝顶高度，m；m—内、外坝坡系数平均值；k—系数石料抗压强度不低下400Kg/cm2；堆石孔隙率n=35～40%，砌石孔隙率为n=25～30％；软化系数大于0.8，硬度大于3；干砌石方，最小边长大于0.2米，长短边之比不大于4。透水堆石坝人工开采的块石或采矿废石等作坝材，透水性好，可大大降低坝体浸润线，有利于坝体稳定。①对筑坝石料的要求：花岗岩、正长岩、辉长岩、闪长岩、石英岩、斑岩、辉绿岩、硅质砂岩及石灰岩等均适于筑坝；而页岩、角砾岩、泥灰岩等不适于筑坝。2.2.5坝体构造及计算②坝顶宽度坝顶宽度有交通要求时，按行车需要确定；无行车要求时，按尾矿操作工艺确定，但不小于下表数值。坝高（米）1010~2020坝顶宽（米）≥2.5≥3.0≥4.0坝顶最小宽度表③坝坡坝坡与坝体构造、材料性质、坝高、施工质量、坝基地质及地震烈度有关，一般取值应小于堆石自然安息角，通过计算确定。④反滤层反滤层可采用砂砾碎石料，或采用土工织物滤层。通常由砂、砂砾、碎石(卵石)组成，每层厚度0.2～0.4米。反滤层通常设置三层，为便于机械化施工设置二层，但应加大反滤层厚度。⑤土工织物滤层通常采用300g/m2以下的产品，铺设时，土工织物滤层下面应找平或垫以l0～20厘米砾石层，使之受力均匀。减小沉陷的措施：控制堆石的级配，砾石不超过5％；抛石高度加大并使用震动辗压方法；预留沉陷或位移幅度，如在平面上坝轴线稍凸向上游。⑥堆石坝的变形堆石坝的变形有垂直沉陷，水平位移和侧向位移。堆石坝的沉陷量可达坝高的0.5～5％；水平变形为垂直沉陷量的50～70％。不透水堆石坝适用条件当尾矿水含有害物质，以防对下游环境污染时；尾矿过细不能堆坝；要求尾矿库内回水，而坝下游回水不经济时。定向爆破筑坝定向爆破筑坝适用于不设防渗体的堆石坝，在一定的地质、地形条件下是多快好省的筑坝方法。最小抵抗线和临孔面示意图土坝土坝施工方便，投资较省，在缺少砂石料地方被常常采用。由于土料透水性差，必须做好土坝的排渗设施，以降低尾矿坝的浸润线。坝体构造(1)坝顶:坝顶宽度一般不小于3米，为了排除雨水，坝顶面宜向外坡倾斜，坡度建议采用2～3％。(2)坝坡:坝坡坡度取决于坝型、坝高、土壤种类，地基性质及渗透条件，初步确定可参考下表选取。坝高（米）边坡上游下游5~101:21:1.75~1:2.010~201:2.51:2.0~1:2.520~301:3.01:2.5~1:3.0坝坡初步估计参考表(3)排渗设施1)斜卧层+褥垫(或网形排渗带)；（如左图a所示）2)排渗管(或网形排渗带)+排渗管(或网形排渗带)；（如左图b所示）3)梭体+褥垫层(或网形排渗带)；（如左图c所示）排渗设施主要形式(4)护坡坡内坝一般不设护面，但为防止投产初期放矿时，在坝面上冲成小沟，可采取适当措施。对于坝顶和外坡，建议采用下列方法护面：铺种草皮或种植茅草；在坝肩与坡脚设截水沟和排水沟；为了排除雨水，下游坡的马道在横向、纵向都应有一定的坡度。(5)坝与坝基及岸坡的连接土坝与坝基及岸坡的连接，应使连接处不产生集中渗流和存在软弱夹层，以防不均匀沉降时，坝体产生裂缝。在任何情况下，坝体与岸坡结合均应采用斜面联接，不得将岸坡清理成台阶式，更不允许有反坡。初期坝用土、石材料修筑，后期坝用尾矿砂堆筑而成。初期坝在基建时期由施工单位修筑，而后期坝由生产单位逐年修筑。尾矿坝是尾矿库中最主要的构筑物，目前尾矿的湿法堆积形式有上游法、中线法、下游法、高浓度尾矿堆积法和水库式尾矿堆积法(尾矿库挡水坝)等五种。2.2尾矿堆积坝设计(1)上游式堆坝法这是我国目前普遍采用的方法，筑坝工艺简单。一般多在沉积干滩之上取库内粗尾砂筑高1～3m左右的子坝，常将放矿支管移至子坝上分散放矿，待库内充填尾砂与子坝坝平时，再向内移一定距离再筑子坝。又将放矿管移至新的子坝上放矿，如此层层上升。（2）下游式堆坝法尾矿堆积坝在初期坝下游方向移动和升高，基础较好，尾矿排放