1 引言

　　水泥厂使用煤作为燃料时,将产生大量粉煤灰,虽然目前大多水泥厂粉煤灰已被开发利用,但在一些地区仍需建设贮灰库即灰渣库,用以存放暂时无法利用的粉煤灰。灰渣库属于尾矿库的一种,但长期以来因未纳入尾矿库安全管理的范畴,致使目前存在着诸多的危险源和薄弱环节[1 ] 。灰渣库的存在就是一个重大危险源,一旦发生事故将会造成重大的人员伤亡或财产损失,同时对库区周边造成严重的环境污染[2 ] 。郑州中国铝业集团公司郑州铝厂灰渣库挡水土坝全面崩塌滑动,使河水污染并造成2 人死亡,数人受伤,直接经济损失5000 多万元,总体损失达数亿元[3 ] ;中铝广西分公司热水泥厂存在灰渣坝渗漏水对环境造成污染的问题[4 ] ;近年溃坝的岿美山、银山、大冶铁山、火谷都、大吉山、黄梅山、南丹鸿图选厂等尾矿坝,都造成巨大的人员与财产损失[5 ] ;山西襄汾县塔山矿区新塔矿业公司尾矿库发生特别重大溃坝事故,造成重大人员伤亡。因此,必须高度重视灰渣库的安全稳定性评价和加固改造。

　　2 某灰渣库工程基本概况

　　该粉煤灰堆场位于水富县城西南侧境内,距县城公路里程约5km ,有四级公路通往县城。库区为一狭长形山谷,东西两侧高、中间低,标高在486～587m ,相对高差约101m。地貌类型属于中低山。山谷右岸山脊有一简易公路通过。该区属亚热带季风性气候,雨量充沛、土壤湿润,多年平均降水量1170mm ,降水与径流主要集中在6～10 月,占全年的75 %。

　　库区分布的地层主要有:人工填积(Qml ) 层、第四系坡残积(Q4dl + el ) 层、侏罗系泥、砂岩(J2xt ) 。人工堆积(Qml ) 层:主要分布在库区原截洪以东的大部分地段,从沟谷至库区呈东岸厚西岸较薄的特点,厚度为210～26180m ,平均9174m ,以发水泥厂的粉煤灰渣粘性土为主,富含有机质、生活垃圾、角(圆) 砾含量约5 %～10 % ,表层见植物根系,偶见块石,回填时未经压实处理,欠固结状。第四系坡残积(Q4dl + el ) 层:主要分布于库区西岸地表,沟谷中零星揭露,厚度均较薄,沟谷中以软塑状态为主, 库区西岸以可塑为主, 层厚0160 ～1180m ,平均1117m。侏罗系基岩(J2xt ) :强风化泥岩,全库区均有揭露,厚度0130 ～ 5190m , 平均1196m , 层顶标高为473151～538161m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性软弱,岩体破碎,岩体质量等级属Ⅴ类;中风化砂岩在库区均有揭露,层厚0180～2120m ,平均1110m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性较软,岩体较破碎,岩体质量等级属Ⅳ类;中风化泥岩库区均有分布,最大揭露厚度1140～4190m ,平均3138m ,未发现有洞穴、软弱夹层和临空面,岩性较软,岩体较破碎,岩体质量等级属Ⅳ类。场地地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于填土地层中,没有连续地下水位,水量较小,接受大气降水和地表水下渗补给,蒸发和入渗排泄均受季节影响严重;基岩裂隙水主要赋存于侏罗系的泥、砂岩裂隙中,接受上层滞水入渗及高处裂隙水向下径流的补给,向南东和北西向下入渗后于麻子沟处排泄后汇入金沙江。

　　3 灰渣坝现状及稳定性评价

　　311 灰渣坝现状

　　煤灰场初期坝坝型为浆砌石重力坝,坝基为页岩,最大坝高2417m (坝底标高46013m , 坝顶标高485100m) ,坝轴线长6517m ,坝顶宽210m ,上游边坡1 :015P0129 ,下游边坡1 :011。由于现场场地条件限制,煤灰卸料未分层进行,而直接从山顶倾倒,未经压实处理,初期坝已出现裂缝。一旦溃决,坝内粉煤灰和水以泥石流的形式涌出,危害巨大[7 ] 。

　　312 地形地貌

　　坝址(初期坝) 工程地质条件较好,但由于无道路通往堆场内,成库自然地形条件差。场地沟口下方便是居民区,一旦发生险情,将会造成不可估量的伤亡损失。

　　313 水的作用

　　尾矿坝既是储存尾矿又是储存水的构筑物,水的存在使尾矿坝工程的岩土力学问题更加复杂化[6 ] 。溃坝破坏多起因于坝内地下水位控制不当、排洪设施不利、侵蚀和管涌、地震液化作用,基本上都与静、动水压力和孔隙水压力有关,这是典型的岩土工程结构问题[5 ] 。库区雨量充沛,地表水主要以冲沟内汇集的大气降水为主,做好排水防渗措施至关重要。

　　314 生产因素

　　按供热车间日出煤灰400tPd 计算,每年煤灰量为10 ×104 t ,目前堆场已不能满足生产需要。据水泥厂工程部人员反应,堆积于山坡上的煤灰极不稳定(多次发生局部塌滑,部分已越过坝顶) ,上游堆积高度已超过设计高程(达503100～504100m) ,总煤灰量可能超过60 ×104m3 ,对下游的城镇安全造成了威胁。如不进行整改加固,储灰场的安全将难以保证,不能满足环境保护及水土保持的要求。

　　315 灰场稳定性分析

　　为进一步分析坝体的整体稳定性,利用FLAC数值分析软件建立了数值模型,模型左侧以初期拦渣坝为边界,右侧边界延伸至不影响边坡稳定分析的区域(坝顶边缘向后延伸60m) ,底部边界延伸至坝体基岩面以下。模型网格剖分水平向115m ,竖直向210m。由于筋带60cm 一层,考虑到模型网格密度限制,将3 层筋带合并成一层筋带。回填灰渣容重1710kNPm3 ,压缩模量615MPa ,饱和固结抗剪强度指标: c = 20kPa ,φ= 27°。采用强度折减系数法计算坝体的整体稳定性,并得到坝体应力场、位移变形及加筋材料的结构内力。在整体抗滑稳定安全系数115 的条件下,考虑7度设防, 折减后的设计抗剪强度指标为: c =1313kPa ,φ= 1613°。

　　计算结果显示(见图1、图2) ,未加固处理的坝体发生大变形破坏,不能达到平衡状态。最大的水平位移已达2152m ,最大沉降达2103m。坝顶距边缘21m 范围内出现明显沉降和水平位移,坝趾出现明显的鼓胀现象。因此不能直接采取灰渣堆坝。采取土工格栅加筋处理后,计算结果显示坝坡位移变形最大值为23cm(见图3) ,控制在可接受范围以内,土工格栅未发生粘结滑移,格栅筋带最大拉应力1519MPa ,最大应变018 % ,土工格栅变形及应力指标符合设计要求,坝坡稳定。满足安全系数115 的要求。