水泥厂灰渣库安全性评价及处理措施

集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-DBTTY-9886）水泥厂灰渣库安全性评价及处理措施水泥厂灰渣库安全性评价及处理措施　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[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10×104t,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　　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。