贵州省瓮福磷肥厂磷石膏渣场大坝的稳定性分析

　　摘要：瓮福磷石膏渣场是我国第一家引进美国技术进行治理与运行的项目，在安全、环保等方面具有示范作用。本文分析了引进技术后渣场现状大坝的稳定性，对于我们磷石膏渣场的建设及运行管理有重要参考价值。
　　一、 引言
　　瓮福磷肥厂磷石膏渣场从99年底开始使用,累计堆渣1800万吨。由于磷石膏渣场地处喀斯特地区，在引进国外生产工艺技术时,没有同步引进国外先进的渣场设计与运行管理技术,国内在此方面又无成熟规范与技术,导致设计、施工方面存在较多缺陷,在生产中工艺水出现渗漏,致使周边河流污染。
　　为此，瓮福按照美国Ardaman公司设计进行了防渗施工处理，并于2007年6月底投入生产使用中。该渣场为国内最大的磷石膏渣场，采用湿法管道输送、堆存,渣场内水渣共存,采用磷石膏筑坝,与大型尾矿堆存相似，但其运行管理模式采用美国磷石膏渣场管理技术，效果凸显。
　　二、 稳定性分析
　　1、风险性分析
　　世界上正在使用的尾矿库和工业废料库约20万个。世界各地尾矿坝从较小的滑动破坏到灾难性的崩溃破坏均有发生。
　　溃坝时堆积物往往立即液化,扩大坝的缺口,沿山谷向下游倾泄,并挟带各种污染物,其危害程度和后果常比水库溃坝严重,直接威胁下游居民的生命财产安全。2008年9月8日，山西省临汾市襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库事故，造成“254死34伤”重大人员伤亡事故。
　　各种渣场坝体成为重要事故隐患的原因有:
　　(1)大多数坝体服务时间短,不作为永久构筑物;
　　(2)坝的数量绝对值大;
　　(3)与其他类型堤坝(如大型拦水工程等)相比,规模小,危害未引起人们的足够重视。从而导致渣场坝体事故频繁发生,直接导致百人以上死亡的事故已屡见不鲜。
　　根据上述因素,按国外尾矿类型坝体风险等级评定标准,瓮福磷石膏渣场坝体风险等级属中等。
　　2、溃坝因素分析
　　渣场坝体安全由多个因素组成,当采用堆存物料筑坝时,坝体上升速度、干滩长度、渣场排放管理等均是重要因素。目前国内外渣坝溃坝事故的影响因素主要有:浸顶;表面侵蚀;管涌;液化;坝基材料;坝基滑动;边坡滑坍等。
　　瓮福磷石膏渣场有其特殊的一些性质:坝高度大,只有一个渣场运行，最终高度95m;板结速度慢,酸度大,含有较高的氟和可溶性磷酸盐对堆存环境和坝体有腐蚀作用。
　　上述性质无疑加大了瓮福渣坝设计和管理的难度。
　　在已经形成的磷石膏大坝上设置了21个钻孔，利用美国先进技术，对渣坝进行了全面取样检测、现场透水性试验，对大坝未被干扰磷石膏样的水分含量、密度、CU三轴向试验、有效孔隙率等作了全面分析，结果证明了大坝在现阶段是稳定可靠的。
　　3、稳定性分析评价
　　3.1、土工试验及计算结果
　　A、渗流计算结果
　　各种材料的垂直向渗透系数分别为：磷石膏：5×10－4cm/s；堆石体：1×10－2cm/s；斜墙料：1×10－6cm/s。
　　在进行浸润面计算时，考虑了坝顶高程为960m和933m两种情况，分为多工况进行计算。其中，初期坝透水意为初期坝斜墙表面设置有排渗体系，并与坝基排渗系统相通；不透水意为不设置斜墙表面的排渗系统。堆积坝均质意即渗透系数各向相等；非均质即水平向渗透系数是垂直向渗透系数的2倍，即Kh/Kv＝2。
　　B、坝坡稳定分析结果
　　稳定分析采用条分法，静力稳定计算采用计条间作用的简化毕肖普法方法。
　　1）当设置库底排渗系统时，渣场的最小稳定安全系数Kmin＝1.60；
　　2）当只设置堆积坝坝体排渗管时，渣场的最小稳定安全系数Kmin＝1.33，起最危险滑弧位于堆积坝坝坡表面。
　　3)、若不设置排渗系统，渣场的最小稳定安全系数Kmin＝0.66，不满足设计规范，而且逸出点位于堆积坝坝坡中部位置，可能发生渗透变形破坏。
　　C、磷石膏分析初步结论如下：
　　1）粗粒级磷石膏的抗剪强度略高于细粒级磷石膏的抗剪强度；
　　2）磷石膏的抗剪强度高于级配相似的粉土的抗剪强度；
　　3）密度是影响磷石膏抗剪强度的主要因素，磷石膏抗剪强度随其密度增加而增加；
　　4）排水条件是影响磷石膏强度的另一个主要因素。
　　3.2、测压计观察结果
　　1） 大坝出现了水头下降现象。
　　2） 侧向流动梯度显著低于向下流动梯度。
　　3） 某些地区缺乏黏土层，或者沉淀物实际上是有较高渗透性的石灰岩。
　　4） 通石灰岩层是非常透水的。
　　3.3现场渗透实验结果
　　1） 瓮福石膏渣场的水平渗透率在3.6×10-5～8.0×10-4cm/sec之间，平均值4.0×10-4cm/sec。
　　2） 随磷石膏渣堆积深度的增加，水平渗透率微有下降，因为深度越大、磷石膏渣越密实。
　　3） 在B-1和B-3位置附近，磷石膏渣场下面的石灰岩沉淀物的水平渗透率分别是6.9×10-5和1.4×10-4cm/sec。
　　4） I号初期坝的东北方向坝肩地区的自然沉淀物的水平渗透率明显高于其西南方向坝肩的水平渗透率。
　　3.4、颗粒级配
　　瓮福磷石膏样本颗粒主要在泥沙粒径范围。
　　3.5、切应力确定结果
　　在试验测试中，用4个未受扰动的磷石膏样本进行三轴压缩试验，其目的是为了渣场稳定性分析获得应力强度的参数，所有剪应力强度试验都按ASTMD4767规定的步骤进行。
　　结论：未被搅动的样本有效最大抗剪角度大约为42°和有效粘结力0.6至0.7kg/cm2。
　　3.6、渗透实验结果
　　随着孔隙比随干密度的增加而降低，即孔隙比从1.3降低到0.3时，水平渗透率从1×10-3降低到3×10-6cm/sec。
　　垂直渗透率的变化范围为：从渣场表面的1×10-3cm/sec到基底的10-4或10-5之间。
　　3.7磷石膏坝稳定性分析结论
　　（1)、稳定计算方法
　　稳定计算方法采用瑞典圆弧条分法，坝材抗剪强度指标采用三轴有效应力强度试验指标。
　　（2)、稳定计算条件
　　A、物理力学指标的确定依据
　　1） 坝基（灰岩）的物理力学指标采用1995年10月贵州省建筑工程勘察院《贵州宏福实业开发有限总公司瓮福磷肥厂磷石膏渣场岩土工程勘察报告》提供的试验指标及参考《堆石坝设计》指标取值。
　　2） 初期坝（堆石）坝材的力学指标采用1996年4月南京水利科学研究院土工研究所《瓮福磷石膏渣场工程土工试验及数值分析》的取值，物理指标参考《堆石坝设计》取值。
　　3） 磷石膏堆积坝的物理指标采用2006年2月美国ARDAMAN咨询服务公司的《瓮福磷肥厂磷石膏渣场工程报告》提供的试验指标。
　　（3）、坝的等级
　　根据《选矿厂尾矿设施设计规范》ZBJ1-90，该磷石膏渣坝为三级坝。
　　（4）、计算工况
　　A、计算工况分为：
　　1） 现状勘察；
　　2） 洪水运行；
　　3） 现状勘察与洪水运行。
　　B、三种工况的荷载组合：
　　1） 现状勘察：勘察水位＋坝体自重；
　　2） 洪水运行：最高洪水位＋坝体自重；
　　3） 现状勘察与洪水运行：勘察水位与最高洪水位组合＋坝体自重。
　　（5） 、地震烈度
　　因地震烈度为6度，故不考虑地震荷载。
　　（6） 、概化分区
　　由于磷石膏的颗粒级配较均匀，主要为粉粒，粉粒含量占85％以上，固不考虑概化分区。
　　（7） 、磷石膏堆积坝稳定计算结果
　　抗滑稳定验算安全系数K
　　                         
　　《规范》要求三级坝洪水运行时，抗滑稳定的最小安全系数为Kmin＝1.10。经复核，目前磷石膏渣坝的最小安全系数为Kmin＝1.563，满足《规范》要求，这表明目前磷石膏渣坝是稳定的。
　　4、风险影响评价
　　4.1溃坝风险影响评价
　　渣坝最严重的风险便是坝体溃决,溃坝后最大泄流量可用下述公式计算。
　　Qn=Bn•Hn3•KnP式中:
　　Qn———溃坝流量,m3/s;
　　Bn———溃坝长度,m;
　　Hn———坝溃前上下游液化位差,m;
　　KnP———与运营条件、坝体材质等有关的系数,根据有关资料,取0.75。
　　按后期坝条件考虑,溃坝后最大泄流量为223600m3/s。
　　为避免上述风险,减缓损失,重点采取了下列措施:
　　(1)工程建设时从坝基、坝肩、坝体等多方面对坝的稳定性和渗透性进行综合分析，论证了保证坝的结构安全;
　　(2)坝内排水设施(调洪和溢洪)的建设与坝体安全综合考虑,不低于该类构筑物防洪的国家规范要求;
　　(3)严格管理渣场运行,按设计技术要求操作运营。
　　(4)对库区沉渣滩长度、坝体浸润线高度、坝基稳定性等关键要素进行了及时监控以确保坝体的安全。
　　4.2坝体安全情况下渣场非正常污水排放影响评价
　　正常情况下,磷石膏渣场污水经溢流井溢流及坝下调蓄水库(10万m3)调蓄后,经回水泵返至厂区调浆使用或进入厂区污水处理站。本评价主要针对洪水情况下渣场调蓄水库溢流排放水量和含F-水质进行风险影响分析。
　　据《福泉县志》(1991年11月编),当地月降水量≥100mm,大暴雨在30年内共计出现3次。为获得大暴雨情况下积水排放情况,对1%、0.5%、0.2%、0.1%、0.01%暴雨频率进行水文计算,求得这些频率下外排水量。
　　24h暴雨下流量计算采用下列公式:
　　Q24=(1/10)KP•a•H24•F式中:
　　Q24———24h暴雨下迳流量(万m3/d);
　　KP———模比系数;
　　a———迳流系数,0.80;
　　H24———历年24h暴雨量平均值,90mm;
　　F———汇水面积,km2。
　　结果证实,在+925m以下标高,只有出现五百年一遇的暴雨时才有污水排放。在+925m以上,百年一遇的暴雨即有污水排放。污水经洪水稀释后,其主要污染物P—F的含量已低于污水排放标准,这时环境是可以接受的。
　　三、 结论
　　通过借助美国Ardaman公司技术，对贵州瓮福磷肥厂磷石膏渣场大坝的风险评价,确定该大坝在现阶段是稳定可靠的，但是，在按照美国专有技术进行运行到一定时间内，需再次对大坝进行稳定性风险，以确定防渗工程对大坝的影响程度，以便及时调整运行管理措施，确保大坝安全稳定。
　　通过此次的分析，系统地给出磷石膏渣场的风险评价方法与步骤。对渣场风险程度给出量化分析,方法确实可行,使渣场堆存风险掌握在可知的范畴;同时作为国内最大的磷石膏渣场的环境风险评价,具有其典型性的一面,有较高的可参照性,可作为国内大中型化工废物渣场环境风险评价的参照和类比。