摘要：甕福磷石膏渣場(chǎng)是我國(guó)第一家引進(jìn)美國(guó)技術(shù)進(jìn)行治理與運(yùn)行的項(xiàng)目，在安全、環(huán)保等方面具有示范作用。本文分析了引進(jìn)技術(shù)后渣場(chǎng)現(xiàn)狀大壩的穩(wěn)定性，對(duì)于我們磷石膏渣場(chǎng)的建設(shè)及運(yùn)行管理有重要參考價(jià)值。
　　一、 引言
　　甕福磷肥廠磷石膏渣場(chǎng)從99年底開(kāi)始使用,累計(jì)堆渣1800萬(wàn)噸。由于磷石膏渣場(chǎng)地處喀斯特地區(qū)，在引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)工藝技術(shù)時(shí),沒(méi)有同步引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的渣場(chǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理技術(shù),國(guó)內(nèi)在此方面又無(wú)成熟規(guī)范與技術(shù),導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工方面存在較多缺陷,在生產(chǎn)中工藝水出現(xiàn)滲漏,致使周邊河流污染。
　　為此，甕福按照美國(guó)Ardaman公司設(shè)計(jì)進(jìn)行了防滲施工處理，并于2007年6月底投入生產(chǎn)使用中。該渣場(chǎng)為國(guó)內(nèi)最大的磷石膏渣場(chǎng)，采用濕法管道輸送、堆存,渣場(chǎng)內(nèi)水渣共存,采用磷石膏筑壩,與大型尾礦堆存相似，但其運(yùn)行管理模式采用美國(guó)磷石膏渣場(chǎng)管理技術(shù)，效果凸顯。
　　二、 穩(wěn)定性分析
　　1、風(fēng)險(xiǎn)性分析
　　世界上正在使用的尾礦庫(kù)和工業(yè)廢料庫(kù)約20萬(wàn)個(gè)。世界各地尾礦壩從較小的滑動(dòng)破壞到災(zāi)難性的崩潰破壞均有發(fā)生。
　　潰壩時(shí)堆積物往往立即液化,擴(kuò)大壩的缺口,沿山谷向下游傾泄,并挾帶各種污染物,其危害程度和后果常比水庫(kù)潰壩嚴(yán)重,直接威脅下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2008年9月8日，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫(kù)事故，造成“254死34傷”重大人員傷亡事故。
　　各種渣場(chǎng)壩體成為重要事故隱患的原因有:
　　(1)大多數(shù)壩體服務(wù)時(shí)間短,不作為永久構(gòu)筑物;
　　(2)壩的數(shù)量絕對(duì)值大;
　　(3)與其他類型堤壩(如大型攔水工程等)相比,規(guī)模小,危害未引起人們的足夠重視。從而導(dǎo)致渣場(chǎng)壩體事故頻繁發(fā)生,直接導(dǎo)致百人以上死亡的事故已屢見(jiàn)不鮮。
　　根據(jù)上述因素,按國(guó)外尾礦類型壩體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),甕福磷石膏渣場(chǎng)壩體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬中等。
　　2、潰壩因素分析
　　渣場(chǎng)壩體安全由多個(gè)因素組成,當(dāng)采用堆存物料筑壩時(shí),壩體上升速度、干灘長(zhǎng)度、渣場(chǎng)排放管理等均是重要因素。目前國(guó)內(nèi)外渣壩潰壩事故的影響因素主要有:浸頂;表面侵蝕;管涌;液化;壩基材料;壩基滑動(dòng);邊坡滑坍等。
　　甕福磷石膏渣場(chǎng)有其特殊的一些性質(zhì):壩高度大,只有一個(gè)渣場(chǎng)運(yùn)行，最終高度95m;板結(jié)速度慢,酸度大,含有較高的氟和可溶性磷酸鹽對(duì)堆存環(huán)境和壩體有腐蝕作用。
　　上述性質(zhì)無(wú)疑加大了甕福渣壩設(shè)計(jì)和管理的難度。
　　在已經(jīng)形成的磷石膏大壩上設(shè)置了21個(gè)鉆孔，利用美國(guó)先進(jìn)技術(shù)，對(duì)渣壩進(jìn)行了全面取樣檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)透水性試驗(yàn)，對(duì)大壩未被干擾磷石膏樣的水分含量、密度、CU三軸向試驗(yàn)、有效孔隙率等作了全面分析，結(jié)果證明了大壩在現(xiàn)階段是穩(wěn)定可靠的。
　　3、穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)
　　3.1、土工試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果
　　A、滲流計(jì)算結(jié)果
　　各種材料的垂直向滲透系數(shù)分別為：磷石膏：5×10－4cm/s；堆石體：1×10－2cm/s；斜墻料：1×10－6cm/s。
　　在進(jìn)行浸潤(rùn)面計(jì)算時(shí)，考慮了壩頂高程為960m和933m兩種情況，分為多工況進(jìn)行計(jì)算。其中，初期壩透水意為初期壩斜墻表面設(shè)置有排滲體系，并與壩基排滲系統(tǒng)相通；不透水意為不設(shè)置斜墻表面的排滲系統(tǒng)。堆積壩均質(zhì)意即滲透系數(shù)各向相等；非均質(zhì)即水平向滲透系數(shù)是垂直向滲透系數(shù)的2倍，即Kh/Kv＝2。
　　B、壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果
　　穩(wěn)定分析采用條分法，靜力穩(wěn)定計(jì)算采用計(jì)條間作用的簡(jiǎn)化畢肖普法方法。
　　1）當(dāng)設(shè)置庫(kù)底排滲系統(tǒng)時(shí)，渣場(chǎng)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin＝1.60；
　　2）當(dāng)只設(shè)置堆積壩壩體排滲管時(shí)，渣場(chǎng)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin＝1.33，起最危險(xiǎn)滑弧位于堆積壩壩坡表面。
　　3)、若不設(shè)置排滲系統(tǒng)，渣場(chǎng)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)Kmin＝0.66，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，而且逸出點(diǎn)位于堆積壩壩坡中部位置，可能發(fā)生滲透變形破壞。
　　C、磷石膏分析初步結(jié)論如下：
　　1）粗粒級(jí)磷石膏的抗剪強(qiáng)度略高于細(xì)粒級(jí)磷石膏的抗剪強(qiáng)度；
　　2）磷石膏的抗剪強(qiáng)度高于級(jí)配相似的粉土的抗剪強(qiáng)度；
　　3）密度是影響磷石膏抗剪強(qiáng)度的主要因素，磷石膏抗剪強(qiáng)度隨其密度增加而增加；
　　4）排水條件是影響磷石膏強(qiáng)度的另一個(gè)主要因素。
　　3.2、測(cè)壓計(jì)觀察結(jié)果
　　1） 大壩出現(xiàn)了水頭下降現(xiàn)象。
　　2） 側(cè)向流動(dòng)梯度顯著低于向下流動(dòng)梯度。
　　3） 某些地區(qū)缺乏黏土層，或者沉淀物實(shí)際上是有較高滲透性的石灰?guī)r。
　　4） 通石灰?guī)r層是非常透水的。
　　3.3現(xiàn)場(chǎng)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　1） 甕福石膏渣場(chǎng)的水平滲透率在3.6×10-5～8.0×10-4cm/sec之間，平均值4.0×10-4cm/sec。
　　2） 隨磷石膏渣堆積深度的增加，水平滲透率微有下降，因?yàn)樯疃仍酱蟆⒘资�膏渣越密�?shí)。
　　3） 在B-1和B-3位置附近，磷石膏渣場(chǎng)下面的石灰?guī)r沉淀物的水平滲透率分別是6.9×10-5和1.4×10-4cm/sec。
　　4） I號(hào)初期壩的東北方向壩肩地區(qū)的自然沉淀物的水平滲透率明顯高于其西南方向壩肩的水平滲透率。
　　3.4、顆粒級(jí)配
　　甕福磷石膏樣本顆粒主要在泥沙粒徑范圍。
　　3.5、切應(yīng)力確定結(jié)果
　　在試驗(yàn)測(cè)試中，用4個(gè)未受擾動(dòng)的磷石膏樣本進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，其目的是為了渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析獲得應(yīng)力強(qiáng)度的參數(shù)，所有剪應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)都按ASTMD4767規(guī)定的步驟進(jìn)行。
　　結(jié)論：未被攪動(dòng)的樣本有效最大抗剪角度大約為42°和有效粘結(jié)力0.6至0.7kg/cm2。
　　3.6、滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　隨著孔隙比隨干密度的增加而降低，即孔隙比從1.3降低到0.3時(shí)，水平滲透率從1×10-3降低到3×10-6cm/sec。
　　垂直滲透率的變化范圍為：從渣場(chǎng)表面的1×10-3cm/sec到基底的10-4或10-5之間。
　　3.7磷石膏壩穩(wěn)定性分析結(jié)論
　　（1)、穩(wěn)定計(jì)算方法
　　穩(wěn)定計(jì)算方法采用瑞典圓弧條分法，壩材抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用三軸有效應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)。
　　（2)、穩(wěn)定計(jì)算條件
　　A、物理力學(xué)指標(biāo)的確定依據(jù)
　　1） 壩基（灰?guī)r）的物理力學(xué)指標(biāo)采用1995年10月貴州省建筑工程勘察院《貴州宏福實(shí)業(yè)開(kāi)發(fā)有限總公司甕福磷肥廠磷石膏渣場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告》提供的試驗(yàn)指標(biāo)及參考《堆石壩設(shè)計(jì)》指標(biāo)取值。
　　2） 初期壩（堆石）壩材的力學(xué)指標(biāo)采用1996年4月南京水利科學(xué)研究院土工研究所《甕福磷石膏渣場(chǎng)工程土工試驗(yàn)及數(shù)值分析》的取值，物理指標(biāo)參考《堆石壩設(shè)計(jì)》取值。
　　3） 磷石膏堆積壩的物理指標(biāo)采用2006年2月美國(guó)ARDAMAN咨詢服務(wù)公司的《甕福磷肥廠磷石膏渣場(chǎng)工程報(bào)告》提供的試驗(yàn)指標(biāo)。
　　（3）、壩的等級(jí)
　　根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》ZBJ1-90，該磷石膏渣壩為三級(jí)壩。
　　（4）、計(jì)算工況
　　A、計(jì)算工況分為：
　　1） 現(xiàn)狀勘察；
　　2） 洪水運(yùn)行；
　　3） 現(xiàn)狀勘察與洪水運(yùn)行。
　　B、三種工況的荷載組合：
　　1） 現(xiàn)狀勘察：勘察水位＋壩體自重；
　　2） 洪水運(yùn)行：最高洪水位＋壩體自重；
　　3） 現(xiàn)狀勘察與洪水運(yùn)行：勘察水位與最高洪水位組合＋壩體自重。
　　（5） 、地震烈度
　　因地震烈度為6度，故不考慮地震荷載。
　　（6） 、概化分區(qū)
　　由于磷石膏的顆粒級(jí)配較均勻，主要為粉粒，粉粒含量占85％以上，固不考慮概化分區(qū)。
　　（7） 、磷石膏堆積壩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果
　　抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算安全系數(shù)K
　　                         
　　《規(guī)范》要求三級(jí)壩洪水運(yùn)行時(shí)，抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為Kmin＝1.10。經(jīng)復(fù)核，目前磷石膏渣壩的最小安全系數(shù)為Kmin＝1.563，滿足《規(guī)范》要求，這表明目前磷石膏渣壩是穩(wěn)定的。
　　4、風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)
　　4.1潰壩風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)
　　渣壩最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)便是壩體潰決,潰壩后最大泄流量可用下述公式計(jì)算。
　　Qn=Bn•Hn3•KnP式中:
　　Qn———潰壩流量,m3/s;
　　Bn———潰壩長(zhǎng)度,m;
　　Hn———壩潰前上下游液化位差,m;
　　KnP———與運(yùn)營(yíng)條件、壩體材質(zhì)等有關(guān)的系數(shù),根據(jù)有關(guān)資料,取0.75。
　　按后期壩條件考慮,潰壩后最大泄流量為223600m3/s。
　　為避免上述風(fēng)險(xiǎn),減緩損失,重點(diǎn)采取了下列措施:
　　(1)工程建設(shè)時(shí)從壩基、壩肩、壩體等多方面對(duì)壩的穩(wěn)定性和滲透性進(jìn)行綜合分析，論證了保證壩的結(jié)構(gòu)安全;
　　(2)壩內(nèi)排水設(shè)施(調(diào)洪和溢洪)的建設(shè)與壩體安全綜合考慮,不低于該類構(gòu)筑物防洪的國(guó)家規(guī)范要求;
　　(3)嚴(yán)格管理渣場(chǎng)運(yùn)行,按設(shè)計(jì)技術(shù)要求操作運(yùn)營(yíng)。
　　(4)對(duì)庫(kù)區(qū)沉渣灘長(zhǎng)度、壩體浸潤(rùn)線高度、壩基穩(wěn)定性等關(guān)鍵要素進(jìn)行了及時(shí)監(jiān)控以確保壩體的安全。
　　4.2壩體安全情況下渣場(chǎng)非正常污水排放影響評(píng)價(jià)
　　正常情況下,磷石膏渣場(chǎng)污水經(jīng)溢流井溢流及壩下調(diào)蓄水庫(kù)(10萬(wàn)m3)調(diào)蓄后,經(jīng)回水泵返至廠區(qū)調(diào)漿使用或進(jìn)入廠區(qū)污水處理站。本評(píng)價(jià)主要針對(duì)洪水情況下渣場(chǎng)調(diào)蓄水庫(kù)溢流排放水量和含F(xiàn)-水質(zhì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)影響分析。
　　據(jù)《福泉縣志》(1991年11月編),當(dāng)?shù)卦陆邓��?ge;100mm,大暴雨在30年內(nèi)共計(jì)出現(xiàn)3次。為獲得大暴雨情況下積水排放情況,對(duì)1%、0.5%、0.2%、0.1%、0.01%暴雨頻率進(jìn)行水文計(jì)算,求得這些頻率下外排水量。
　　24h暴雨下流量計(jì)算采用下列公式:
　　Q24=(1/10)KP•a•H24•F式中:
　　Q24———24h暴雨下逕流量(萬(wàn)m3/d);
　　KP———模比系數(shù);
　　a———逕流系數(shù),0.80;
　　H24———歷年24h暴雨量平均值,90mm;
　　F———匯水面積,km2。
　　結(jié)果證實(shí),在+925m以下標(biāo)高,只有出現(xiàn)五百年一遇的暴雨時(shí)才有污水排放。在+925m以上,百年一遇的暴雨即有污水排放。污水經(jīng)洪水稀釋后,其主要污染物P—F的含量已低于污水排放標(biāo)準(zhǔn),這時(shí)環(huán)境是可以接受的。
　　三、 結(jié)論
　　通過(guò)借助美國(guó)Ardaman公司技術(shù)，對(duì)貴州甕福磷肥廠磷石膏渣場(chǎng)大壩的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),確定該大壩在現(xiàn)階段是穩(wěn)定可靠的，但是，在按照美國(guó)專有技術(shù)進(jìn)行運(yùn)行到一定時(shí)間內(nèi)，需再次對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，以確定防滲工程對(duì)大壩的影響程度，以便及時(shí)調(diào)整運(yùn)行管理措施，確保大壩安全穩(wěn)定。
　　通過(guò)此次的分析，系統(tǒng)地給出磷石膏渣場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與步驟。對(duì)渣場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)程度給出量化分析,方法確實(shí)可行,使渣場(chǎng)堆存風(fēng)險(xiǎn)掌握在可知的范疇;同時(shí)作為國(guó)內(nèi)最大的磷石膏渣場(chǎng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),具有其典型性的一面,有較高的可參照性,可作為國(guó)內(nèi)大中型化工廢物渣場(chǎng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的參照和類比。