黑龙江省某电厂贮灰场灰坝渗水分析与治理

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  [摘 要]黑龙江省某电厂贮灰场的第2级、3级子坝发生长度达150m的局部大面积渗水现象,通过聘请国内权威土岩专家、水工设计专家现场踏勘、试验、论证、坝体边坡稳定分析及渗流有限元计算分析找出子坝渗水主要原因,提出了综合治理方案,依据方案进行设计、施工重新更换了排渗体,并曾设了一定数量的测压管,截至目前为止,灰场已安全运行六年,再未发生灰坝渗水影响安全的现象,达到了灰坝渗水综合治理的目的。
  [关键词]贮灰场 坝面渗水 理论分析 综合治理
  中图分类号:TM 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)35-0331-02
  0 引言
  贮灰场是火力发电厂生产过程中的重要组成部分,灰坝的安全问题涉及面广、影响面大、后果严重。近年来出现了多起的重大尾矿库及电厂灰坝溃坝事故,诸如: 广西南丹县大厂镇鸿图选矿厂尾矿库发生重大垮坝事故,陕西省商洛市镇安县黄金矿业有限责任公司尾矿库在加高坝体扩容施工时发生溃坝事故,辽宁省鞍山市海城西洋鼎洋矿业有限公司选矿厂5号尾矿库发生溃坝事故,贵州紫金矿业股份有限公司贞丰县水银洞金矿尾矿库子坝发生塌溃事故,贵州黔桂发电有限责任公司大沙坝灰场发生灰水泄漏事故,吉林省延边州龙井市的延边晨鸣纸业有限公司自备热电厂1#立井灰渣库发生灰渣水外流事故。特别是2008年9月8日,山西省襄汾县新塔矿业有限公司新塔矿区980平硐尾矿库发生特别重大溃坝事故。事故泄容量26.8万立方米,过泥面积30.2公顷,波及下游500米左右的矿区办公楼、集贸市场和部分民宅,造成277人死亡、4人失踪、33人受傷,直接经济损失达9619.2万元。贮灰场子坝发生渗水现象是溃坝事故发生前的主要危险先兆,上述教训提醒我们要高度重视尾矿库及发电厂灰坝的安全。通过室内试验、坝体边坡稳定分析及有限元计算分析坝面渗水原因,提出渗水治理加固方案,通过专业设计施工图,安装测压管和铺设排渗体。截至目前为止6年,再未发生灰坝渗水现象。
  1 概述
  贮灰场位于某电厂厂区东北方向,距厂区的直线距离为3km,属山谷灰场。该灰场初期坝为爆破堆石坝,坝顶高程为280.00m,坝底高程约为250.00m。上游坝坡坡度约为1:1.5,上游设有反滤层;坝下游坡坡度不等,高程270.00m以上约为1:2.0,而270.00m以下边坡坡度接近1:3.0。初期坝库容蓄满后,采用在沉积灰渣上填筑子坝的方式对灰坝进行了六级加高,每级子坝的坝高均为5m,坝顶宽度约为4m,上下游边坡坡度均为1:3.5。子坝是用风化砂建造的。第一级子坝设堆石排水棱体,棱体内设排渗管,二、三、四级子坝坝体下部也设置了水平排渗管,第五、六级子坝设堆石排水棱体,棱体内设排渗管。灰场灰坝情况详见图1。
  图1 贮灰场灰坝最大断面示意图
  2 灰坝渗漏情况
  该贮灰场采用分格运行方式,整个库区从坝前向灰场内部依次被划分成四个贮灰区,各格之间用隔坝隔开。自2007年6月,灰场运行的管理人员发现在三级子坝和四级子坝左岸侧约100m范围内的坝体下游坡面有渗水,以后半个月时间内,渗水面积不断扩大,发生长度达150m的局部大面积渗水现象。电厂采取了停止向坝前#1格内排灰,将排灰地点调至库内3#格,以增加干滩长度至150米,降低坝体浸润线水位,要求运行人员增加对坝体的巡检次数。同时,立即向上级部门汇报申请资金,聘请专家现场指导。
  图2 二级子坝坝顶流水 图3 三级子坝下游坝坡大面积渗水
  3 渗漏原因分析
  3.1 灰坝渗漏后果
  从坝体设计断面情况及前期的坝体渗流分析结果看,灰场正常运行时,其下游坝坡尤其是位置较高部位不应该有渗水出现,本灰场坝面发生如此大面积的渗水,表明此区域坝体内浸润线位置已经明显偏高,属于异常情况。
  浸润线位置如此之高,对灰坝下游坡的边坡稳定极为不利,目前虽然表观上尚未发现有坝体边坡不稳定的迹象,但应该给予足够的重视。同时,坝坡长期渗水还有可能对边坡造成冲刷,对下游坡的渗流稳定也不利。
  一旦有较大的降雨,浸润线进一步升高,渗水量加大,将会发生不可控的险情,大坝下游2公里处落差近70米的江西村、国铁、公路和江河势必受到不同程度的破坏和影响。
  根据国家安全生产监督管理总局2006年颁布的《尾矿库安全技术规程》AQ 2006-2005中12.4条文“浸润线位置过高,渗透水自高位出逸,坝面出现沼泽化”属于病库,因此进行了工程处理方案的论证研究。
  3.2 灰坝坝面渗水出逸原因分析
  从现场情况看,渗漏位置分布在坝体靠左岸100m左右范围内的三级子坝的下游坝坡,初步判断渗漏水的主要来源可能是灰场内灰水的外渗,因为:
  1)渗漏位置与灰场内运行水位的相关性较好,上游水位高时下游渗出水水位位置高;反之,上游水位降低下游出水水位置随之降低。
  2)渗漏水量较大,分布范围较广,坝面渗漏区域的最远端距左侧坝肩100m左右,坝肩绕渗的影响范围一般没有如此大。
  3)三、四级子坝坝下设置水平排渗管,排渗管建于沉积灰渣之上,易发生沉降变形,经长期运行可能发生淤堵或断裂,导致子坝坝体内排渗系统部分或全部失效。
  4)二级子坝左侧坝体直接填筑在山体上,由于山体的渗透性能差,坝体内排渗系统不能正常起排渗作用时,将使坝体渗水缺少宣泄的通道,坝体内排水不畅,会导致浸润线位置升高并从下游坝坡渗出。
  5)初期坝是定向爆破坝,渗透系数较大,能起到相当于排水棱体的作用,最大断面渗入初期坝的水能很快排到下游,而岸坡段子坝直接填筑在山体上,浸润线位置较高。从渗流计算分析结果来看,岸坡段二、三和四级子坝由于水平排渗管的效果已大大降低,渗水将从下游坝坡渗出。
  4 坝面渗水治理加固方案   对于已建成的坝体,降低浸润线经常采用的方法包括:垂直排渗、水平排渗和贴坡排渗。垂直排渗可以通过在坝顶设置排渗井的方式降低浸润线;水平排渗则是通过在坝趾向坝体内打水平排渗管以达到降低浸润线的目的;贴坡排渗不能降低坝体内浸润线,但可以保护渗流出口,增加的重量可以提高下游坡的稳定性。
  灰场初期坝为定向爆破坝,渗透系数为A×10-2cm/s,属于透水性材料,各子坝筑坝材料采用风化砂,渗透系数为A×10-3cm/s,属于半透水性材料。各垂直排渗井或水平排渗管之间需达到一个比较密的间距才能起到降低浸润线的效果。其中垂直排渗井后期运行管理不便,而水平排渗管在长期运行过程中可能淤堵,贴坡排渗要保证设计冻深工程造价偏高。
  从解决浸润线位置偏高,方便施工的角度出发,经比较本次渗漏治理最终采用在二、三和四级子坝坡脚增加设置排渗沟的方案,与五、六级子坝排水棱体共同组成坡面排渗系统,达到适当降低岸坡段坝体内浸润线的目的,提高下游坡的稳定性。具体方案为:在二、三、四级子坝坝脚全断面挖一道横向的排渗沟,岸坡渗水段(约200m范围)二、三、四级子坝下游坝坡中部挖一条横向排渗沟。同一级子坝两条横向排渗沟之间每隔50m用一条的纵向排渗沟相连,排渗沟的深度不小于当地设计冻深1.90m。
  4.1 渗流有限元计算分析
  已建坝渗水治理前后各计算方案坝体渗流计算条件、坝体渗漏量见表2和表3,坝体浸润线位置和渗流等势线见图4~图6。
  二、三、四级子坝坝体下部也设置了水平排渗管,但水平排渗管已经部分失效或全部失效,第五、六级子坝设堆石排水棱體,棱体内设排渗管。计算结果显示岸坡段浸润线位置较高,干滩长度200m时,已建坝岸坡段的浸润线位置从三级子坝的坡面逸出,无干滩条件下的浸润线从四级子坝的坡面逸出。已建坝岸坡段各现状计算工况的最大水力坡降出现在二级子坝的坝脚单元内,各种计算条件下的最大水力坡降相差不大,都小于0.5。
  计算结果表明:目前状态下,已建坝岸坝段内浸润线位置普遍偏高,由于该部分排渗设施已失效或者效果大大降低,造成浸润线从下游坝坡逸出,对坝体的稳定十分不利,建议对岸坡段采取降低浸润线的措施。
  采用工程治理措施后,能够明显降低岸坡段的浸润线位置,使渗水不从坝坡逸出,而对最大断面的浸润线位置影响不显著。
  表2 已建坝最大断面渗流计算成果
  表3 已建坝岸坝段断面渗流计算成果
  图4 已建坝最大断面渗水治理后无干滩浸润线和等势线位置图
  图5 已建坝岸坝段渗水治理前无干滩浸润线和等势线位置图
  图6 已建坝岸坝段渗水治理后无干滩浸润线和等势线位置图
  4.2 坝体边坡稳定分析
  计算分为不考虑渗水治理措施和考虑渗水治理措施两种情况。渗水治理前后各种工况计算所得的已建坝的边坡稳定最小安全系数和相应临界滑裂面见表4和图7~图8。
  由已建坝的计算结果可知,正常运行稳定渗流工况和设计洪水时的稳定渗流工况坝体的下游坡的边坡稳定安全系数均符合有关规范要求,可以认为灰坝已建坝是稳定的,灰坝可进行进一步的加高。
  当灰场运行干滩达到200m时,下游坝坡的稳定性有所提高,说明灰场运行时保持适当的干滩长度比无干滩长度更有利于坝体的稳定,建议灰场运行时保持一定的运行干滩长度。
  图7 已建坝最大断面渗水治理后无干滩最危险滑裂面位置图
  图8 已建坝岸坡段渗水治理后无干滩最危险滑裂面位置图
  5 综合治理的实施及效果
  5.1 综合治理的实施
  5.1.1 贮灰场灰坝渗水综合治理项目分四部分:(1) 增设和完善整个坝体的浸润线测量系统;(2) 对坝体稳定性进行了复核,对坝体进一步加高方案进行了论证;(3) 对解决坝体渗水问题进行专业施工设计;(4) 依据设计对二、三级子坝的水平渗水系统进行了彻底治理。
  5.1.2 具体施工内容:(1)拆除和重建了二、三级子坝体表面混凝土护盖;(2)在二、三级子坝底坡角开沟槽(3)拆除原有渗水体,重新安装DN400渗水管,铺设土工布;(4)在整个坝体横断面增设25个测压管。
  图9 子坝排渗体施工现场 图10 改造后坝体情况
  5.2 实施效果
  通过对灰坝渗水综合治理,截至目前为止运行6年多,再未发生过渗水现象。
  6 结论
  初期坝是定向爆破坝,渗透系数较大,能起到相当于排水棱体的作用,最大断面渗入初期坝的水能很快排到下游,而岸坡段子坝直接填筑在山体上,浸润线位置较高。从渗流计算分析结果来看,岸坡段二、三和四级子坝由于水平排渗管的效果已大大降低,渗水将从下游坝坡渗出。从解决浸润线位置偏高,方便施工的角度出发,通过计算分析,经比较本次渗漏治理最终采用在二、三和四级子坝坡脚增加设置排渗沟的方案,与五、六级子坝排水棱体共同组成坡面排渗系统,达到适当降低岸坡段坝体内浸润线的目的,提高下游坡的稳定性。此外,有些电厂的灰坝下游坡面也存在大面积渗水的现象,因此,本次加固方案也可为其它灰坝的防渗加固方案设计提供参考。
  参考文献
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  作者简介
  张慧峰:华电能源牡丹江第二发电厂,1966年出生,高级工程师。
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