尾礦壩邊坡地質(zhì)勘查及穩(wěn)定性研究

陳 冬 華

(華北地質(zhì)勘查局 五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

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尾礦壩邊坡地質(zhì)勘查及穩(wěn)定性研究

陳 冬 華

(華北地質(zhì)勘查局 五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

以某尾礦庫為研究對象，通過地質(zhì)勘察，探討了邊坡水文地質(zhì)條件及土體物理力學(xué)參數(shù)，并基于強度折減法對尾礦壩邊坡進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：該尾礦壩邊坡沒有滑坡及泥石流等災(zāi)害發(fā)生的條件，庫區(qū)工程地質(zhì)條件相對較好，水文地質(zhì)條件簡單，在暴雨狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性有明顯降低。

尾礦壩，地質(zhì)勘察，邊坡，穩(wěn)定性

0 引言

我國大規(guī)模尾礦庫8 000余座，正常使用的不足70%[1]。近年來尾礦庫壩體滑坡事件多有發(fā)生，給國家、企業(yè)及人民的財產(chǎn)甚至是生命造成了巨大威脅。尾礦庫壩體滑坡主要有壩體失穩(wěn)和尾礦庫內(nèi)滑坡2種，很多學(xué)者從尾礦壩數(shù)學(xué)模型[2]、計算方法[3]、風(fēng)險分析及評價方面[4，5]對尾礦壩穩(wěn)定性研究做了大量的工作，取得了顯著成果。文中以平泉尾礦庫為研究對象，通過地質(zhì)勘察確定邊坡土層物理力學(xué)參數(shù)，并基于強度折減法對自然、暴雨以及地震三種狀態(tài)下的尾礦壩邊坡運用FLAC3D進行數(shù)值模擬，通過應(yīng)力場、位移場分析對尾礦壩穩(wěn)定性進行科學(xué)評價。

1 工程概況

1.1 尾礦壩概況

平泉縣泰輝礦業(yè)有限公司尾礦庫設(shè)計初期壩為透水堆石壩，初期最大壩高為31.0 m，現(xiàn)已被碎石壓坡；現(xiàn)堆積壩壩標高560.8 m，子壩總坡比1∶2.94。尾礦庫設(shè)計總庫容為44.5萬m3，設(shè)計總壩高71.0 m，尾礦庫初期壩軸以上匯水面積約為0.20 km2，尾礦庫設(shè)計為四等庫。尾礦庫為山谷型尾礦庫。尾礦庫處于一主溝長約0.35 km的溝谷內(nèi),庫區(qū)底為強風(fēng)化石灰?guī)r，溝口筑壩。溝口東北方向約410 m是西哨鹿溝口，縱深方向東北—西南走向，溝口呈V字形，溝谷兩岸基本對稱，山體傾角40°～60°。庫區(qū)地貌單元左側(cè)為坡積相，右側(cè)為剝蝕較陡裸露巖石，該區(qū)區(qū)域地貌為燕山山脈中段構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，地形較簡單，地貌較復(fù)雜，植被局部較發(fā)育，溝谷及沖溝兩側(cè)局部覆蓋第四系坡洪積層。庫區(qū)基巖主要為石灰?guī)r，尾礦堆積材料以細小顆粒尾礦砂為主(如圖1所示)。

1.2 尾礦壩地質(zhì)條件

庫區(qū)地處燕山山脈中段，為低山區(qū)，庫區(qū)基巖以元古界霧迷山組石灰?guī)r(Jxw)為主，巖體表面的層理、節(jié)理及裂隙較為發(fā)育，這是長期風(fēng)化導(dǎo)致的結(jié)果。庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，規(guī)模不大，庫區(qū)及壩址山體穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單，無不良地質(zhì)作用，造成崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害可能性小。勘察結(jié)果表明，平泉縣泰輝礦業(yè)有限公司尾礦庫庫區(qū)范圍內(nèi)，地層巖性根據(jù)性質(zhì)及成因可分為天然地層、初期壩和尾礦堆積層三個部分。

地層表面為強風(fēng)化石灰?guī)r，局部覆蓋含礫粉質(zhì)粘土；尾礦沉積分選性不明顯，普遍存在粘性尾礦夾層。夾層不在同一水平面上，主要呈現(xiàn)透鏡體狀，總體分布具有一定規(guī)律性。垂向存在上粗、下細的規(guī)律，水平層序分布則為堆積子壩向庫區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)由粗到細的規(guī)律。

根據(jù)現(xiàn)場勘查、原位測試和室內(nèi)實驗結(jié)果分析，將庫區(qū)巖土層劃分為6個主層，即尾中砂、尾細砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)粘土、石灰?guī)r，本次分析選取了尾礦庫勘察的主剖面進行研究，通過標準貫入試驗、室內(nèi)土工試驗與地區(qū)經(jīng)驗相結(jié)合，參考《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中的物理力學(xué)指標，分析的標準值如表1所示。

表1 各個土層參數(shù)

2 尾礦壩穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 強度折減法理論

通過對邊坡土體粘聚力及內(nèi)摩擦角進行折減，直至對應(yīng)邊坡臨界狀態(tài)時，折減前、后抗剪強度參數(shù)的比值即為安全系數(shù)[6-8]。強度折減法具體為：利用式(1)，式(2)來折減邊坡土體的抗剪強度指標c和φ，通過數(shù)值模擬手段確定折減系數(shù)對應(yīng)邊坡臨界狀態(tài)，此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctanφ/Ftrial

(2)

其中，cF為折減后的邊坡土體粘聚力；φF為折減后的邊坡土體內(nèi)摩擦角；Ftrial為強度折減法確定的折減系數(shù)。

可利用FLAC3D軟件內(nèi)自帶的安全系數(shù)命令——solve fos，直接對粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ進行折減，最終確定臨界破壞狀態(tài)的安全系數(shù)。

2.2 計算模型的建立

模擬選取了尾礦庫勘察的主剖面進行計算，模型尺寸及材料參數(shù)均依據(jù)前期勘查結(jié)果進行選取。涉及到巖土體材料變形的非線性特征，邊坡巖土體材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，初始應(yīng)力只計重力。建模所適用的邊界條件為：側(cè)面水平位移約束，約束邊坡的左邊界和右邊界，即橫向位移；底面約束豎直方向位移，采用固定支座邊界條件。為了簡化計算，該場區(qū)的邊坡問題可以等效看成平面應(yīng)變問題，建模時只取斷面的一個“薄面”。對于計算結(jié)果的分析，是在天然工況、暴雨工況以及地震工況下進行的，重點分析天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性情況，如圖2所示。

2.3 計算結(jié)果分析

該邊坡的水平與垂直位移分布分別如圖3，圖4所示。從圖3尾礦壩邊坡水平方向位移場分布可以得到，在天然狀態(tài)下最大水平位移值為9.06 cm，主要分布在邊坡臨空面中下部；沿z軸正向垂直位移的最大值為2.58 cm，在自重影響下產(chǎn)生了沿z軸負向的位移3.95 cm。在實際工程中，水平位移指的是沿著x正方向指向邊坡坡面這一側(cè)，垂直位移正向是指向坡頂。如圖4位移變形圖所示，明顯看出邊坡潛在滑動面的位置。

該剖面為典型的斜面邊坡，邊坡垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)帶狀，最大壓應(yīng)力在邊坡內(nèi)部，為27.45 MPa，最大拉應(yīng)力為20.19 MPa，最大不平衡力與邊坡內(nèi)部達到平衡。根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，目前該邊坡是穩(wěn)定的，用FLAC3D強度折減法計算的該邊坡在天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)以及地震狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為1.31，1.10和1.31(計算圖略)。說明暴雨狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性有明顯降低；地震作用下邊坡的安全系數(shù)數(shù)值不變，且與天然狀態(tài)下的變形、應(yīng)力狀態(tài)等相一致。數(shù)值模擬的變形矢量圖及塑性貫通區(qū)的范圍表明了尾礦壩邊坡可能潛在的滑動面位置。塑性區(qū)描述了邊坡巖體的破壞特征，其中深綠色區(qū)域為塑性區(qū)(潛在滑動面)，即此區(qū)域內(nèi)巖體的強度達到了極限，進而發(fā)生破壞而形成滑體。滑動面外側(cè)區(qū)域各網(wǎng)格點的速度大于其他區(qū)域，因此發(fā)生了一定程度的塑性破壞。

3 結(jié)論與建議

1)庫區(qū)場區(qū)及附近無活動性斷裂構(gòu)造通過，未發(fā)現(xiàn)有新近構(gòu)造活動痕跡，該尾礦壩邊坡沒有滑坡及泥石流等災(zāi)害發(fā)生的條件，庫區(qū)工程地質(zhì)條件相對較好，水文地質(zhì)條件簡單。2)勘察期為平水期，如短時間內(nèi)不進行尾砂回采，建議增大壩間排洪溝，增大庫區(qū)排洪能力，防止洪水對堆積壩的沖刷。3)用FLAC3D強度折減法計算的該邊坡在天然狀態(tài)、暴雨狀態(tài)以及地震狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為1.31，1.10和1.31，說明暴雨狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性有明顯降低。

[1] 李全明，陳 仙，王云海，等.基于模糊理論的尾礦庫潰壩風(fēng)險評價模型研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2008,4(6):57-61.

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Geological exploration and research of tailings dam slope stability

Chen Donghua

(514BrigadeofNorthChinaGeologicalExplorationBureau,Chengde067000,China)

Taking the tailings as the research object, through the geological investigation to determine the slope hydrogeology and soil physical and mechanical parameters, and based on strength subtraction for numerical simulation of tailings dam slope. Results show that: there is no large-scale collapse, landslide, debris flow and other geological disaster conditions, reservoir engineering geological conditions are relatively good, simple hydrogeological conditions, state of the slope stability is significantly reduced.

tailings dam, geological survey, slope, stability

1009-6825(2016)11-0083-03

2016-02-02

陳冬華(1979- )，男，工程師

P624

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