尾礦砂物理力學性能測試及壩體穩(wěn)定性分析

辛保泉 萬露 趙海燕 譚欽文

摘要：為測試某上游式尾礦庫內(nèi)尾礦砂的物理力學性能，并論證壩體當前穩(wěn)定性，通過室內(nèi)土工試驗和BI-90Plus型激光粒度分析儀對原狀尾礦砂進行全面測試與分析，得到尾礦砂13項基本物理性質(zhì)指標和4項力學性質(zhì)指標，同時計算3種工況下的壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)。研究結(jié)果表明：銅尾礦為細粒尾礦，滲透性差、可塑性強且膨脹性和收縮性顯著，粒徑大小及其含量近似呈Gauss分布;細粒尾砂含量越高，黏聚力越強，而內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)越小，且差異達數(shù)倍至數(shù)十倍，分析認為這可能與尾礦顆粒中黏粒含量有關;3種工況下計算出的最小安全系數(shù)均明顯大于規(guī)范要求值，表明其穩(wěn)定性較好;按照尾礦顆粒級配和物理力學特性科學、合理的放礦，對壩體穩(wěn)定性至關重要。試驗結(jié)果可為研究尾礦砂的工程力學特性和壩體穩(wěn)定性提供詳實的數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：尾礦砂;物理力學性能;穩(wěn)定性分析;土工試驗;安全系數(shù);極限平衡法

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0035-07

收稿日期：2018-04-08;收到修改稿日期：2018-05-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51404200）;四川省科技創(chuàng)新苗子工程資助項目（2017016）

通信作者：辛保泉（1990-），男，山東安丘市人，碩士，主要從事定量風險評估及抗爆減災技術研究。

0 引言

尾礦壩的穩(wěn)定可靠對尾礦庫安全至關重要。一般而言，排放后經(jīng)過分層碾壓而成的尾礦砂是構筑上游式尾礦壩的主要材料，確定其基本物理力學性質(zhì)是研究壩體穩(wěn)定性的基礎[1]。以四川某銅礦尾礦庫為研究對象，該尾礦庫初期壩高20m，設計堆壩高85m，總庫容1128.32×10⁴m³，地震設防烈度為8度，目前已使用了12年，總壩高堆至約50m。由于目前該尾礦庫已堆至接近1/2最終設計總壩高，加之尾礦庫當前工程地質(zhì)條件欠佳，根據(jù)GB50863-2013《尾礦設施設計規(guī)范》要求[2]，需對尾礦壩做全面論證，以驗證最終壩體的穩(wěn)定性并確定后期的處理措施。

在該尾礦庫的早期勘察和設計報告中給出的部分尾礦參數(shù)是早期基于原尾礦初始狀態(tài)的。要準確計算和評估壩體穩(wěn)定性，首先應對當前用于筑壩尾礦的物理力學性質(zhì)進行全面測試。尾礦砂具有異于普通砂土材料的特性，全面分析其物理力學性能，對尾礦庫設計、壩體穩(wěn)定性計算和防災措施的制定具有一定參考價值。

1 尾礦粒度測試及級配分析

尾礦的顆粒組成和級配情況是綜合反映尾礦特性的重要指標[3-4]。試樣的選取位置通常為庫前、庫中和庫尾，本文根據(jù)放礦后尾砂的自然沉積規(guī)律，并充分考慮到用于上游式筑壩的尾礦料多來源于庫前的實際條件，試樣均取自庫前5個不同的位置，然后分析其礦物成分和顆粒組成。

1.1 礦物成分

銅尾礦主要含有方解石、角閃石、黃銅礦、石英、磁礦石等，屬于硅鋁酸鹽型尾礦。對尾礦砂進行XRF分析，得到試樣的礦物組成，見表1。

可以看出，尾礦中含有的礦物成分種類較多，且CaO、MgO和K₂O等化學性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物成分含量較高，易被氧化分解或劣化，進而影響抗剪強度和滲透系數(shù)。

1.2 尾礦顆粒級配

尾礦顆粒級配特征以粒徑的大小分布關系曲線表示。該曲線以粒徑的對數(shù)為橫坐標（對數(shù)坐標），以小于某粒徑的顆粒質(zhì)量累計百分含量（自然坐標）為縱坐標。通過顆粒級配曲線可以較好地了解尾礦的顆粒組成情況[5]。為了準確分析尾礦砂各粒組的大小組成情況，突出數(shù)據(jù)的重復性，確保整個測試體系的溫度恒定，避免交叉污染，試驗選用美國布魯克海文90 Plus型激光粒度分析儀，分析尾礦砂的各粒組含量[6]。

該激光粒度分析儀是一種快速、便捷的納米粒度分析測試儀器，檢測器為PMT，散射角為150和900，精度為1%。取適量尾礦砂，按照儀器使用要求配置3mL樣品共5組（分別為A～E），進行測試和分析。尾礦粒徑的大小分布情況如圖1所示，小于某粒徑的尾礦顆粒含量（即累計含量）分布結(jié)果如圖2所示。5組尾礦砂的主要粒徑參數(shù)見表2。

圖1表明，各組粒徑分別關于其平均值呈對稱分布，類似于一條‘鐘型”曲線，即符合Gauss分布關系。5組試樣的d₅₀均小于0.5mm，且粒徑大于0.25mm的顆粒質(zhì)量百分數(shù)均不超過50%，表明該尾礦砂顆粒較細。A、B組粒徑在0.074mm以上的尾礦顆粒質(zhì)量未超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)位于1017之間，根據(jù)規(guī)范[2]中的原尾礦命名規(guī)則，A、B組總體分類屬于黏性尾礦中的尾粉質(zhì)黏土;而C、D、E組粒徑在0.074mm以上的顆粒質(zhì)量超過了總質(zhì)量的50%，且不大于85%，屬于砂性尾礦中的尾粉砂。

分析圖2可知，A組尾礦試樣顆粒大小很不均勻，B組曲線近似于倒S型，且粒徑跨度不大，表示尾礦試樣顆粒分布較為均勻，C、D、E組曲線形狀相似，粒徑跨度較大，顆粒很不均勻。

由表2可知，B組試樣的有效粒徑d₁₀最小，表明該組尾礦砂的透水性最低，土的可塑性最強且膨脹性和收縮性最為顯著。經(jīng)測試，B組黏粒含量約8.4%，在5%～15%范圍內(nèi)，適合進行土工試驗。尾礦的級配特征，可用不均勻系數(shù)C（d6}d，o）和曲率系數(shù)C_c（d₃₀²/（d₆₀d₁₀））表征，計算結(jié)果如表3所示。

在尾礦庫工程實際中，一般認為C_u≥5且1≤C_c≤3的土粒徑分布不均勻，較大的粒徑間的孔隙可由較小的土粒填充，屬于級配良好的土。從表3知，5組尾礦砂級配均為良好，連續(xù)級配分布均勻。此外，從尾粉質(zhì)黏土（A、B組）到尾粉砂（C、D、E組），尾礦砂顆粒的d₁₀和d₅₀都明顯增大，表明其砂粒（粒徑在0.075～2mm的土顆粒）含量在增加，或者黏粒含量明顯減少。

綜上所述，B組尾礦砂顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高，顆粒級配較好。由于細粒尾礦砂滲透性差，不利于壩體穩(wěn)定，且級配較好的尾礦砂含有的各組粒徑更為豐富，因此主要選擇危險性相對更大、粒徑更具代表性的B組尾礦砂（尾粉質(zhì)黏土）為試驗材料進行研究。

2 尾礦砂基本物理性質(zhì)測試

表征尾礦砂物理特性和狀態(tài)的指標主要有3個基本指標、4個液塑性指標和6個其他換算性指標。基本指標有含水率（w）、密度（ρ）和顆粒比重（G_s）。針對不同指標，根據(jù)土工試驗規(guī)程，分別選取大量尾礦壩原狀砂樣和擾動砂樣進行相應測試。

液塑性指標包括液限（W_L）、塑限（w_P）、塑性指數(shù)（I_P）和液性指數(shù)（I_L）。試驗根據(jù)FG-Ⅲ型光電式液塑限聯(lián)合測定儀法，圓錐質(zhì)量76g，錐角30°。測試時取250g原狀尾礦砂試樣，全部過0.5mm（35目）篩，并取200g試樣分成3份，用純水調(diào)制成3種不同含水率的土膏，靜置12h后進行試驗。對3種不同含水率的尾礦砂試樣進行試驗，3個點的圓錐入滲深度分別控制在3～4mm、7～9mm、15～17mm。以含水率為橫坐標，錐人深度為縱坐標，在雙對數(shù)坐標系中繪制關系曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，該尾礦的液限w_L為26.7mm，塑限w_p為16.1mm，則相應的塑性指數(shù)為：I_P=w_L-w_p=10.6，在10～17之間，因此該試樣屬于尾粉質(zhì)黏土;液性指數(shù)為：I_L=（w-w_p）/（w_L-w_p）=0.47，位于0.25～0.75范圍，屬于可塑狀態(tài)。

此外，其他物理性質(zhì)換算性指標有：孔隙比（e）、孔隙率（n）、干密度（ρ_d）、飽和度（S_r）、飽和密度（ρ_sat）、有效密度（ρ'）等。指標匯總見表4。

3 尾礦基本力學特性測試與分析

3.1 抗剪強度特性

土體抗剪強度是決定尾礦壩穩(wěn)定性的關鍵因素，根據(jù)Mohr-Coulomb強度理論，黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響壩體抗剪強度的主要指標[7]。

1）試驗方法選擇

土的抗剪強度取決于有效應力，而不是總應力，因此抗剪強度計算方法選用有效應力法187.s該尾礦的塑性指數(shù)I_P大于10，屬于黏性土;天然狀態(tài)下，飽和度小于80%，選用直剪儀或三軸儀測試抗剪強度。正常運行的尾礦壩會在自重作用下會逐漸完成排水固結(jié)，試驗方法宜選用排水固結(jié)法;對于這種含黏粒較多的細粒尾礦來說，直剪儀和三軸儀的抗剪強度試驗結(jié)果差別較小，而直剪儀由于其結(jié)構簡單、操作方便，同時也適合試樣的制備和排水，是目前測試土樣抗剪強度最直接的方法[9]。

根據(jù)現(xiàn)場排水條件的不同，直剪試驗分為快剪（Q）、固結(jié)快剪（CQ）和慢剪（S）3種，其中慢剪（S）法允許試樣在垂直壓力下排水固結(jié)，然后快速施加水平剪應力讓試樣破壞。

2）試驗過程及內(nèi)容

試驗采用南京土壤儀器廠的EDJ-1型等應變直剪儀。按土工試驗方法標準和規(guī)程中的要求，用內(nèi)徑6.18cm、高2cm的環(huán)刀分別制備4組尾粉質(zhì)黏土試樣，分別在100，200，300，400kPa壓力下分級施壓，記錄垂直變形讀數(shù)。待試樣固結(jié)穩(wěn)定（每小時垂直變形讀數(shù)變化不超過0.005mm）后，啟動秒表以0.02mm/min的速率剪切，直至測力計讀數(shù)穩(wěn)定或有顯著后退，則表示試樣已剪損。計算公式：式中：τ_S——剪應力，kPa;

C——測力計率定系數(shù)，N/0.01mm;

R——測力計讀數(shù)，0.01mm;

A_s——試樣面積，cm²。

3）試驗結(jié)果及分析

不同飽和度狀態(tài)下，剪應力與剪切位移關系曲線，如圖4所示。

取圖4中每條曲線的峰值點作為抗剪強度τ，τ與垂直壓力p的關系曲線，見圖5。線性擬合結(jié)果顯示，擬合度r²分別達到了0.9999和1，擬合效果較好，試驗數(shù)據(jù)準確度較高。圖中直線的傾角即為尾礦試樣的內(nèi)摩擦角φ6，直線在縱坐標軸上的截距為黏聚力c_s。

為了對比分析不同細度尾礦砂的強度參數(shù)變化情況，按照上述試驗方法和步驟，可進一步求得尾粉砂和尾細砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角，見表5。

結(jié)果表明，尾礦細粒含量越高，內(nèi)摩擦角越小，而黏聚力越強，這與尾礦顆粒中黏粒含量的多少有關[10]。黏粒含量高（粒徑小），則顆粒間的結(jié)構聯(lián)結(jié)越強，黏聚力越大;而黏粒含量高的尾礦砂顆粒表面更為平整，即顆粒間摩擦力小，內(nèi)摩擦角更小。

3.2 滲透特性

尾礦試樣材料（尾粉質(zhì)黏土）屬于細粒土（粘質(zhì)土和粉質(zhì)土）范圍，因此采用變水頭法進行滲透試驗。試驗儀器選用南-TST55型滲透儀，外形尺寸：φ118mm（管嘴除外），高度約155mm;試樣尺寸：φ61.8mm，高40mm，斷面積30cm²。根據(jù)土工試驗規(guī)程的要求分別對尾粉質(zhì)黏土、尾粉砂和尾細砂進行測試，每類尾礦砂測試6次，在測得的結(jié)果中選取4個允許差值以內(nèi)的數(shù)值，取其平均值作為該孔隙比時的滲透系數(shù)，結(jié)果見表6。

由表可知，尾砂細粒含量越高，滲透系數(shù)越小，且差異較抗剪強度參數(shù)大得多，達數(shù)倍至數(shù)十倍。

4 尾礦壩穩(wěn)定性計算和分析

4.1 模型建立

根據(jù)試驗結(jié)果，借助Slide軟件，直觀、準確地建立尾礦壩仿真模型，計算尾礦壩穩(wěn)定性。根據(jù)垂直條塊極限平衡法，采用自動搜索最危險滑動面的方法確定給定邊坡的臨界滑動面[11]。考慮該尾礦壩邊坡實際工況，對模型做出如下設定：邊坡失效后的整體滑動方向在模型上表現(xiàn)為自右向左，材料和支護的最大數(shù)量均為20個，條塊數(shù)量25條，計算精度0.005，最大迭代次數(shù)50次，條塊間的作用力函數(shù)為半正弦波形。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查結(jié)果，將尾礦壩AutoCAD縱剖面圖同比例導入Slide后建模。實際地層并不規(guī)則、均勻，但考慮到該尾礦壩分層壓實效果較好，且剖面軸線長度都在數(shù)百米以上，因此忽略其“尺寸效應”，參照庫區(qū)地層鉆探成果，將尾礦壩底層及其邊界進行概化分層。壩基各層材料參數(shù)見表7。

初期壩屬于工程邊坡，壩體材料為堅硬的干砌塊石（特堅石），c、φ值最大;強風化玄武巖屬于次堅石，巖結(jié)構破壞較大，巖性劣化顯著[11，c、φ值比中風化玄武巖（堅石）更小。

4.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)簡化畢肖普法和瑞典圓弧法，分別計算正常運行（干燥無降水）、洪水運行、特殊運行（暴雨和地震共同作用）時的穩(wěn)定性。其中，地震荷載考慮破壞性更大的水平荷載，根據(jù)尾礦庫所處地區(qū)地震烈度和設計分組以及規(guī)范要求[2]，確定地震荷載為0.29。以簡化畢肖普法為例，計算結(jié)果見圖6。

表8為壩體穩(wěn)定性計算結(jié)果，兩種計算方法分別計算出的3種工況下的尾礦壩最小安全系數(shù)，均明顯大于規(guī)范要求值[2]，表明壩體當前穩(wěn)定性較好。僅在洪水運行工況下，最小安全系數(shù)有所降低，在有地震作用時的特殊運行條件下，最小安全系數(shù)較正常運行時分別降低了38.4%和51.04%，表明地震荷載對壩體穩(wěn)定性影響大，應重視壩體的抗震、抗液化能力。

5 結(jié)束語

通過室內(nèi)土工試驗全面測試和分析了某銅礦尾礦砂的物理力學性能，并采用數(shù)值模擬方法計算了該尾礦壩3種運行工況下的穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

1）銅尾礦砂多為細粒尾礦，滲透性差，粒徑大小及其含量近似呈Gauss分布關系。尾礦砂級配均為良好，連續(xù)級配分布均勻，表明其抗地震液化性能較好，有利于壩體的長期穩(wěn)定。

2）尾礦顆粒分析結(jié)果和抗剪強度試驗結(jié)果相均表明，在本次試驗范圍內(nèi)，尾礦砂細粒含量越高（或粒徑越小），則黏聚力越強，而內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)越小。因此，按照尾礦砂粗、細顆粒級配關系進行科學、合理的放礦對壩體穩(wěn)定性至關重要。

3）極限平衡法可有效計算尾礦壩穩(wěn)定性，該尾礦壩最小安全系數(shù)均明顯大于規(guī)范要求值，且留有一定的安全儲備，表明當前壩體穩(wěn)定性較好。

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（編輯：商丹丹）