云南某尾礦壩治理后堆積尾礦力學(xué)性質(zhì)變化淺析＊

眭素剛，許漢華，武凱強(qiáng)，李 鵬

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 概述

尾礦一般均含重金屬[1]，尾礦庫主要用于堆存礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣[2]，作為礦山的重要生產(chǎn)設(shè)施[3]，具有高勢能、潛在人工泥石流災(zāi)害固體源，各自然、人為的不利因素均會(huì)使尾礦庫產(chǎn)生不同程度的安全隱患，若不及時(shí)采取相關(guān)措施治理發(fā)生潰壩，將會(huì)危及尾礦庫下游居民人身安全威脅和財(cái)產(chǎn)損失[4-6]，本文首先從氣候氣象、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件分別概述了云南某尾礦庫區(qū)的工程地質(zhì)條件，根據(jù)研究區(qū)尾礦壩影響因素特征，從尾礦堆積體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地震作用、壩坡形態(tài)、人為因素、外界影響因素六個(gè)方面展開尾礦堆積壩穩(wěn)定性分析，其次對該尾礦庫治理后與治理前針對相同的鉆探孔位置及取樣深度作了室內(nèi)試驗(yàn)對比分析研究，揭示了云南某尾礦壩治理后堆積尾礦力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。該研究為尾礦壩治理研究提供理論指導(dǎo)，具有一定的指導(dǎo)借鑒作用。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

云南某尾礦庫地處高寒山區(qū)，最高海拔2750m，最低海拔1450m，氣候寒冷，年平均氣溫14.5℃，有霜日全年平均120d，年降雨量1200～1600mm，原始地形屬于巖溶洼地、洼塘地形。尾礦庫中央分布有一擋水棱體壩，蓄水面積約33.5 萬m2，頂面標(biāo)高1746.5m，水面標(biāo)高約1743.58m，平均水深2.00m。研究區(qū)地層主要為第四系人工堆積層（Q4mL）、第四系坡洪積（Qdl+pl）粘土、三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組（T2g）灰?guī)r。場地大地構(gòu)造位置位于華南地塊最西部的右江褶皺帶的西緣，二級構(gòu)造單元為“歹”字型構(gòu)造體系中的哀牢山帚狀構(gòu)造帶與馬關(guān)弧形斷裂交匯地段，主干斷裂為壓扭性，構(gòu)造線向北東凸起形成彎曲弧狀。尾礦庫所處區(qū)域?qū)儆诩t河與南盤江地表分水嶺地段，庫區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，無地表水與尾礦庫相連。尾礦庫水匯聚于庫區(qū)中央擋水棱體壩內(nèi)，再通過循環(huán)管道達(dá)到資源重復(fù)利用的效果，其水量受尾礦庫周圍排泄管網(wǎng)的控制。庫區(qū)內(nèi)含水層主要為基巖及尾礦堆積體，基巖地下水屬巖溶裂隙水。由于巖溶裂隙發(fā)育且較連續(xù)，各組裂隙相互間聯(lián)系好，致使各基巖含水層中的地下水水力聯(lián)系較好。地下巖溶水水穩(wěn)定水位埋藏較深，地下水物理性質(zhì)良好，化學(xué)成分以重碳酸-硫酸-鈣-鎂型居多，礦化度低，大多數(shù)無侵蝕性。尾礦庫壩體示意圖如圖1 所示。

圖1 尾礦庫壩體示意圖

3 穩(wěn)定性因素分析

影響尾礦堆積壩穩(wěn)定性的因素很多，根據(jù)研究區(qū)尾礦壩影響因素特征，現(xiàn)就從尾礦堆積體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地震作用、壩坡形態(tài)、人為因素、外界影響因素六個(gè)方面展開分析如下。

3.1 尾礦堆積體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)

堆積體的密實(shí)度、抗剪強(qiáng)度、固結(jié)程度以及顆粒的成分、大小、形狀以及有無軟弱夾層分布和滲透性的大小都直接控制著堆積體的穩(wěn)定性，堆積體強(qiáng)度愈高則產(chǎn)生抗滑力越大，這是影響堆積壩穩(wěn)定性的最主要內(nèi)部因素。

3.2 水文地質(zhì)條件

尾礦堆積體孔隙比大，結(jié)構(gòu)松散，為地下水的覆存提供了良好條件，地下水豐富；受地下水作用，一方面孔隙水分布不利于尾礦的密實(shí)和固結(jié)，尾礦物理力學(xué)性質(zhì)有所降低，且地震時(shí)高孔隙水壓力極易導(dǎo)致尾礦液化，產(chǎn)生潰壩破壞；另一方面地下水滲流對壩體坡面產(chǎn)生滲流壓力，加大了堆積體的下滑力，不利于堆積體穩(wěn)定，當(dāng)滲透壓力過大時(shí)易產(chǎn)生流沙管涌等滲透變形破壞，對壩體穩(wěn)定極為不利。因此，控制地下水分布，降低堆積體浸潤線，對提高壩體強(qiáng)度，降低地下水的副作用，對壩體穩(wěn)定極為有利。本次勘察量測浸潤線標(biāo)高較2014 年降低0.0m～3.56m，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)明顯要高于2014 年勘察時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)。2014 年勘察時(shí)尾礦水在尾礦庫中心大面積無規(guī)則的分布，水位也較高，而尾礦庫現(xiàn)在經(jīng)過整治，尾礦庫中央形成擋水棱體壩，減少了尾礦庫庫面水域面積，增加了尾礦庫干灘長度，對尾礦壩穩(wěn)定性有利。

3.3 地震作用

受地震力作用，一方面地震作用力直接作用于堆積體，增加了壩體下滑力，對壩體穩(wěn)定不利；另一方面，瞬時(shí)地震力作用，產(chǎn)生高孔隙水壓力，堆積體有效應(yīng)力減弱，堆積尾礦極易發(fā)生地震液化，產(chǎn)生潰壩等災(zāi)害，對壩體產(chǎn)生致命破壞。庫區(qū)處于抗震設(shè)防烈度7 度區(qū)，壩體設(shè)計(jì)施工應(yīng)嚴(yán)格按照抗震設(shè)防要求進(jìn)行。

3.4 壩坡形態(tài)

堆積體是按照一定坡率逐層堆積而成，坡率越大，壩體越高，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)愈低。卡房尾礦庫原始地形為一巖溶凹地，經(jīng)過多年的尾礦堆積后，尾礦堆積壩高度總體與壩坡外地形最大高差約20m，各堆積壩形成了多臺(tái)多級的平緩邊坡，總體上，壩坡形態(tài)平緩，有利于尾礦堆積壩的穩(wěn)定。

3.5 人為因素

尾礦庫運(yùn)行管理、尾礦設(shè)施的維護(hù)、堆積壩上的綠化情況以及周邊環(huán)境的保護(hù)均對堆積壩的穩(wěn)定有重要影響?？ǚ课驳V庫2014 年后，在尾礦庫建成了中央蓄水庫，庫內(nèi)地下水位將受尾礦庫中央蓄水庫水位的影響，蓄水庫有配套回水循環(huán)措施，對水位高低可以進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，降低庫區(qū)浸潤線位置是尾礦庫穩(wěn)定的有利影響因素。

3.6 外界影響因素

尾礦庫屬一危險(xiǎn)源，其安全穩(wěn)定易受外界環(huán)境影響。堆積尾礦屬飽和尾粉砂、尾粉土，在震動(dòng)時(shí)易液化，庫區(qū)周邊應(yīng)嚴(yán)格控制爆破施工，或減小爆破裝藥量，將震動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)；對壩面進(jìn)行植物恢復(fù)，防治水土流失；壩面應(yīng)禁止放牧和人類工程活動(dòng)。

4 室內(nèi)試驗(yàn)對比分析

為了比較治理前后尾礦的力學(xué)性質(zhì)變化情況，本次研究布置鉆探孔位置及取樣深度與治理前2014 年尾礦庫勘察時(shí)相同。內(nèi)聚力c 值受控于尾礦的沉積規(guī)律，由于該尾礦中夾層較多，內(nèi)聚力c 值受試樣中夾層影響很大，試驗(yàn)所反映出內(nèi)聚力c 值離散性大，不能夠準(zhǔn)確反映試樣的抗剪強(qiáng)度，基于此，主要從內(nèi)摩擦角來比較其強(qiáng)度變化情況，治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5浸水快剪、浸水固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角較之2014 年有所增加，增幅不大（如圖2、圖3 所示）。治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粘土①5的壓縮系數(shù)值較2014年壓縮系數(shù)值有所降低（如圖4、圖5 所示），降幅為11.76%～19.05%，說明壓縮性增強(qiáng)。

圖2 浸水快剪φ 值對比圖

圖3 浸水固結(jié)快剪φ 值對比圖

圖4 壓縮系數(shù)av1-2 值對比圖

圖5 壓縮系數(shù)av2-4 值對比圖

根據(jù)高壓固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表1，尾粉砂①2、尾粉土①3超固結(jié)比OCR 明顯大于1，通常情況下，尾粉砂①2、尾粉土①3堆積時(shí)間相對較短，在正常沉積條件下，尾礦層的超固結(jié)比OCR 應(yīng)小于1，這顯然與正常沉積規(guī)律不符，其主要原因是在表層碎石堆積時(shí)，受到機(jī)械壓實(shí)作用影響。尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5沉積時(shí)間明顯大于上層尾粉砂①2、尾粉土①3的沉積時(shí)間，但尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5卻比尾粉砂①2、尾粉土①3超固結(jié)比OCR 明顯小，也說明機(jī)械壓實(shí)作用影響范圍主要在尾礦庫上部尾粉砂①2、尾粉土①3層。尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5超固結(jié)比OCR 近似等于1，說明除受到尾礦庫表層機(jī)械壓實(shí)作用影響外，尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5本身沉積時(shí)間較長。

表1 高壓固結(jié)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

影響尾礦堆積壩穩(wěn)定性的因素很多，本文根據(jù)研究區(qū)尾礦壩影響因素特征，從尾礦堆積體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地震作用、壩坡形態(tài)、人為因素、外界影響因素六個(gè)方面展開尾礦堆積壩穩(wěn)定性分析。

治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5浸水快剪、浸水固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角較之2014 年有所增加，增幅不大。

治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粘土①5的壓縮系數(shù)值較2014 年壓縮系數(shù)值有所降低，降幅為11.76%～19.05%，說明壓縮性增強(qiáng)。

機(jī)械壓實(shí)作用影響范圍主要在尾礦庫上部尾粉砂①2、尾粉土①3層。尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5超固結(jié)比OCR 近似等于1，說明除受到尾礦庫表層機(jī)械壓實(shí)作用影響外，尾粉質(zhì)粘土①4、尾粘土①5本身沉積時(shí)間較長。