某黃金尾礦庫固體廢棄物筑壩材料試驗研究

王小玲，梁興榮

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 734000)

1 引言

某黃金尾礦庫已建設(shè)三期，現(xiàn)計劃進行尾礦庫四期續(xù)建。前三期尾礦壩設(shè)計為碾壓土石壩，四期續(xù)建計劃采用礦區(qū)固體廢棄物(尾礦、碎石土、塊石料等)作為筑壩材料用于尾礦壩體填筑。

某黃金尾礦庫區(qū)有大量的固體廢棄物資源，工程具備就地取材。一方面可解決天然填筑材料運輸不便等一系列問題。另一方面，利用庫區(qū)固體廢棄物，不僅可保證本工程用填筑料的供應(yīng)及時，成本低廉，還可以就地取材，降低尾礦庫堆積，減輕環(huán)境污染，提高了資源利用率，具有良好經(jīng)濟及社會效益。在國內(nèi)已有利用固體廢棄物筑壩的例子，施工工藝設(shè)備基本可以滿足筑壩的需求，固體廢棄物筑壩的發(fā)展，應(yīng)用條件成熟。

2 試驗內(nèi)容

項目通過對某黃金尾礦庫的庫區(qū)尾礦情況進行調(diào)研，在對尾礦庫尾礦筑壩現(xiàn)狀調(diào)研；根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，選取4～5處塊石料、碎石土、尾礦等固體廢棄物進行性能測試，試驗系統(tǒng)開展尾礦、碎石土和塊石料作為填筑材料 (緊密密度、內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)等)性能的試驗。

3 試驗成果與分析

3.1 塊石料試驗成果

3.3.1 密度

塊石料的塊體密度除與礦物組成、空隙率和含水狀態(tài)有關(guān)。塊體裂隙較少和致密的塊體密度與顆粒密度接近，隨著空隙率、裂隙數(shù)的增加，塊體密度減小。試驗結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明塊石料顆粒密度平均值為2.97，主要是由于塊石料含密度大的礦物較多，顆粒密度較大；平均密度為2.68 g/cm3，塊石料致密且裂隙較少。塊石料空隙率為9.8%。

表1 顆粒密度試驗結(jié)果

3.3.2 單軸抗壓強度

單軸抗壓強度是巖樣在無側(cè)限條件下受軸向壓力作用破壞時單位面積上所承受的荷載，用于巖石的強度分級。試驗結(jié)果見表2。

表2 單軸抗壓試驗結(jié)果

從表可以看出，4組巖樣在干燥狀態(tài)的單軸抗壓強度平均值為92.9 MPa，飽和狀態(tài)的單軸抗壓強度平均值為57.5 MPa，平均軟化系數(shù)為0.63。巖樣飽和狀態(tài)的單軸抗壓強度值范圍在30 MPa～60 MPa，按堅硬程度分為較堅硬巖。塊石料飽和抗壓強度>40 MPa，軟化系數(shù)<0.75，不滿足SL 251-2015對反對堆石料質(zhì)量技術(shù)指標的要求。

3.2 碎石土試驗成果

3.2.1 顆粒組成

碎石土的顆粒集配是重要物理性質(zhì)，是決定工程性質(zhì)的基本因素。從實驗結(jié)果(圖1)平均值可以看出≥20 mm顆粒含量小于10%，≤0.075 mm顆粒含量<12%。

圖1 碎石土平均粒徑曲線

3.2.2 密度、滲透系數(shù)

碎石土最大干密度和最小干密度試驗是計算尾礦壩填筑料壓實程度的重要參數(shù)。試驗測得最大干密度平均值為1.91 g/cm3，最小干密度平均值為1.50 g/cm3。

土石壩結(jié)構(gòu)破壞的常見形式是滲透變形，SL 251-2015對填筑料滲透系數(shù)有明確的指標要求。試驗測得碎石土的平均滲透系數(shù)為4.15×10-3cm/s，滲透系數(shù)結(jié)果不滿足規(guī)程要求(≤1×10-4cm/s)。

3.2.3 三軸壓縮

三軸壓縮試驗為測定碎石土的總抗剪參數(shù)和有效抗剪強度參數(shù)，提供計算尾礦壩地基強度和穩(wěn)定使用的碎石土的強度指標內(nèi)摩擦角Φ和內(nèi)粘聚力C。試驗根據(jù)工程要求采用固結(jié)不排水和固結(jié)排水兩種類型試驗。

三組試驗試驗結(jié)果見圖2～圖3。固結(jié)不排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角的平均值為28.3°，粘聚力的平均值為0.095 MPa；固結(jié)排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角的平均值為34.9°，粘聚力的平均值為0.155 MPa。不排水狀態(tài)較排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角和粘聚力小，內(nèi)摩擦角跟粘聚力成正比。

(a) SST-001

(b) SST-002

(c) SST-003

(a) SST-001

(b) SST-002

(c) SST-003

3.3 尾礦試驗成果

3.3.1 比重、顆分、界線含水率

尾礦的比重，是計算孔隙比、飽和度以及為其他物理力學(xué)試驗提供必要的數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，5組尾礦試驗比重結(jié)果在2.71～2.73，平均值為2.72。尾礦的比重是尾礦中各種礦物的比重的平均值，大小與組成礦物種類及含量有關(guān)。尾礦顆粒分析試驗的目的為了解尾礦的粒度大小組成，并作為尾礦分類及土工建筑物選料的依據(jù)。從試驗結(jié)果(表3)可以看出5組尾礦液限均大于30%，塑限介于16.9%～18.0%之間，塑性指數(shù)在10～17范圍內(nèi)。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》附錄A尾礦定名表，結(jié)合顆分試驗結(jié)果，尾礦定名為尾粉質(zhì)黏土。試驗結(jié)果見表3。

表3 比重、顆分、液塑限試驗成果

3.3.2 易溶鹽、有機質(zhì)

壩體填筑料中易溶鹽、有機質(zhì)含量會影響填筑料的各項物理力學(xué)特征，其含量決定了工程類別和工程性質(zhì)。尾礦中易溶性鹽、有機質(zhì)含量較少，其含量滿足SL 251-2015 對一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標的要求。其含量檢測結(jié)果見表4。

表4 易溶鹽、有機質(zhì)含量試驗成果

3.3.3 最大干密度

控制尾礦壩填筑工程質(zhì)量的主要技術(shù)指標參數(shù)是壓實度，壓實度準確的一個重要前提就是最大干密度的準確。尾礦的擊實試驗是模擬施工壓實條件，用擊實試驗測定試樣在規(guī)程規(guī)定的擊實次數(shù)下的含水量與干密度之間的關(guān)系，從而確定尾礦的最優(yōu)含水量和最大干密度。試驗結(jié)果見圖4。

(a) WK-001

(b) WK-002

(d) WK-004

(e) WK-005

從試驗結(jié)果可以看出，5組試驗結(jié)果最大干密度在1.79 g/cm3～1.82 g/cm3之間，平均值為1.81 g/cm3；最優(yōu)含水率在15.9%～16.9%，平均值為16.5%。

3.3.4 滲透系數(shù)

滲透性質(zhì)是填筑料的重要的工程性質(zhì)，決定填筑料的強度性質(zhì)和變形、固結(jié)性質(zhì)，滲透問題是填筑料力學(xué)的三個重要問題之一，與強度問題、變形問題合成填筑料力學(xué)的主要三大問題。滲透試驗主要是測定壓實尾礦的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)的定義是單位水力坡降的滲透流速。試驗結(jié)果見表5。

表5 擊實尾礦滲透系數(shù)

從試驗結(jié)果可以看出，不同壓實度下填筑料滲透系數(shù)均小于1×10-7cm/s，滲透試驗結(jié)果滿足SL 251-2015對一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標的要求。在擊實尾礦體中水平向滲透系數(shù)比垂直向滲透系數(shù)大，對于尾礦庫工程，尤其考慮水平向滲透系數(shù)。

3.3.5 直接剪切

壩體填筑料的破壞都是剪切破壞，填筑料的抗剪強度是填筑料在外力作用下抵抗剪切的極限強度。無粘性填筑料的抗剪強度與法向應(yīng)力成正比；粘性填筑料的抗剪強度除和法向應(yīng)力有關(guān)外，還決定于填筑料的粘聚力。填筑料的摩擦角Φ、粘聚力C是土壓力、地基承載力和填筑料的邊坡穩(wěn)定等強度計算必不可少的指標。從試驗結(jié)果(表6)可以看出隨著壓實度提高內(nèi)摩擦角和粘聚力提高，尾礦庫壩體的填筑壓實程度越高，壩體越穩(wěn)定。

表6 不同壓實度剪切試驗成果

4 結(jié)語

對某黃金尾礦庫四期尾礦庫續(xù)建填筑料進行系統(tǒng)的顆分、直接剪切、三軸壓縮等試驗得出以下結(jié)論：

(1)塊石料軟化系數(shù)<0.75，不滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中堆石料原巖質(zhì)量技術(shù)指標的要求，塊石料不能用于堆石料。

(2)碎石土滲透系數(shù)>1×10-4cm/s，碎石土滲透系數(shù)不滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中碎石土、風(fēng)化土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標的要求，碎石土不可直接用于尾礦壩的填筑。

(3)尾礦<0.075 mm含量大于50%，液塑限在10～17范圍內(nèi)，尾礦按照《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》附錄A定名為尾粉質(zhì)黏土。

(4)尾礦中黏粒含量、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)(擊實后)、有機質(zhì)含量等指標滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》中對一般土填筑料質(zhì)量指標的要求。尾礦中自然含水率較擊實試驗最優(yōu)含水量大，在尾礦壩施工填筑時需進行晾曬等工藝處理。