某鐵礦中線法筑壩尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

朱斌，李永輝，郭金玉

(1.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

尾礦庫(kù)能否正常安全運(yùn)行和壩體是否穩(wěn)定一直是礦山企業(yè)和地方政府應(yīng)急監(jiān)管部門特別關(guān)注的重點(diǎn)，也是尾礦庫(kù)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和其安全生產(chǎn)許可證辦理或延續(xù)的重要依據(jù)。科學(xué)客觀地對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀及壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

某鐵礦尾礦庫(kù)堆積方式采用中線法尾礦筑壩工藝，能較好地利用自然地理?xiàng)l件，可以大幅度提高溝道條件的利用率，增加庫(kù)區(qū)尾礦的堆存量[1]。中線法筑壩工藝是將壩軸線固定在一定位置上，以此壩軸線為準(zhǔn)采用垂直向上堆筑沉砂壩體，并與溢流礦漿分散充填相結(jié)合的筑壩工藝。通過(guò)水力旋流器的分級(jí)，沉砂尾礦堆積體和溢流尾礦沉積體構(gòu)成了組合壩體，其結(jié)構(gòu)合理，充分發(fā)揮了粗細(xì)尾礦各自的特性[2]，具有壩體浸潤(rùn)線低和力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且充分利用了尾礦庫(kù)可利用的空間和分級(jí)尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)，從而提高了尾礦壩的穩(wěn)定性，故適于堆筑高壩[3]。

中線法尾礦筑壩工藝優(yōu)點(diǎn)較多，影響中線法尾礦堆積壩體穩(wěn)定性的2個(gè)主要因素分別為尾砂中的粗顆粒含量和尾礦庫(kù)所處地形[4]?！段驳V庫(kù)安全規(guī)程》（GB 39496—2020）要求[5]：“下游式或中線式尾礦筑壩分級(jí)后用于筑壩的尾礦，其粗顆粒（d≥0.074 mm）含量不宜少于75%，d≤ 0.02 mm尾礦顆粒含量不宜大于10%”。

1 工程概況

某尾礦庫(kù)位于陜西省商洛市丹鳳縣縣城東南、丹江一級(jí)支流—— 資峪河的支溝內(nèi)。該尾礦庫(kù)屬于山谷型尾礦庫(kù)工程，采用中線法筑壩工藝。尾礦庫(kù)工程包括堆石初期壩、堆石濾水?dāng)r擋壩、尾礦后期堆積壩，排洪主/支隧洞、庫(kù)區(qū)排水井，大壩觀測(cè)設(shè)施以及尾礦的輸送、回水設(shè)施等主要建（構(gòu)）筑物。其中，尾礦堆積壩包括初期壩、壩軸線上游的溢流區(qū)堆積壩、細(xì)顆粒排入壩軸線上游的尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)和下游的沉砂區(qū)堆積壩。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭露，壩址及庫(kù)區(qū)分布的主要巖土類型有尾礦土，初期壩體填土（），第四系全新統(tǒng)殘坡積（）碎石土。

2 尾礦土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及參數(shù)確定

2.1 尾礦土的工程特性指標(biāo)

2.1.1 物理性質(zhì)及壓縮性指標(biāo)

根據(jù)尾礦土室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得各層尾礦土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值，對(duì)沉砂區(qū)③層尾細(xì)砂進(jìn)行的顆分試驗(yàn)結(jié)果顯示，沉砂區(qū)③層粒徑d≥0.074 mm尾細(xì)砂含量占總量的79.4%，符合《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB 39496—2020）的相關(guān)要求[5]。

2.1.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

（1）直剪（固結(jié)快剪）試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)。根據(jù)尾礦土的室內(nèi)直剪（固結(jié)快剪）試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到各層尾礦土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值，見(jiàn)表1。

表1 直剪（固結(jié)快剪）試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

（2）三軸剪切試驗(yàn)（固結(jié)不排水）。為確定尾礦土三軸飽和固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)鉆孔采取原狀土樣進(jìn)行三軸飽和固結(jié)不排水強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀。將三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

2.2 尾礦土的滲透性能

為查明尾礦土的滲透性，評(píng)價(jià)尾礦土的滲透特性，進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)單環(huán)注水試驗(yàn)，尾礦土滲透性按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）附錄F[6]進(jìn)行評(píng)價(jià)。野外注水試驗(yàn)測(cè)得①層尾粉砂表層滲透系數(shù)k為4.0×10-4～2.25×10-3cm/s（即 0.35～1.94 m/d），平均值為 1.25×10-3cm/s（即1.08 m/d），為中等透水土層；由室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果可知①層尾粉砂和②層尾粉土均為中等透水土層。

2.3 尾礦土的動(dòng)力特性指標(biāo)

根據(jù)人工激震波速測(cè)試成果，按《尾礦壩（上游法）勘察規(guī)程》（YBJ 11—1986）[7]式 3.3.1-1，式 3.3.1-2，式3.3.1-3 計(jì)算求得各層尾礦土的動(dòng)剪切模量、動(dòng)泊松比和動(dòng)彈性模量。尾礦土的縱波速度Vp、橫波速度Vs分別?、賹?、②層算術(shù)平均值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 尾礦土的動(dòng)剪切模量、動(dòng)泊松比和動(dòng)彈性模量

根據(jù)室內(nèi)直剪（固結(jié)快剪）、三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合已有類似的工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定的壩體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3 尾礦庫(kù)穩(wěn)定性分析

3.1 庫(kù)區(qū)穩(wěn)定性分析

該尾礦庫(kù)自運(yùn)行以來(lái)，庫(kù)區(qū)沒(méi)有發(fā)生庫(kù)岸再造現(xiàn)象，庫(kù)區(qū)周邊無(wú)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象作用，庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定。

3.2 排洪設(shè)施可靠度分析

該庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)初期為百年一遇，中、后期采用五百年一遇的洪水。初期壩上游布置在庫(kù)區(qū)的三座排水井和右岸的排洪隧洞宣泄，采用“排水井進(jìn)流-排洪隧洞宣泄”的排洪方式，共有3座排水井、1條排洪主隧洞、2條支隧洞，目前一號(hào)泄水塔已被掩埋。初期壩與濾水?dāng)r擋壩之間，即沉砂區(qū)的洪水，通過(guò)濾水?dāng)r擋壩壩前的斜槽進(jìn)流、壩底設(shè)置的排水涵洞宣泄。為了避免庫(kù)區(qū)兩岸岸坡的降雨洪水沖刷堆積壩壩坡，在壩面與兩岸的交界處修筑壩肩截排洪溝，直接將兩岸岸坡的水流引到尾礦庫(kù)的下游。排洪系統(tǒng)現(xiàn)運(yùn)行基本良好，能夠達(dá)到排洪設(shè)防作用。

3.3 滲流穩(wěn)定性分析

尾礦壩滲流計(jì)算的主要目的是確定壩體浸潤(rùn)線出逸段的水力坡降，評(píng)價(jià)壩體滲流穩(wěn)定性。在分析尾礦庫(kù)的壩坡穩(wěn)定性之前，首先要分析并計(jì)算出該壩體浸潤(rùn)線以及相關(guān)參數(shù)。在對(duì)浸潤(rùn)線的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)，浸潤(rùn)線就是壩體橫剖面上穩(wěn)定滲流的自由水面線（或滲流頂面線）[8]。由于該尾礦庫(kù)正常工況時(shí)未見(jiàn)地下水位，灘面全部為干灘，對(duì)壩坡的穩(wěn)定不起控制作用。因此，滲流按閉庫(kù)壩高、設(shè)計(jì)洪水時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算。

（1）計(jì)算條件：堆積壩簡(jiǎn)化為均質(zhì)土壩，初期壩底視為排滲棱體，取初期壩底水位標(biāo)高為 0，堆積壩壩體滲透系數(shù)k=0.15 m/d。

（2）計(jì)算方法：滲流穩(wěn)定性計(jì)算及附圖見(jiàn)圖1，滲流公式法分析公式如下：

圖1 滲流穩(wěn)定性計(jì)算說(shuō)明（單位：m）

式中，V為滲流流速；k為滲流系數(shù)；J為滲流坡度；Q為滲流流量；A為滲流面積。

（3）計(jì)算結(jié)果。由滲流問(wèn)題公式法計(jì)算得：浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)為706.3 m 高程，位于初期壩上部，當(dāng)排洪設(shè)施滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，滲流穩(wěn)定性滿足要求；單位寬度滲流量為0.465 m3/（d·m）。

3.4 壩體穩(wěn)定性分析

3.4.1 初期壩壩體穩(wěn)定性分析

現(xiàn)有初期壩為透水堆石壩，初期壩被堆積壩掩埋，其已通過(guò)竣工驗(yàn)收，在堆積壩表面未發(fā)現(xiàn)裂縫、沉陷、破裂、滲流等不正常現(xiàn)象，地基持力層為板巖，壩肩支撐于兩側(cè)的基巖上，壩基及壩肩的地質(zhì)條件較好，因此定性判定該初期壩正常工況下其穩(wěn)定性滿足要求。

現(xiàn)有濾水?dāng)r擋壩為透水堆石壩，該濾水?dāng)r擋壩輪廓尺寸符合設(shè)計(jì)要求，壩面干砌石方平整，還未發(fā)現(xiàn)壩體外部有裂縫、沉陷、滑坡、滲流等不正?，F(xiàn)象，地基持力層為板巖，壩肩支撐于兩側(cè)的基巖上，壩基及壩肩的地質(zhì)條件較好。因此，判定該初期壩正常工況下其穩(wěn)定性滿足要求。

3.4.2 堆積壩壩體穩(wěn)定性分析

（1）定性分析。該尾礦庫(kù) 2012 年 1 月投入使用，從調(diào)查和鉆探看來(lái)，浸潤(rùn)線水位較低，堆積壩內(nèi)的尾礦土有一定的固結(jié)度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)初期壩有明顯的變形跡象，堆積壩壩坡未見(jiàn)明顯的地下水出逸點(diǎn)。因此，判定該尾礦壩在現(xiàn)狀條件下其穩(wěn)定性基本滿足要求。

（2）定量分析。為了對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，采用理正計(jì)算軟件中的瑞典圓弧法。計(jì)算荷載采用《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50547—2010）[8]中的總應(yīng)力法對(duì)應(yīng)的荷載組合，根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖1-1′～3-3′（見(jiàn)圖2至圖4）概化的壩體穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)該尾礦庫(kù)的現(xiàn)狀穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖2 工程地質(zhì)剖面示意圖1-1′

圖4 工程地質(zhì)剖面示意圖3-3′

現(xiàn)狀模型依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察得出的剖面建立。為計(jì)算方便，對(duì)壩體內(nèi)部的局部軟弱夾層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，考慮計(jì)算的邊界效應(yīng)，壩體上游延伸至庫(kù)區(qū)內(nèi)鉆孔處，壩體下游延伸至初期壩壩腳。

最終設(shè)計(jì)壩高尾礦壩的穩(wěn)定性計(jì)算選取最具代表性的2-2′剖面，在現(xiàn)有剖面基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)壩高及壩型進(jìn)行模型建立。為計(jì)算方便，對(duì)壩體內(nèi)部的局部軟弱夾層進(jìn)行了簡(jiǎn)化，考慮計(jì)算的邊界效應(yīng)，壩體上游延伸70 m，壩體下游延伸至初期壩壩腳。據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[9]：丹鳳縣抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，該場(chǎng)地基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

圖3 工程地質(zhì)剖面示意圖2-2′

計(jì)算考慮了正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行 3種工況[10]。按照規(guī)范要求確定3種工況，即：工況一，正常運(yùn)行工況（按實(shí)際浸潤(rùn)線計(jì)算）；工況二，洪水運(yùn)行工況，即暴雨工況；工況三，特殊運(yùn)行工況，即暴雨+地震工況。因在地震作用下，壩體浸潤(rùn)線有一定的抬升，對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響[11]。壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

本尾礦庫(kù)等級(jí)為三等，按《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50547—2010）有關(guān)規(guī)定[8]，在正常運(yùn)用條件下取壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.25，洪水運(yùn)行下為1.15，特殊運(yùn)行下為1.05。表5計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)狀條件下的3種工況（正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行），該尾礦壩穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，也說(shuō)明該壩體是安全可靠的[12]。

表5 現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 評(píng)價(jià)及結(jié)論

（1）該尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)沒(méi)有發(fā)生庫(kù)岸再造現(xiàn)象，庫(kù)區(qū)周邊無(wú)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象作用，庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定。排洪系統(tǒng)現(xiàn)運(yùn)行基本良好，排洪設(shè)施可靠。

（2）浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)為706.3 m高程，滲流穩(wěn)定性滿足要求；單位寬度滲流量為0.465 m3/（d·m）。

（3）現(xiàn)狀初期壩和濾水?dāng)r擋壩均為透水堆石壩，在堆積壩表面未發(fā)現(xiàn)裂縫、沉陷、破裂、滲流等不正常現(xiàn)象，地基持力層為板巖，壩肩支撐于兩側(cè)的基巖上，壩基及壩肩的地質(zhì)條件較好，判定該初期壩壩體正常工況下穩(wěn)定性滿足要求。

（4）通過(guò)定量分析，該尾礦庫(kù)堆積壩在 3種工況（正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行和特殊運(yùn)行）下壩體穩(wěn)定性均滿足要求。綜上可得出該尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性均滿足要求，為正常運(yùn)行庫(kù)。