成縣梯子溝尾礦壩穩(wěn)定性分析

李 琛

(甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局蘭州礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730046)

1 工程概況

該尾礦庫位于成縣黃渚鎮(zhèn)小嶺村梯子溝內(nèi)。尾礦庫地理坐標(biāo)：E105°43′58.52″、N33°57′13.40″。地形地貌上屬于西秦嶺南坡侵蝕構(gòu)造的中高山區(qū)，海拔1733m～1124m，相對高差609m，地形切割強(qiáng)烈，山勢險峻，多懸崖、峽谷，該尾礦庫已運(yùn)營21年，現(xiàn)已停止生產(chǎn)，初期壩體采用10m高漿砌石壩體和20m高碾壓土石壩加固而成。堆積壩采用上游法筑壩，形成4級堆積子壩，外坡比1:1.8和1:2.0，中間設(shè)置2條馬道。

2 勘察方法及工作量

共布置勘探線3條，每條勘探線上布置不少于6個勘探點(diǎn)，共布置19個勘探點(diǎn)。勘探點(diǎn)間距21.8m～49.2m，勘探線間距15.5m～36.7m，孔深5.6m～27.8m，總進(jìn)尺262.8m。目的是查明尾礦壩壩址區(qū)地層情況；查明尾礦的沉積規(guī)律、膠結(jié)程度及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，查明壩體內(nèi)浸潤線位置，取土試樣和進(jìn)行原位測試，獲得壩體穩(wěn)定性分析剖面。

3 尾礦庫區(qū)巖土工程條件

3.1 地層與巖性

①-1雜填土（Q4ml）：雜色，稍濕，土質(zhì)不均勻。經(jīng)人工回填碾壓的碎石土為主，成分以灰?guī)r等顆粒為主，粒徑大于20mm的顆粒含量占50.0以上。顆粒以棱角狀居多。由大量粉質(zhì)粘土及尾砂充填，粉質(zhì)粘土含量約占20%左右。①-2素填土（Q4ml）：淺黃色，硬塑。②尾粉砂（Q4ml）：灰白色，呈稍濕～濕，松散～稍密狀態(tài)。成分以長石、石英、云母碎屑及硫化物為主。粒徑大于0.075mm的顆粒含量約占50%以上。顆粒粒度不均，呈"千層餅"狀，整體成松散狀，局部含粉砂及泥質(zhì)，成分單一，具水平層理，呈"透鏡"狀。③尾粉土（Q4ml）：淺灰色、灰黑色，呈稍濕～濕，飽和，可塑～軟塑狀態(tài)。土質(zhì)較均勻，切面較為粗糙，無光澤，干強(qiáng)度中等，搖震反應(yīng)中等，干強(qiáng)度及韌性低，局部夾5mm～20mm薄層尾粉砂及尾粉質(zhì)黏土層。④碎石土（Q4dl）：淺灰色、呈稍濕～濕，飽和，中密～密實(shí)狀態(tài)。成分以灰?guī)r及石英片巖為主，多呈次棱角狀，一般粒徑5mm～10mm，約占50%左右，最大粒徑超過100mm，由大量粉質(zhì)粘土及尾砂充填，粉質(zhì)粘土含量約占20%左右，局部角礫含量較高。④-1粉質(zhì)粘土（Q4dl）：黃褐色、可塑狀態(tài)。土質(zhì)不均勻，含有少量角礫及碎石，碎石含量不超過20%，顆粒母巖成分以灰?guī)r為主。刀切面稍有光澤，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性中等。⑤灰?guī)r（D）：灰白，中風(fēng)化，礦物成分以碳酸鈣為主，隱晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，層面及斷面均呈灰色，硬度相對較大。RQD值10%～20%。

3.2 壩體的材料組成

堆積壩的初期壩和堆積子壩由碾壓土體和尾礦料堆積而成。由于后期對尾礦壩體加固，采用粉質(zhì)粘土進(jìn)行碾壓加固，為硬塑狀態(tài)。尾礦料主要由尾粉砂、尾粉土組成。堆積壩內(nèi)的尾礦料呈灰白色，上部呈松散稍濕狀。

3.3 庫內(nèi)尾砂的一般沉積規(guī)律

依據(jù)室內(nèi)尾砂顆分的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，根據(jù)剖面情況，尾砂在水平方向上，尾礦沿坡面向前流動過程中，細(xì)的顆粒隨礦水的移動，顆粒逐漸由粗變細(xì)，靠近壩體的尾砂顆粒較粗，向庫內(nèi)逐漸變細(xì)，以粉土居多。

在垂直方向上，受初期壩相對傾斜地形影響，在垂直斷面上顆粒由下向上逐次由細(xì)變粗。受排放尾礦時間的間歇性，放礦量、放礦濃度、壓力等多種不固定因素，尾礦夾層較多，層理明顯，多呈現(xiàn)互層形式。

靠近壩體區(qū)域，粗尾礦砂沉積較多，以尾粉砂為主。在遠(yuǎn)離壩體區(qū)域，尾礦砂向庫內(nèi)逐漸變?yōu)槲卜弁粒矣缮现料挛驳V總體呈現(xiàn)由粗變細(xì)的趨勢。

3.4 物理學(xué)參數(shù)的確定

在充分考慮野外原位測試、室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)等各種試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，參考有關(guān)規(guī)范綜合確定計(jì)算剖面上各層巖土的天然重度γ、飽和重度γsat、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ列于表1。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191-2012)的4.6.3規(guī)定，計(jì)算過程中地震烈度為Ⅷ度時，水平方向地震系數(shù)取0.07，垂直方向地震系數(shù)取0.047。

4 穩(wěn)定性分析

尾礦體顆粒細(xì)小，為散體堆積物。尾礦庫的穩(wěn)定性計(jì)算，主要還是沿用經(jīng)典土力學(xué)理論，將其視為邊坡。計(jì)算方法以極限平衡法為主。本文同時采用這2種方法進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。本文的穩(wěn)定性計(jì)算為尾礦庫堆積現(xiàn)狀。模型考慮正常運(yùn)行、特殊運(yùn)行和洪水運(yùn)行3種工況。因尾礦庫所處地區(qū)降雨量豐富，洪水運(yùn)行時假定尾礦體全部飽和。特殊運(yùn)行為地震烈度Ⅷ度時。

4.1 分析方法

4.1.1 瑞典圓弧法

計(jì)算公式如下：

式中：Fs-最小穩(wěn)定系數(shù)；Ci-第i條塊滑面黏聚力（kPa）；φi-第i條塊滑面內(nèi)摩擦角（°）；ai-第i條塊滑面與水平線夾角（°）；li-第i條塊滑面長度（m）；Wi-第i條塊滑面的土體重量（kN）；Wqh-水平地震慣性力（kN）；Wqv-垂直地震慣性力（kN）；Yed-圓心至水平地震力作用線的垂直距離（m）；Yc-圓心縱坐標(biāo)（m）。

4.1.2 畢肖普法

計(jì)算公式如下：

式中：Fs—斜坡穩(wěn)定性系數(shù)，Wi—第i條塊邊坡土條重量，單位：kN，αi—第i條邊坡土條傾角，單位：°，li—第i條邊坡土條潛在滑面長度，單位：m，Ci—第i條邊坡土條的內(nèi)聚力，單位：kN/m2，φi—第i條邊坡土條的內(nèi)摩擦角，單位：°，Cz—地震影響系數(shù)，為0.2。

4.2 計(jì)算評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB50547-2010）6.0規(guī)定，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K不應(yīng)小于表2規(guī)定的數(shù)值，根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191-2012)的23.2.12規(guī)定，四、五級尾礦壩穩(wěn)定性最小安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

5 穩(wěn)定性分析

5.1 分析方法的確定

當(dāng)用圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時一般需要假定多個不同的破壞網(wǎng)弧面，通過試算找出多個不同的F，以確定最小的穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)上述方法確定的計(jì)算剖面、計(jì)算參數(shù)與運(yùn)行情況，分別用畢肖普法、瑞典圓弧法進(jìn)行尾礦庫現(xiàn)狀壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，共進(jìn)行3種計(jì)算方案工作。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照計(jì)算方法進(jìn)行破壞圓弧的搜索，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，尾礦庫現(xiàn)狀正常運(yùn)行條件下3種條件下2種方法計(jì)算所得的最小安全系數(shù)均均滿足表4的要求，計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求。

簡化Bishop法所得的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果比瑞典圓弧法得出的結(jié)果要高3.57%～7.14%。沿著破壞圓心的軌跡線，圓心越靠近壩體，所得安全系數(shù)越小，這就意味著，與壩體下基巖或硬土層相切的圓弧將是最危險滑弧。

正常運(yùn)行條件：壩體及滑動帶土體均未達(dá)到飽和，土體物理力學(xué)性質(zhì)均為天然狀態(tài)，壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。壩體整體穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果與壩體現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)論一致。

洪水運(yùn)行條件：滑體土由于地表水下滲等因素影響處于飽和狀態(tài)，滑體重量加大，滑帶土抗剪強(qiáng)度下降，壩體體處于穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

特殊運(yùn)行條件：計(jì)算壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

尾礦壩現(xiàn)狀壩穩(wěn)定性計(jì)算、分析可看出，通過對最危險滑移面的搜索，正常狀態(tài)和洪水運(yùn)行狀態(tài)下，滑移面主要沿堆積壩壩面滑移。洪水運(yùn)行條件下，浸潤線對壩體穩(wěn)定性的影響較大，當(dāng)浸潤線位置較高，壩體趨于飽和狀態(tài)時，壩體穩(wěn)定性降低很多。

由以上計(jì)算結(jié)果、分析可以看出，尾礦壩壩體在3種工況運(yùn)行條件下，堆積壩體是穩(wěn)定的，滿足安全條件。

在洪水運(yùn)行下，壩體接近飽和，自重增加，強(qiáng)度降低，該壩曾在“8.12”暴洪中遭到一定的破壞。故在尾礦庫運(yùn)營中，必須加強(qiáng)對庫區(qū)和庫內(nèi)排水設(shè)施的管理，提高尾礦壩的整體穩(wěn)定性。還要做好壩體的變形監(jiān)測。

6 建議

①尾礦壩在今后的閉庫過程中，對浸潤線、位移觀測等監(jiān)測設(shè)施做好維護(hù)工作，加強(qiáng)浸潤線及位移的不間斷觀測。②現(xiàn)狀堆積壩壩體應(yīng)保持排水通暢，做好人工巡查工作，對堆積壩體截排水渠做好維護(hù)工作，保證暢通性。③做好尾礦庫的調(diào)洪驗(yàn)算，滿足排水要求。④做好壩體綠化維護(hù)工作，應(yīng)以植草為主。⑤加強(qiáng)對整個尾礦庫的巡視監(jiān)測工作，并做好安全預(yù)防措施。