某尾礦庫排洪回水隧洞成洞條件淺析

秦勇光，許漢華，龔憲偉，眭素剛，張國海，雍偉勛，付 俊

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

尾礦設施包括尾礦輸送系統、尾礦壩、回水系統和排洪系統，尾礦輸送系統、尾礦壩、回水系統均是在正常運行下保證礦山尾礦庫正常持續生產的環節，排洪系統雖不參與正常生產，但也是確保整個尾礦庫安全的重要保障。礦山尾礦庫、公路、城鎮等都面臨著雨洪排泄的問題，排洪工程控制的戰線長、工程量大、面積大、投入建設資金多，對整個排洪工程項目影響較大［1］。涵洞、溢洪道、隧洞都是尾礦庫的排洪構筑物和大動脈，其功能是排出澄清水、洪水，確保尾礦壩的運營安全，溢洪道、隧洞受地形地貌及水文、工程地質條件制約，不但施工建設難度大，而且其上部的建構筑物、圍巖（上覆土層）對其運營也有嚴重影響［2］。據統計，國內涉及尾礦庫病害事故中，排洪系統病害事故占到33.3%，洪水漫頂的占到44.4%，尾礦庫排洪系統重要性不言而喻，一旦出現排泄不順暢故障，將可能對尾礦庫造成嚴重的危害及地質災害，甚至造成周邊環境及下游村莊帶來嚴重的災難［3］。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

排洪回水隧洞通過段支山梁和支溝谷相間發育，溯源侵蝕溝源頭至最終淹沒線1945m 附近，發育規模不等，大部分處于老年期，少部分處于中年期，活動性弱～較弱。中等切割～淺切割庫岸山體。庫岸自然坡度25～40°，支溝自然坡降8～15°。排洪回水隧洞沿線地表植被茂密，溝谷段主要生長灌木和草類植被；山坡段主要為成長期～中年期云南松和灌木；地貌上屬低中山中等切割構造剝蝕坡地地貌。

1.2 地質構造

排洪回水隧洞上游A 段里程KA0+000～KA0+365.5m 受斷層Fw 影響，有炭質板巖構造破碎帶④R3層存在，構造破碎帶層底埋深大于小箐沖溝溝底地表（揭露最低高程1791m）；下游B 段地層沉積次序正常，構造作用跡象不明顯。排洪回水隧洞通過段構造作用對其穩定無影響。

1.3 地層巖性

排洪回水隧洞通過段地層結構采用里程長度按通過段巖土層特性進行分段，分段起點自進口開始：

A 段：里程KA0+000～KA0+365.5m，微地貌為支山梁和內溝相間發育。坡殘積粘土③層厚1.70～4.50m（支溝谷段有少量坡洪積粘土②1層，厚度小于2m）；其下為全風化絹云母板巖④11層和強風化絹云母板巖④12層，厚4.70～32.0m，山梁段厚度較大，溝谷段厚度較小；絹云母板巖下部為炭質板巖構造破碎 帶④3R層，埋 深6.00～15.80m，相 當 于 標 高1871.20～1886.70m，至1827m 高程未揭穿該層。庫區排洪回水隧洞穿越炭質板巖構造破碎帶④3R層。里程KA0+365.5～KA0+480.92m 微地貌為支山梁和內溝相間發育。溝谷段有少量坡洪積粘土②1層和粘土③層，厚1.70～6.00m；山梁地段直接出露全風化絹云母板巖④11層，埋深0～6m，溝谷段埋深較大，山梁段埋深較小，厚度2～5m；強風化絹云母板巖④12層，埋深2.7～8.0m，厚4.50～25.0m，山梁段厚度較大，溝谷段厚度較小；其下為弱風化灰色板巖④23層，至標高1823m 未揭穿。庫區排洪回水隧洞穿越弱風化灰色板巖④23層。

B 段：里程KB0+000～KB0+050.3m，微地貌為緩坡溝谷。溝谷段有少量坡洪積粘土②1層和粘土③層，厚2～5m；全風化絹云母板巖④11層，埋深2～5m，厚3～8m；其下為強風化絹云母板巖④12層。庫區排洪回水隧洞穿越強風化絹云母板巖④12層。里程KB0+50.3～KB0+380.38m，微地貌為支山梁。斜坡地帶有少量粘土③層覆蓋，厚度小于2m；其他地段直接出露全風化絹云母板巖④11層，埋深0～2m，厚度2～5m；強風化絹云母板巖④12層，埋深2～8m，厚6～12m，山梁段厚度較大，斜坡段厚度較小；其下為弱風化灰色板巖④23層，埋深15～30m，厚度較大，至標高1823m 未揭穿。庫區排洪回水隧洞穿越弱風化灰色板巖④23層。里程KB0+380.38～KB0+510.03m 微地貌為內溝溝谷地貌。第四系土層主要為坡洪積粘土②1層和粘土②2層，厚4～6m；強風化絹云母板巖④12層，埋深4～6m，厚5～8m；其下為弱風化灰色板巖④23層，埋深10～15m，厚度較大。庫區排洪回水隧洞穿越強風化絹云母板巖④12層。里程KB0+510.03～KB0+675.2m 微地貌為支山梁下坡腳地段緩坡地貌。局部地帶有少量粘土③層覆蓋，厚度小于2m；其他出露全風化絹云母板巖④11層，厚2～3m；強風化絹云母板巖④12層埋深3～5m，厚3～7m；弱風化絹云母板巖④13層埋深6～8m，厚5～10m；弱風化灰色板巖④23層埋深10～15m，厚度較大。庫區排洪回水隧洞穿越弱風化絹云母板巖④13層和弱風化灰色板巖④23層。

2 水文地質條件

庫區排洪回水隧洞通過的地層在里程KA0+000～KA0+365.5m 段為炭質板巖構造破碎帶④3R層，其余地段為弱風化灰色板巖④23層（局部有強風化絹云母板巖④12層和弱風化絹云母板巖④13層）。排洪回水隧洞通過段地下水主要為賦存于炭質板巖構造破碎帶④3R層和弱風化灰色板巖④23層中的基巖裂隙水。炭質板巖構造破碎帶④3R層具弱～微透水性，與小箐主溝谷內地表、地下水有水力聯系，補給來源較穩定，水量較大；弱風化灰色板巖④23層具微透水性（局部弱透水性），處于徑流區，水量較小。場地內地下水穩定埋深在小箐溝底面附近，標高1830～1860m，順小箐主溝谷坡降依次遞減。

3 成洞條件分析

3.1 圍巖穩定性評價

洞室開挖后圍巖的穩定性，取決于二次應力與圍巖之間的關系。在洞室周圍將形成三個不同的區域：即塑性松動圈、應力增高區（承載力圈）和原始應力區。洞室開挖形成了新的臨空面，洞壁內原來的三向應力轉變為二向應力，洞周圍一定范圍內巖體的應力重新調整，重新分布應力。應力重新分布的范圍，一般為3 倍洞徑左右。在此范圍外，巖體仍處于原始應力狀態，不受洞室開挖影響。應力重新分布導致松動圈原巖與原巖體呈脫開之勢，形成荷載作用于支護結構上。由于排洪回水隧洞各段穿越的地層巖性、強度、厚度、巖體完整程度差異較大，巖體的自穩能力，塑性圈大小等有較大的差別。

隧洞出口位置在現有初始壩壩腳附近，處于山前坡腳部位，地形平緩，坡度5～8°。粘土③層暴露于挖方邊坡坡面時，在干濕交替作用下易灑落。全風化絹云母板巖形成邊坡暴露在外時，自立穩定能力一般，易產生掉塊或小方量塌落。強風化絹云母板巖，自立穩定能力較好，暴露于挖方邊坡坡面時，無水力沖刷或外力破壞作用的情況下，能自立穩定。隧洞出口揭露的地層主要為上述三層。隧洞洞身在出口段主要穿越弱風化灰色板巖④23層，部分穿越弱風化絹云母板巖④13層，均屬Ⅳ類圍巖，成洞后自穩時間很短，易產生變形破壞，不穩定。

隧洞進口位于內溝東側岸坡地段，岸坡自然坡度20～35°。坡殘積粘土③層厚2～5m，全～強風化絹云母板巖厚15～20m，炭質板巖構造破碎帶④3R層埋深15～20m，洞身全斷面揭露該層，呈0.2～2cm 的薄片狀，巖體呈碎屑～碎裂結構，屬Ⅴ類圍巖。暴露于挖方邊坡坡面時，自立穩定性差，易產生小方量坍塌、滑落，有滲水或地表水流沖刷時，破壞規模更大。隧洞進口埋置于炭質板巖構造破碎帶④3R層中，屬Ⅴ類圍巖，極不穩定，不能自穩，變形破壞嚴重。

3.2 地下水的地表滲流方式

炭質板巖構造破碎帶④3R層中的裂隙水地表排泄特征為呈小股狀淌流，該含水層呈帶狀沿溝槽分布，具弱～微透水性，系庫區淺部主要的含水構造，自流量約3L/min，外溝下游的泉點（雙楣村果林中）出水量約60L/min，均屬該層地下水的地表排泄點。強風化絹云母板巖④12層、弱風化絹云母板巖④13層和弱風化灰色板巖④23層中的裂隙水地表排泄特征表現為沿裂隙呈片狀緩慢滲出，流量較小，約0.1～0.6L/min，庫區內支溝和小箐主溝交匯處附近的片狀滲水點屬于該層地下水的地表排泄點。隧洞開挖后，在穿越炭質板巖構造破碎帶④3R層的上游A段，地下水的出水方式以小股或涌流狀流出為主，若洞底標高低于鄰近主溝底時，易出現溝底匯水回灌補給，出水量將明顯增大。下游段洞室地下水的出水方式以淋雨狀滴水或線狀緩慢滲出為主，穿越內溝地段距離水塘較近，出水量會有所加大。

3.3 洞室與巖層產狀的關系

排洪回水隧洞通過段圍巖巖性、完整程度，巖體內板理、層理、劈理和風化（構造）節理裂隙產狀變化較大，按分段描述如下：

A 段：里程KA0+000～KA0+365.5m：圍巖為炭質板巖構造破碎帶④3R層，巖體極破碎～破碎，呈碎屑～碎裂狀結構，節理裂隙結構面密集發育，無明顯的方向性。里程KA0+365.5～KA0+480.92m：圍巖為弱風化灰色板巖④23層，巖體較完整，層理產狀150°∠40°，走向60°～240°，該段隧洞走向79°，與巖層走向夾角為19°。

B 段：里程KB0+000～KB0+050.3m、KB0+050.3～KB0+380.38m、KB0+380.38～KB0+510.03m 和KB0+510.03～KB0+675.2m 圍巖主要為弱風化灰色板巖④23層，局部溝谷段有少量強～弱風化絹云母板巖④12層或④13層，層理產狀150°∠40°，走向60°～240°，該段隧洞走向120°，與巖層走向夾角為60°。

3.4 隧洞施工支護評價

隧洞進口和出口段洞頂上部各巖土層厚度較小，設計時應保證有一定的安全覆蓋層。施工時盡可能不改變自然的邊坡形態，注意保護植被，邊坡和洞口以上需設置截洪溝，洞口段開挖形成的邊坡應按規范要求放坡，并采用坡面掛鋼筋網、噴水泥砂漿支護，或設置網格狀鋼筋混凝土肋條，種植草類植被護坡。洞身建議采用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護。

里程KA0+000～KA0+365.5m、KB0+000～KB0+050.3m、KB0+380.38m～KB0+510.03m 的圍巖類別為Ⅴ類；里程KA0+365.5m～KA0+480.92m 的圍巖類別為Ⅳ類；里程KB0+050.3m～KB0+380.38m、KB0+510.03m～KB0+675.20m 的圍巖類別為Ⅳ類，局部Ⅲ類。排洪回水隧洞洞身建議采用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護。庫區排洪回水隧洞使用過程中處于酸性水的浸泡狀態，洞身支護材料和洞內生產設施應具備耐酸性腐蝕性能（或采用防腐蝕措施），滿足設計使用年限要求。

排洪回水隧洞沿線圍巖大多屬于較軟巖，局部為軟巖，圍巖類別主要為Ⅴ～Ⅳ類，圍巖類別較低，巖體完整性較差且差異變化大，洞身自身穩定性差，須進行支護穩固處理。特別是洞身穿越A 段里程KA0+000m～KA0+365.5m 的圍巖施工困難程度較大。隧洞施工可采用工藝較先進的盾構法施工，該工藝施工安全性較好，施工進度較容易控制，但施工成本較高，也可采用傳統的礦山巷井掘挖工藝施工，施工原則建議“少擾動，邊施工邊支護、全時監測、超前預報”。

3.5 截洪溝

截洪溝位于庫區右岸最終淹沒線上方，順地形等高線呈線狀環繞右庫岸，收集匯入庫區的上游匯水面積范圍內的地表水，并將其引出庫區外，設置標高介于1855～1945m 之間，總長度約1620m。微地貌上截洪溝通過段支山梁和支溝谷相間發育，地形起伏變化較大，自然坡度較陡；截洪溝途經沿線植被茂密，水土保持良好；山坡地帶主要為生長期～壯年期的云南松，少量灌木，溝谷地段主要為草類植被和灌木。山體完整、溝谷穩定，無不良地質作用和其他地質災害發育，無泉點出露，無其他地表水體。截洪溝沿線地層主要有：支溝谷和溝谷兩側斜坡地帶淺部有坡洪積粘土②1 層，厚2～5m；下部地層為全風化絹云母板巖④11層，厚2～8m；強風化絹云母板巖④12層，埋深2～8m。地勢較高的支山梁地段地表直接出露全風化絹云母板巖④11層，厚2～5m；其下為強風化絹云母板巖④12層。坡洪積粘土②1層層位不穩定，厚度小且變化大，結構較松軟，不宜作為截洪溝基礎的直接持力層。殘積粘土③層、全風化和強風化絹云母板巖層均具低壓縮性，力學強度和抗變形破壞能力較好，均可作為庫區截洪溝的基礎直接持力層。截洪溝沿線地形坡度較大，其基底埋深應根據實際地形條件確定，防止滑動或傾覆破壞。截洪溝施工和使用期間，應注意保護好周邊植被。沿線山體、溝谷自然坡度較陡，原有的良好生態環境破壞后，地表裸露會加速地表巖土層風化解體，改變原有的地表雨水徑流途徑，地表匯水無序徑流會沖刷破壞地表巖土體，引發滑坡及崩塌等次生地質災害。

4 結論

排洪回水隧洞沿線圍巖巖性、完整程度、水文地質條件變化較大，地質條件較復雜；圍巖類別較低，主要為Ⅴ～Ⅳ類，洞身自身穩定程度較差。掘挖施工、洞身支護和洞內排水困難程度較大，應加以重視。施工前應制定可行的施工方案，確保施工質量和安全施工，開挖產生的廢土石應選擇合適的地點存放，避免引發次生地質災害。

截洪溝基礎持力層建議采用殘積粘土③層或全風化、強風化絹云母板巖作為基礎直接持力層。埋置深度根據現場實際地形條件確定，滿足抗滑動、抗傾覆的穩定要求。截洪溝線路展布較長，應盡量順地勢沿等高線附近布置，避免出現高挖方邊坡或高填方區，減少對原始的生態環境污染、破壞，挖方產生的棄土應合理排放。