云南某尾礦壩治理后堆積尾礦力學性質變化淺析＊

眭素剛，許漢華，武凱強，李 鵬

（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）

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廢渣[2]，作為礦山的重要生產設施[3]，具有高勢能、潛在人工泥石流災害固體源，各自然、人為的不利因素均會使尾礦庫產生不同程度的安全隱患，若不及時采取相關措施治理發生潰壩，將會危及尾礦庫下游居民人身安全威脅和財產損失[4-6]，本文首先從氣候氣象、地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件分別概述了云南某尾礦庫區的工程地質條件，根據研究區尾礦壩影響因素特征，從尾礦堆積體的性質結構、水文地質條件、地震作用、壩坡形態、人為因素、外界影響因素六個方面展開尾礦堆積壩穩定性分析，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試驗對比分析研究，揭示了云南某尾礦壩治理后堆積尾礦力學性質變化規律。該研究為尾礦壩治理研究提供理論指導，具有一定的指導借鑒作用。

2 庫區工程地質條件

云南某尾礦庫地處高寒山區，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，頂面標高1746.5m，水面標高約1743.58m，平均水深2.00m。研究區地層主要為第四系人工堆積層（Q4mL）、第四系坡洪積（Qdl+pl）粘土、三疊系中統個舊組（T2g）灰巖。場地大地構造位置位于華南地塊最西部的右江褶皺帶的西緣，二級構造單元為“歹”字型構造體系中的哀牢山帚狀構造帶與馬關弧形斷裂交匯地段，主干斷裂為壓扭性，構造線向北東凸起形成彎曲弧狀。尾礦庫所處區域屬于紅河與南盤江地表分水嶺地段，庫區內地表水不發育，無地表水與尾礦庫相連。尾礦庫水匯聚于庫區中央擋水棱體壩內，再通過循環管道達到資源重復利用的效果，其水量受尾礦庫周圍排泄管網的控制。庫區內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。由于巖溶裂隙發育且較連續，各組裂隙相互間聯系好，致使各基巖含水層中的地下水水力聯系較好。地下巖溶水水穩定水位埋藏較深，地下水物理性質良好，化學成分以重碳酸-硫酸-鈣-鎂型居多，礦化度低，大多數無侵蝕性。尾礦庫壩體示意圖如圖1 所示。

圖1 尾礦庫壩體示意圖

3 穩定性因素分析

影響尾礦堆積壩穩定性的因素很多，根據研究區尾礦壩影響因素特征，現就從尾礦堆積體的性質結構、水文地質條件、地震作用、壩坡形態、人為因素、外界影響因素六個方面展開分析如下。

3.1 尾礦堆積體的性質結構

堆積體的密實度、抗剪強度、固結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定性，堆積體強度愈高則產生抗滑力越大，這是影響堆積壩穩定性的最主要內部因素。

3.2 水文地質條件

尾礦堆積體孔隙比大，結構松散，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和固結，尾礦物理力學性質有所降低，且地震時高孔隙水壓力極易導致尾礦液化，產生潰壩破壞；另一方面地下水滲流對壩體坡面產生滲流壓力，加大了堆積體的下滑力，不利于堆積體穩定，當滲透壓力過大時易產生流沙管涌等滲透變形破壞，對壩體穩定極為不利。因此，控制地下水分布，降低堆積體浸潤線，對提高壩體強度，降低地下水的副作用，對壩體穩定極為有利。本次勘察量測浸潤線標高較2014 年降低0.0m～3.56m，穩定性計算結果的安全系數明顯要高于2014 年勘察時穩定性計算結果的安全系數。2014 年勘察時尾礦水在尾礦庫中心大面積無規則的分布，水位也較高，而尾礦庫現在經過整治，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，對壩體穩定不利；另一方面，瞬時地震力作用，產生高孔隙水壓力，堆積體有效應力減弱，堆積尾礦極易發生地震液化，產生潰壩等災害，對壩體產生致命破壞。庫區處于抗震設防烈度7 度區，壩體設計施工應嚴格按照抗震設防要求進行。

3.4 壩坡形態

堆積體是按照一定坡率逐層堆積而成，坡率越大，壩體越高，壩體的穩定安全系數愈低?？ǚ课驳V庫原始地形為一巖溶凹地，經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多級的平緩邊坡，總體上，壩坡形態平緩，有利于尾礦堆積壩的穩定。

3.5 人為因素

尾礦庫運行管理、尾礦設施的維護、堆積壩上的綠化情況以及周邊環境的保護均對堆積壩的穩定有重要影響?？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措施，對水位高低可以進行人為調節，降低庫區浸潤線位置是尾礦庫穩定的有利影響因素。

3.6 外界影響因素

尾礦庫屬一危險源，其安全穩定易受外界環境影響。堆積尾礦屬飽和尾粉砂、尾粉土，在震動時易液化，庫區周邊應嚴格控制爆破施工，或減小爆破裝藥量，將震動控制在一定范圍內；對壩面進行植物恢復，防治水土流失；壩面應禁止放牧和人類工程活動。

4 室內試驗對比分析

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

圖2 浸水快剪φ 值對比圖

圖3 浸水固結快剪φ 值對比圖

圖4 壓縮系數av1-2 值對比圖

圖5 壓縮系數av2-4 值對比圖

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

表1 高壓固結試驗統計表

5 結論

影響尾礦堆積壩穩定性的因素很多，本文根據研究區尾礦壩影響因素特征，從尾礦堆積體的性質結構、水文地質條件、地震作用、壩坡形態、人為因素、外界影響因素六個方面展開尾礦堆積壩穩定性分析。

治理后尾粉砂①2、尾粉土①3、尾粉質粘土①4、尾粘土①5浸水快剪、浸水固結快剪內摩擦角較之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的壓縮系數值較2014 年壓縮系數值有所降低，降幅為11.76%～19.05%，說明壓縮性增強。

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