赤泥堆場增高擴容工程穩定性分析

姚承余

（中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410123）

0 引言

赤泥是鋁礦生產氧化鋁所排放的一種帶強堿性的泥漿廢棄物，當前技術條件下赤泥還未能得到有效利用和處理，各鋁廠只能選定一個理想場所堆放赤泥。中國鋁業廣西分公司氧化鋁廠赤泥堆場地處巖溶區，地質條件復雜，同時其距離右江約2km，增高擴容后壩體的穩定性一旦得不到有效保障，壩體發生重大垮壩、滑移事故后，赤泥附液滲漏將對環境和地下水體造成嚴重污染。因此，加強對堆場現狀及增高擴容后的穩定性分析與研究并提出切實可行措施對赤泥堆場增高擴容的可行性和長期安全運行至關重要。

1 赤泥堆場概況

中國鋁業廣西分公司氧化鋁廠赤泥堆場位于廣西壯族自治區平果市新安鎮局祥屯與隴均屯之間，西南側距G80 南百高速約100m，北側距氧化鋁廠區東南部約1.0km，東側距平果縣城約7.0km。該赤泥堆場屬平地型尾礦庫，堆場初期壩壩底標高約為108m，采用上游式筑壩堆存，被分隔成4 個堆存區，其中一、二、三期采用漿體干法堆存，用于堆存含水率大于液限、小于150%的赤泥漿體，干法赤泥堆場采用濾餅干法堆存，用于堆存含水率小于液限赤泥。目前一、二期堆場筑壩高度均已達到原設計要求，干法堆已進行至第三級筑壩，各級子壩高度為6m，壩頂標高約134m。本次計劃增高至160m，設計壩高52m，加高擴容后的全庫容約為35×106m3，根據《尾礦堆積壩巖土工程技術規范》3.0.3 條規定，該赤泥堆場等別為Ⅲ等，赤泥堆場堆積壩級別為三級。

2 赤泥堆場的工程地質條件

2.1 地層巖性

根據勘察資料，結合原位測試試驗以及室內土工試驗成果，赤泥堆場分布的地層為第四系尾粉土、人工填土、殘坡積黏土，下伏基巖為下三迭統北泗組（T1b）白云質灰巖[1]。各地層的野外特征自上而下依次描述。

（1）尾粉土（Qml）由一期及二期赤泥堆場的尾粉土主要經排泥管排入自然風干后經推土機推高翻曬形成，漿體干法堆存工藝；干堆場采用濾餅干法堆存工藝。尾粉土外觀上呈紫紅、紫褐色，局部為灰黃色，局部黏粒富集成尾粉質黏土。尾粉土呈稍濕～很濕狀態，搖振反應強，光澤反應無光澤，干強度及韌性低。根據含水量及物理性質差異，分為5 個亞層。

尾粉土①1（“①1”為地層編號，下同）：為一、二期堆場各級子壩填筑土，呈濕、密實狀態。該層經人工碾壓夯實，基本完成自重固結。天然含水量為21.7%，天然密度平均值為20.7kN/m3，比重為3.17，孔隙比平均值為0.866，粘聚力為14.0kPa，內摩擦角標準值為23.0°。

尾粉土①2：呈很濕、中密狀態，尚未完成自重固結。天然含水量為31.2%，天然密度平均值為20.4kN/m3，比重為3.27，孔隙比平均值為1.100，粘聚力為23.8kPa，內摩擦角標準值為19.2°。

尾粉土①3：呈很濕、稍密狀態，尚未完成自重固結。天然含水量為36.1%，天然密度平均值為20.3kN/m3，比重為3.28，孔隙比平均值為1.209，粘聚力為19.0kPa，內摩擦角標準值為16.8°。

尾粉土①4：呈很濕、松散狀態，尚未完成自重固結。天然含水量為41.0%，天然密度平均值為19.7kN/m3，比重為3.27，孔隙比平均值為1.338，粘聚力為17.0kPa，內摩擦角標準值為15.9°。

尾粉土①5：為濾餅干法堆存工藝處理后的赤泥，呈稍濕～很濕、中密～密實狀態。該層分布于干堆場，堆填時間約1~5 年，尚未完成自重固結。天然含水量為21.2%，天然密度平均值為20.2kN/m3，比重為3.22，孔隙比平均值為0.934，粘聚力為11.0kPa，內摩擦角標準值為 21.4°。

（2）人工填土（Qml）可分為兩個亞層。

人工填土②：為一、二期堆場及干堆場初期壩壩體填筑材料，雜色，主要由塊石、碎石及粘性土組成，直徑大于10cm 含量超過60%，塊石主要成分為白云質灰巖、最大直徑可達35cm。局部含少量混凝土碎塊，密實度不均勻，總體呈中密狀態。

人工填土②1：雜色，系新近堆填而成，主要由粘性土組成，局部為碎石，呈松散～稍密狀態，密實度不均勻。該層零星分布于堆場周邊土路、道路兩側，堆填時間大于1 年，尚未完成自重固結。

（3）黏土③（Q4el+dl）呈褐黃、土黃色，系灰巖原地風化坡殘積而成，不均勻地含10%～30%灰巖質碎石，呈可塑～硬塑狀態；切面稍有光澤，搖振無反應，干強度中等，韌性中等。由于該層局部地段出露標高較高，一期堆場初期壩采用了該層作為壩體。

（4）下三迭統北泗組微風化白云質灰巖④（T1b）呈青灰色，主要礦物成分為方解石，隱晶質結構，中～厚層狀構造。沿層面或節理面局部可見礦物風化，節理裂縫稍發育，巖芯較完整，以柱狀為主，少量長柱狀、短柱狀，鉆進較困難。巖體較完整，屬較硬巖。

2.2 堆場地震效應

初期壩壩底下伏基巖為三迭統北泗組（T1b）白云質灰巖，巖層頂面標高約101～108m，覆蓋層厚度介于0~8m，初期壩的場地類別可劃分為Ⅰ～Ⅱ類，堆積壩的場地類別Ⅱ類。

根據《構筑物抗震設計規范》附錄A 及《中國地震動參數區劃圖》，赤泥堆場所在場地的抗震設防烈度為Ⅶ度，場地基本地震動峰值加速度為0.15g，基本地震動反應譜特征周期為0.35s，設計地震分組為第一組。

赤泥壩本身主要由尾粉土組成，上游為強度較低的赤泥，下游為臨空面，赤泥壩類似于人工形成的土質高邊坡，在地震作用下可能發生滑坡或崩塌現象，故赤泥壩屬于抗震不利的構筑物。

赤泥堆場初期壩壩底標高約為108m（壩頂標高約為118m），堆場計劃增高至160m，壩高約52m，設計全庫容約為35×106m3，結合赤泥堆場周邊環境，按《構筑物抗震設計規范》第23.1.2 規定，加高擴容后赤泥堆壩的抗震等級為Ⅲ級。根據本勘察所取得的地層資料，本場地地層為尾粉土層，尾粉土的粘粒含量占比大于10%，赤泥堆場所在場地的抗震設防烈度為Ⅶ度，參考《建筑抗震設計規范》4.3 節第二條堆場內的尾粉土層可判別為不液化或可不考慮液化影響。

3 堆場水文地質條件

3.1 堆場地表水

堆場附近地表水系為距離堆場北側2km 處的右江，堆場庫區內建有完善的排洪系統，堆場內大部分積水經排水豎井管道排出場外，堆場內積水僅為小面積積水，其主要補給來源為赤泥附液和大氣降水，主要以蒸發和下滲的形式排泄。根據現場查訪，赤泥壩運行10余年從未出現過由于暴雨致使洪水漫頂而造成潰壩事故。在遇大雨及暴雨過后，回水池進行回收處理時應注意及時抽排，控制堆場內積水不應過多，保障干灘長度足夠。

3.2 堆場地下水

一、二期堆場的地下水主要向東南方向流，三期堆場的地下水具有管道流特征，沿北西或北向流動[2]。一期、二期、三期堆場地下水流至干堆場，經平南、局祥地下河流動天窗匯合后拐至北東向，最后向右江排泄。

影響堆場壩體穩定的地下水為堆場初期壩基以上的地下水，其主要為上層滯水，上層滯水賦存于尾粉土中，受大氣降水、堆場內積水補給，經排洪口和集水管道排泄，水量較小，無統一地下水面，水位變化較大，呈現不均勻性。根據堆場增高擴容勘察資料，堆場地下水穩定水位埋深介于10.20～23.60m，標高介于99.21～149.83m，水位變化幅度為5.00～10.00m。赤泥尾粉土滲透系數為 1.49×10-6～7.06×10-6，為微透水性地層。

4 赤泥堆場現狀穩定性分析與評價

根據勘察結果，初期壩未見滑移、開裂等變形現象，各級堆積壩體未見整體滑移與貫通裂縫等現象，壩腳周圍未見明顯的裂縫、坍塌、滲漏、變形、泉眼、沼澤化現象。根據一期、二期赤泥堆場及干堆場截至2021年11 月18 日的在線監測位移成果資料，壩體目前的位移變形均未超過預警值，處于穩定狀態；目前排滲系統存在的隱患主要有排水溝破損、堵塞以及側壁局部發生傾斜；一期、二期赤泥堆場根據在線監測浸潤線成果表明，各監測點變化值均處于正常值范圍內。

堆場堆積壩級別為三級，其形成的邊坡屬土質邊坡。壩體穩定性計算采用“圓弧滑動破壞”模式，圓弧分析方法為瑞典條分法，計算公式按《建筑邊坡工程技術規范》附錄A 公式A.0.1，對一期、二期赤泥堆場及干堆場均勻選用與壩體垂直壩軸線且位于壩體最高處的剖面線。運用理正巖土計算6.5PB2 版軟件進行穩定性計算，圓弧穩定計算目標采用給定圓弧出、入口范圍及指定圓心范圍搜索最危險滑面多種搜索方式，采用快剪指標進行驗算。穩定性計算時主要考慮正常運行工況。計算結果表明：一期、二期赤泥堆場及干堆場各剖面在正常運行工況下，穩定系數介于1.230～1.816，滿足規范要求的最小安全系數。

5 加高擴容后壩體穩定性分析與評價

堆存時間越長、越靠近堆場底部的赤泥，含水量總體呈增大趨勢，相當于在堆存加高過程中，雨水及赤泥附液下滲補給至下部赤泥的水量多于下部赤泥排滲減少的水量，后續加高宜采用慮餅干法堆存[3]，同時應做好排洪措施，以減少雨水、赤泥液下滲。

干式排放后的赤泥泥漿經日曬蒸發以及下滲作用，堆場表面干燥后可能出現不同程度的裂縫現象。按裂縫發展規模，可以分為主裂縫、次裂縫[4]，主裂縫長度范圍在 30～180m，寬度在 8～40cm，切割深度 50～265cm，呈張性，局部呈張扭性，表現為水平張拉為主，垂直差異沉降為輔等主要特點，產狀近乎垂直。如裂縫長期發展下去，一旦連續幾天出現暴雨情況，雨水很容易通過裂縫直接滲透到壩體內部，大大減弱堆積壩體的強度，從而影響赤泥壩的穩定。裂縫發育具體原因有以下4 點：①沉降差異引起的沉降縫；②失水收縮引起的收縮縫；③可溶鹽溶解引起的壓縮裂縫；④高度與排泥漿時間差引起的壓力差產生裂縫。

根據《干法赤泥堆場設計規范》，加高擴容后的設計等別按三級考慮，最小安全超高取0.70m，據此反推設計洪水位取159.30m、最小干灘長度取50m，考慮裂縫的影響，壩體穩定性計算采用瑞典圓弧法，條分寬度為1m，計算結果表明：加高擴容后一期、二期赤泥堆場及干堆場各剖面在正常、洪水、特殊（地震）運行工況下分別滿足規范最小安全系數1.20、1.10、1.05 的要求。

6 結語

（1）本次對當前赤泥壩體在現狀條件和增高擴容條件下從總體定量評價和預測壩體的工作狀態，以確保運行中的堆場壩體是否滿足規范要求的安全值。建議按規范每3 年對赤泥壩現狀和后期邊坡穩定性進行綜合性評價。

（2）要保證堆積壩體的穩定性就必須降低浸潤線，排水系統是否良好直接決定浸潤線位置的高低，后續加高宜采用慮餅干法堆存。

（3）裂縫的存在使赤泥結構強度降低以及破壞了赤泥的整體性，還使雨水沿裂縫滲透到堆場內部，致使赤泥含水量增大。因此加強對赤泥堆場裂縫形成的機理研究并提出切實可行的防災措施，對赤泥壩的長期穩定性有十分重要意義。