新疆伊寧縣某尾礦庫續建場地工程地質評價分析

余昌輝，趙 旭，鄭 翔

（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局七O一隊，新疆昌吉 831100）

1 工程概況

1.1 地形地貌

本工程處于一個近南北向延伸展布的河間地塊式山嶺地帶，為剝蝕中山地貌。地勢北高南低，海拔標高1435~1635m，相對高差約200m，鄰近河谷地段，沖溝發育，切割強烈，形成棱狀山嶺，坡度30°~35°之間，河谷呈“V”字形。

1.2 氣象和水文

工程區屬溫帶大陸性半干旱氣候，日照時間長，晝夜溫差大。年均降水量400~600mm，4~7 月屬豐水期，占全年降水量的45.74%，8~9月屬枯水期，僅占全年降水量的11.04%；無霜期185d，平均穩定積雪期為84d，最大雪深890mm。

工程區位于山嶺地帶，常年有水，正常流量為1~2m/s，枯水期最小流量約為0.005m/s，礦區生產、生活用水取自該河水補給的河谷潛水。

1.3 地層

經現場工程地質測繪及地質鉆探、探井揭露，尾礦壩南部(包括排水棱體及排水管)地層主要為第四系全新統人工填土（Q4ml）；第四系全新統坡洪積（Q4dl+pl）粉土、礫砂、角礫、碎石；下石炭統阿恰勒河組(C1a1)凝灰質砂巖、角礫巖。

1.4 地質構造

工程區的古火山構造為中心式破火山口，在地面磁測圖上呈一典型的橢圓形環狀磁異常帶，環帶南北長2.6km，東西寬2.4km，面積6.24km2。尾礦庫正處于該環構造的西部邊緣，地層呈單斜產狀，其走向近于EW，傾向近于N，局部傾向NW或NE，傾角20°左右，局部30°~35°，褶皺不發育。

1.5 水文地質特征

工程區位于近南北向展布的山間溝谷，整體地勢南高北低。地表水來源主要為大氣降水和尾礦庫溢流水，沿防滲排水渠由南向北徑流至下游環保庫，水化學類型為SO4-Ca·Na 型水，礦化度0.87g/L。地下水可分為覆蓋層中松散孔隙水及基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水和尾礦庫水入滲補給，沿溝谷由北向南徑流，最終匯流至下游的克希河，水化學類型為SO4-Na 或SO4-Ca·Na型水，礦化度0.55~1.89g/L。

2 場地巖土物理力學指標

2.1 覆蓋層

針對場地覆蓋層，巖土測試工作主要為標準貫入試驗和重型圓錐動力觸探試驗，對于粉土采取原狀試樣進行土的物理力學性質試驗，對于砂土、碎石土采取擾動樣，經過試驗結果綜合判定：場地內粉土：承載力特征值fak=100kPa，壓縮模量E0=8.18MPa；礫砂：承載力特征值fak=160kPa，變形模量E0=16MPa；角礫：承載力特征值fak=250kPa，變形模量E0=25MPa；碎石：承載力特征值fak=400kPa，變形模量E0=28MPa。

2.2 基巖

按國標《建筑地基基礎設計規范》規定，綜合考慮場地特征及繼續風化和基礎施工等各方面因素對地基承載力的影響，建議承載力特征值取值如下：強風化凝灰質砂巖：承載力特征值fak=800kPa，φ=40°，抗剪強度C=120kPa；中風化凝灰質砂巖：承載力特征值fak=1800kPa，φ=45.4°，抗剪強度C=950kPa；強風化角礫巖：承載力特征值fak=500kPa，φ=35.5°，抗剪強度C=100kPa；中風化角礫巖：承載力特征值fak=1200kPa，φ=41.8°，抗剪強度C=820kPa。

3 場地工程地質評價

3.1 地基土承載力及巖土工程參數評價

本次勘察場地地層主要有：①層人工填土、②層粉土、③層礫砂、④層角礫、⑤層碎石、⑥-1強風化凝灰質砂巖、⑥-2中風化凝灰質砂巖、⑦-1強風化角礫巖、⑦-2中風化角礫巖。各巖土的主要物理力學指標建議值如表1所示。

表1 巖土的物理力學指標建議值

3.2 濕陷性評價

工程區屬于黃土地區，場地地層頂部主要由粉土組成。由黃土濕陷性評價計算可知自重濕陷量的0~3m 范圍內總的自重濕陷量17mm，計算值小于70mm，總的濕陷量498mm，計算值大于300mm，所以該場地濕陷性粉土為Ⅱ級（中等）非自重濕陷性場地。該層未經處理，不宜作為基礎持力層。

3.3 場地穩定性和適宜性評價

場地地處山間溝谷地貌，整體南高北低，溝谷縱向坡降一般為8%~10%。兩側山體坡面覆蓋層主要為坡積粉土、礫砂和角礫，平均厚度約3.14m，下伏地層為基巖，巖性以凝灰質砂巖、角礫巖為主，局部地段基巖出露。溝谷內地層主要為洪積粉土、礫砂和角礫，覆蓋層厚度15m 范圍內未全部揭穿。場地地層整體較穩定，場地溝谷沖刷切割作用較大，但發育規模不大，通過地質調查現有自然地質條件下是穩定的。

3.4 尾礦壩區穩定性評價

（1）壩基穩定性分析。工程區壩基持力層主要為礫砂層、角礫層及碎石層，在垂直壩軸線方向上，壩軸線以北，壩體下角礫、碎石層厚度變化在4.0~24.0m間，基巖頂板坡度約30°。壩軸線以南，壩體下礫砂、角礫層厚度變化小，在15.0~20.0m 間，基巖頂板坡度0°~15°，局部地段由于溝谷走向的變化，呈負向。因此基巖頂面對壩基穩定性影響的不利因素減小。而碎石、角礫層具有較高的抗壓、抗剪強度，其中的軟弱夾層縱向坡度小，不能單獨構成壩基滑移的邊界條件，因而移動后壩基的穩定性較好。

（2）壩肩穩定性分析。兩壩肩均為巖質邊坡，根據工程地質測繪結果，現分析如下：

左壩肩：層理和節理、斷層之間組合不利于邊坡的穩定性。其組合交線的傾角分別為：8°、10°、2°。

右壩肩：層理與節理的組合不利于邊坡的穩定性，其組合交線的傾角分別為8°、10°、6°。

綜合分析認為：兩壩肩巖層產狀平緩、巖層層面粗糙，無軟弱夾層，層間連接作用較強。雖部分節理、斷層與巖層層面的組合不利于邊坡的穩定，但其組合交線的傾角均小于10°，這種不利組合，再加上風化作用使層間連接作用減弱時，在局部陡坡地段會發生小的崩塌，但兩壩肩巖體的整體穩定性良好，不會發生大的滑塌。

4 尾礦壩體穩定性分析

（1）尾礦壩現狀變形定性分析。目前已運行的尾礦壩壩基及壩體均未發現有裂縫、凸起、外鼓、內陷等現象，壩基未發現流砂、管涌、地震液化等不利于堆積壩穩定現象，說明現狀條件基本穩定；壩體外側、坡面無滲水，說明初期壩排滲系統運行正常。壩坡未發現滲流、紊流、噴砂、冒水等不利于壩坡穩定的因素存在，坡面較順直，無高低起伏，凸起、外鼓、內凹等不利于堆積壩穩定的不良堆積方式殘留。未見坡面有大面積降水沖蝕形成的溝，僅見大氣降水面流痕跡。坡面現已生長草本植物。壩肩兩側為強風化—中等風化凝灰質砂巖、角礫巖，為平緩層狀斜坡，壩肩未發現裂縫、滑移等變形。

（2）尾礦壩現狀變形定量評價。該尾礦壩自2016年以來，建設單位布置變形監測點進行了長期變形監測，根據建設單位提供的監測數據，已運行尾礦壩在長期運行過程中，沉降量0.000~0.119m，最大沉降量為0.119m。尾礦壩變形、沉降受大氣降水、生產周期的控制和影響，呈雨季同步、加載速率同步特點。綜合以上數據，該初期壩在長期運行過程中，沉降量0.000~0.119m，單月最大沉降量為0.080m，滿足《尾礦庫安全技術規程》要求。

（3）最終壩高時的壩體穩定性分析。該尾礦庫的工程地質條件：尾礦庫類別（三類構筑物）、工程重要性（重要工程）、場地復雜程度（二級）、場地巖土介質復雜程度（二級）。結合建設單位生產規模（33×104t/a）的實際情況，分別按尾礦壩現狀壩高和最終設計壩高工況進行分析，對壩體的滲透穩定性采用有限元法，對壩坡的穩定性采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法。

①計算參數選取：根據對尾礦壩邊坡影響因素的分析，洪水、地震及人類工程活動是誘發壩體失穩發生的因素。因此，本次對尾礦壩穩定性計算考慮壩體自重、自重+洪水以及自重+洪水+地震三種工況，具體為：

正常運行：自重工況，僅考慮壩體自重，無地下水作用。巖土體參數全部取天然狀態或干燥狀態時的參數。

洪水運行：自重+洪水工況，考慮壩體處于全飽水狀態。巖土體參數全部取飽和狀態時的參數。

特殊運行：自重+洪水+地震工況，考慮壩體受地震外荷載影響，地震設防烈度為Ⅷ度。其他巖土體參數的選取原則與工況Ⅱ完全相同。

本次在庫區及壩體主要收集了原報告中巖土體物理力學試驗數據，同時結合尾礦壩南部開展鉆孔、探井和現場調查結果，對場地內不同巖土體進行了一定數量的巖土體物理力學試驗研究工作。在綜合對比各階段試驗成果的基礎上，同時類比相關重力型碾壓土石壩巖土體強度經驗值，經分析后得各巖土體物理力學指標。尾礦壩現狀壩高剖面圖見圖1，尾礦壩設計壩高剖面圖見圖2。

圖1 尾礦壩現狀壩高剖面示意圖

圖2 尾礦壩設計壩高剖面示意圖

②壩體滲透穩定性分析：本次滲流計算采用有限元方法，有限元方法是依據非飽和土理論——達西定律，采用有限元方法分析穩定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。分析結果見表2。

表2 尾礦壩滲透分析成果表

分析結果顯示，在現狀壩高和最終設計壩高時壩體滲透坡降值均大于允許滲透坡降值，但根據壩體現狀調查，坡面無滲水，未發現滲流、紊流、噴砂、冒水等不利于壩體穩定現象，因此初步判斷壩體滲透基本穩定，但應加強后期庫內水位觀測、壩體滲流觀測及壩坡變形觀測。現狀壩高和最終設計壩高時壩體最大滲透量分別為3.1×10-3m3/s和4.6×10-3m3/s。

③壩坡穩定性分析：本次壩坡穩定性分析分別按尾礦壩現狀壩高和最終設計壩高進行計算，對壩坡穩定性計算采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法。計算過程采用GEO-STUDIO 軟件對壩體進行數值模擬，計算三種工況條件下壩體穩定性，計算結果見表3。

表3 壩坡穩定性評價

5 結論

根據《尾礦堆積壩巖土工程勘察技術規范》（GB50547-2010）中表6.0.11-1、表6.0.11-2，關于壩坡抗滑穩定最小安全系數的說明，瑞典圓弧法正常運行期Kmin=1.20，洪水運行Kmin=1.10，特殊運行期Kmin=1.05，簡化畢肖普法正常運行期Kmin=1.30，洪水運行Kmin=1.20，特殊運行期Kmin=1.15。上述計算結果當中僅現狀壩高正常運行時壩坡穩定性狀態為穩定，其余狀態均為不穩定。