山西胡家圪噠溝尾礦庫工程地質(zhì)勘察與評價(jià)

張帆 丁仁偉 梁東

1 工程試驗(yàn)概況

胡家圪噠溝尾礦庫位于山西省代縣黑山莊鐵礦區(qū)，交通較便利，尾礦中主要有石英、白云石、絹云母、方解石等非金脈石礦物，尾礦通過自流輸送尾礦庫堆存，目前初期壩最大壩高約10 m，堆積壩最大壩高約 14 m，總壩高為 24 m，已堆積庫容約 30萬m3。目前該尾礦庫等級(jí)為五等，設(shè)計(jì)最終等級(jí)為四等。本次勘察目的為:1)查明尾礦堆積體和壩基地層分布特點(diǎn)。2)查明尾礦堆積體和壩基土體的物理、力學(xué)性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。3)查明勘察期間浸潤線的特點(diǎn)和場區(qū)地下水類型及埋藏條件。4)查明尾礦壩基和壩體的各種不穩(wěn)定因素，提出相應(yīng)的工程預(yù)防措施和方案。

2 尾礦庫工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

胡家圪噠溝尾礦庫庫區(qū)地貌單元屬山前黃土塬侵蝕溝谷地貌，沖溝較發(fā)育。該尾礦庫位于胡家圪噠溝上部，胡家圪噠溝寬度約100 m，溝底寬約15 m，溝深20 m～30 m，長400余米。溝上和溝下均為黃土覆蓋，南高北低，尾礦庫壩址以上匯流面積約0.12 km2。

2.2 地層巖性

勘察深度范圍內(nèi)，工程場區(qū)揭露地層主要有第四系全新統(tǒng)黃土狀亞砂土()和尾礦沖填堆積物(Qml)，由老至新分述如下:1)第四系全新統(tǒng)(Q4):尾礦庫壩基地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積物()，巖性主要為黃土狀亞砂土。2)沖填堆積(Qml):尾礦堆積物，巖性主要有碎石(初期壩體)、尾粉細(xì)砂、尾亞砂土和尾粉質(zhì)黏土等。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

1)地質(zhì)構(gòu)造。工程場區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ)山西臺(tái)背斜(Ⅰ3)的東北部，新構(gòu)造分區(qū)屬華北斷陷—隆起區(qū)(Ⅱ)之汾渭裂陷帶(Ⅱ2)東北部。但庫區(qū)及附近無全新活動(dòng)斷裂分布。工程區(qū)受阜平龍泉關(guān)群構(gòu)造、五臺(tái)群構(gòu)造、滹沱群構(gòu)造和蓋層構(gòu)造四個(gè)構(gòu)造層次控制。

2)地震。工程場區(qū)位于山西臺(tái)背斜地震構(gòu)造區(qū)，按照GB 18306-2001中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(1∶4 000 000)，工程場區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度為8度。該構(gòu)造區(qū)是強(qiáng)烈地震多發(fā)區(qū)，屬地殼不穩(wěn)定區(qū)。

2.4 水文地質(zhì)條件

1)地下水類型。庫區(qū)地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙潛水和尾礦堆積物內(nèi)上層滯水。第四系孔隙潛水主要賦存于壩基黃土狀亞砂土中，潛水埋深約為80 m。第四系孔隙潛水主要以地下徑流排泄，庫區(qū)尾礦堆積物內(nèi)上層滯水主要通過尾礦庫排水系統(tǒng)向庫區(qū)下游或臨溝排泄，少量回收利用。

2)巖土體的滲透性。本次勘察對堆積壩和沉積灘內(nèi)尾粉細(xì)砂和壩基黃土狀亞砂土取原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)。尾礦沉積物中的砂類土透水性較好，一般具中等透水性，有利于尾礦庫水向下游排泄;壩基黃土狀亞砂土透水性亦較好，一般具中等透水性。

2.5 壩體浸潤線

根據(jù)本次勘察資料，鉆孔中均未見水位。據(jù)增鑫鐵礦有關(guān)人員的介紹，尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行期間，沉積灘內(nèi)的尾水主要通過庫面排水管和排水涵洞向左側(cè)截洪溝排泄，目前工作正常，尾礦庫壩體未曾見浸潤線出露。

3 尾礦庫工程地質(zhì)條件及評價(jià)

3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)庫區(qū)地形地貌及土巖體空間分布特征，工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為砂、粘雙層結(jié)構(gòu)。按巖性自上而下共劃分為4個(gè)土體單元:尾粉細(xì)砂(Qml);尾亞砂土(Qml);碎石和黃土狀亞砂土()。

3.2 土體物理力學(xué)性質(zhì)測定

本次勘察對該尾礦庫內(nèi)的堆積物分層取原狀樣和散狀樣進(jìn)行室內(nèi)物理、力學(xué)性試驗(yàn)，現(xiàn)場進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對庫區(qū)尾礦砂和壩基土體進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，測定了動(dòng)模量、阻尼比、動(dòng)強(qiáng)度、液化應(yīng)力比等動(dòng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

3.3 尾礦庫主要工程地質(zhì)問題

尾礦庫場區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題為飽和砂性土地震液化問題和黃土狀亞砂土的濕陷性問題。首先對于飽和砂性土的地震液化問題，其工程場區(qū)地震基本烈度為8度，根據(jù)該尾礦庫土體單元特點(diǎn)，工程正常運(yùn)行后壩體及壩基土初判屬可液化層，然后根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)，對場區(qū)20 m深度范圍內(nèi)的砂性土地震液化進(jìn)行復(fù)判。其次對于黃土狀土的濕陷性問題，根據(jù)有關(guān)單位勘察，該尾礦庫庫區(qū)地基黃土狀亞砂土自重濕陷系數(shù)介于0.006～0.138之間，濕陷系數(shù)介于0.024～0.104之間。該地基土具輕微～強(qiáng)烈濕陷性，工程場地屬于自重濕陷性場地，地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。

3.4 尾礦庫初期壩工程地質(zhì)條件及評價(jià)

該尾礦庫初期壩主要由尾碎石、片石及尾粉細(xì)砂填筑，壩坡基本穩(wěn)定。初期壩壩基土為黃土狀亞砂土，在尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，可能引起該地基土產(chǎn)生濕陷破壞。黃土狀土垂直裂隙發(fā)育，庫區(qū)西北側(cè)初期壩下游壩基有3 m～5 m的臨空面，在尾礦排泄水和雨水的沖蝕作用下，易引發(fā)崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)初期壩體的反濾排水措施，防止壩體浸潤線上升產(chǎn)生壩體滲透變形，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)沉降驗(yàn)算，對壩基土采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施，同時(shí)需要對西側(cè)壩基臨空面進(jìn)行加固。

3.5 尾礦庫堆積壩工程地質(zhì)條件及評價(jià)

該尾礦庫堆積壩現(xiàn)有三級(jí)子壩，壩頂面一般寬4 m～7 m，壩高一般2 m～14 m，壩體由尾粉細(xì)砂經(jīng)碾壓而成，填筑坡角 21°～26°，小于土體的水下自然休止角，壩坡上無浸潤線出露，并且壩面鋪有約0.2 m～0.3 m的尾碎石進(jìn)行護(hù)坡，因此壩坡基本是穩(wěn)定的。另由庫區(qū)工程地質(zhì)剖面圖可以看出，尾礦庫主要由尾粉細(xì)砂組成，顆粒較粗，滲透性相對較好，但局部有尾亞黏土薄層，垂直方向上起到阻水效應(yīng)，可能會(huì)使局部壩體的浸潤線抬高，因此需要加強(qiáng)堆積壩縱向排水措施。

3.6 尾礦庫沉積灘工程地質(zhì)條件及評價(jià)

該尾礦庫采用上游法堆筑，沉積灘尾粉細(xì)砂固結(jié)程度很低，透水性較好，有利于尾水排泄。但是本次勘察期間，由于尾礦庫正進(jìn)行整治，造成沉積灘灘面較零亂，該尾礦庫沉積灘坡面雖整體上傾向庫尾，但較平緩，且堆積壩以上干灘長度較短，上游洪水和尾水較大時(shí)，極易造成下游浸潤線升高，導(dǎo)致堆積壩體產(chǎn)生滲透破壞。

4 主要結(jié)論與建議

1)該尾礦庫初期壩主要由尾碎石、片石及尾粉細(xì)砂填筑，初期壩壩基穩(wěn)定性較好，但應(yīng)防止雨季時(shí)庫址區(qū)西側(cè)沖溝水流對壩基的沖蝕作用。因此建議設(shè)計(jì)時(shí)對初期壩進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)定驗(yàn)算，并采取適當(dāng)排水措施降低浸潤線，加強(qiáng)初期壩變形觀測。2)現(xiàn)尾礦庫堆積壩第①層尾粉細(xì)砂和第②層尾亞砂土存在地震液化問題。建議完善堆積壩壩面排水設(shè)施設(shè)計(jì)，盡量降低浸潤線高度，保證干灘長度，防止各級(jí)子壩壩體處于飽和狀態(tài)而易造成滲流破壞和地震液化危害。3)該尾礦庫采用上游法堆積，沉積灘主要成分為尾粉細(xì)砂，坡面傾向庫尾，但較平緩，不利于尾礦物質(zhì)和水的混合物流向庫尾。因此，建議嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求的坡比對沉積灘進(jìn)行處理，并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)安全超高和安全灘長控制尾礦的排放流量和方式，加強(qiáng)對沉積灘面的管理工作。

[1] 河南省水利勘測有限公司.山西省代縣增鑫鐵礦胡家圪噠溝尾礦庫工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2008.

[2] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3] 劉桂靈.濕陷性黃土濕陷機(jī)理及處理措施[J].山西建筑，2009，35(6):148-150.