西藏玉龍銅礦尾礦庫滲漏特征及排洪隧道穩(wěn)定性分析

王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

?

西藏玉龍銅礦尾礦庫滲漏特征及排洪隧道穩(wěn)定性分析

王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

西藏玉龍銅礦的尾礦庫位于“青南藏東川西高原”的高山峽谷區(qū)，且?guī)靺^(qū)基巖為石灰?guī)r，水文地質(zhì)條件特殊，尾礦庫的的滲漏性問題及排洪隧道的穩(wěn)定性問題是建設尾礦庫的重要問題之一。查明尾礦庫庫區(qū)的地形地貌、巖土工程特征、地下水特征、巖層滲透系數(shù)，預測了庫區(qū)向鄰谷及下游方向的滲漏總量，并對排洪隧道圍巖的主應力變化、位移變化及剪應變云圖進行了數(shù)值模擬評價，對在高原地區(qū)修建水利設施具有一定的借鑒意義。

西藏；玉龍銅礦；尾礦庫；滲漏；隧道穩(wěn)定性

玉龍銅礦為世界特大型銅礦，探明銅金屬儲量650萬噸，遠景儲量達1000萬噸，玉龍銅礦的開發(fā),將縮小我國銅需求的缺口,具有重要的戰(zhàn)略意義。在該銅礦的開采過程中，勢必需要建設尾礦庫堆積廢棄礦渣，而尾礦庫的滲漏性問題影響著地下水對周圍生態(tài)環(huán)境，同時排洪隧道的穩(wěn)定性問題也制約著大壩的建設，因此對庫區(qū)的滲漏性和排洪隧道的穩(wěn)定分析具有重要意義。在庫區(qū)(水庫、尾礦庫等)地下水滲漏方面，楊春璞[1-2]對西藏旁多水利樞紐和阿渦奪水庫壩基滲漏及穩(wěn)定性進行了研究；陳會格[3]分析了西藏某尾礦庫的工程滲透性；夏延檐[4]對西藏某水電站的單薄山脊的滲透性及穩(wěn)定性進行了研究；而在排洪隧道方面，國內(nèi)外學者也進行了大量的研究。

本文通過對玉龍銅礦尾礦庫的庫區(qū)及壩址區(qū)進行地質(zhì)調(diào)查、鉆探勘察、壓(抽)水實驗等，查明庫區(qū)的工程地質(zhì)條件，得到巖土體的物理力學參數(shù)及滲透系數(shù)，并模擬開挖條件下排洪隧道，分析其穩(wěn)定性，主要研究內(nèi)容如下：(1)分析尾礦庫庫區(qū)的地下水特征及富水特性；(2)評價庫區(qū)范圍內(nèi)的滲漏性；(3)對在壩基荷載作用下，分析排洪隧道的應力變化及位移變化，評價排洪隧道的穩(wěn)定性。

1 尾礦庫庫區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 庫區(qū)地形地貌及巖土工程特征

玉龍銅礦西距昌都140 km，東至江達縣80 km，礦區(qū)公路在玉龍溝溝口與國道317線相連，交通較方便，礦區(qū)交通位置見圖1。尾礦庫庫區(qū)位于青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧靜山脈北段，山系多呈北北西—南南東方向排列，地形切割中等至強烈區(qū)域上屬于“青南藏東川西高原區(qū)”；地貌類型以高山構造剝蝕地貌為主，構造侵蝕—溶蝕地貌、侵蝕堆積地貌及冰川地貌次之[5-8]；庫區(qū)位于玉龍溝下游，溝床地形總體平緩，海拔高程在4 221～4 410 m間，兩側山坡地形陡竣，其中北東側地形相對平緩，自然坡度角在26°～40°間，南西側相對較陡，自然坡度角在32°～50°間，堆積壩淹沒標高4400 m。尾礦庫的最大壩高143 m，總庫容1.3億 m3。尾礦庫采用中線法進行堆壩，利用分級粗尾砂在初期壩下游壓坡、溢流尾砂庫內(nèi)排放[9]。

根據(jù)庫區(qū)地層時代、成因類型、巖性特征及物理力學性質(zhì)及現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪和現(xiàn)場鉆探揭露，其分布的主要地層有：(1)第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及殘坡積層(Q4el+dl)，主要包含碎石、粉質(zhì)粘土、砂礫石等；(2)三疊系上統(tǒng)阿堵拉組(T3a)，主要包含泥質(zhì)粉砂巖、頁巖；(3)三疊系上統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r，分布于庫區(qū)的下伏基巖。

圖1 西藏玉龍銅礦區(qū)域位置圖

1.2 庫區(qū)地下水特征

根據(jù)地層巖性、地下水賦存狀態(tài)等，該尾礦庫庫區(qū)內(nèi)地下水類型可分為：(1)松散堆積層孔隙水，主要分布于坡麓地帶、山麓坡腳地帶和溝谷地帶第四系沖洪積層的粉質(zhì)粘土、含粘土砂礫石、碎石層中；(2)碎屑巖風化裂隙水，主要分布于庫區(qū)西側的阿堵拉組(T3a)砂、頁巖層中，由注水試驗可知該巖層的滲透系數(shù)為9.812×10-4～3.335×10-1m/d，可見其透水性、含水性弱～極弱，可視為隔水層；(3)灰?guī)r巖溶裂隙水，主要分布于庫區(qū)的波里拉組(T3b)灰?guī)r地層中，灰?guī)r巖溶裂隙水與松散巖類孔隙水水力聯(lián)系密切，地下水類型屬潛水。

尾礦庫庫區(qū)內(nèi)的粉質(zhì)粘土為弱透水層，富水性差；碎石土，孔隙率大，以砂、礫石為主，透水性好，為強透水層，分布于坡地和緩坡地帶，透水但不含水；砂頁巖總體上透水性差，為弱透水層，是地下水邊界隔水層，構造破碎和節(jié)理裂隙發(fā)育段，透水性好；灰?guī)r裂隙和巖溶較發(fā)育，為中等透水層，為場區(qū)主要富水層，不同地層中的滲透系數(shù)見表1和表2。庫區(qū)地下水主要接受大氣降水及河流滲漏補給，但尾礦庫運行后，庫區(qū)內(nèi)水位大幅度抬升，尾礦水下滲將對地下水產(chǎn)生一定的補給；根據(jù)鉆孔資料，第四系地下水水力坡度約6%，水力坡度較陡，而庫區(qū)一帶的灰?guī)r巖溶裂隙水水力坡度在3%～8%左右。

表1 尾礦庫壩軸線地層滲透系數(shù)表

表2 尾礦庫壩址區(qū)地層滲透系數(shù)表

圖2 尾礦庫庫區(qū)灰?guī)r(a)優(yōu)勢產(chǎn)狀和(b)裂隙走向玫瑰花圖

2 庫區(qū)滲漏性評價

根據(jù)現(xiàn)場測繪及井下電視裂隙統(tǒng)計，在灰?guī)r區(qū)共統(tǒng)計475組節(jié)理裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)(圖2)，將灰?guī)r區(qū)節(jié)理裂隙歸納為4組，即裂隙L1：產(chǎn)狀為136°～147°∠78°～86°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為142°∠82°，裂隙率為2～10 條/m；裂隙L2：產(chǎn)狀為322°～334°∠57°～86°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為326°∠61°，裂隙率為2～5 條/m；裂隙L3：產(chǎn)狀為32°～36°∠74°～81°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為34°∠77°，裂隙率為2～5 條/m；裂隙L4：產(chǎn)狀為204°～210°∠75°～85°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為206°∠80°，裂隙率為1～4 條/m?；?guī)r區(qū)因節(jié)理裂隙的存在及連通，構成了水運移通道，降雨導致巖溶現(xiàn)象普遍，進一步加大加深了巖體裂隙，裂隙呈上窄下寬現(xiàn)象，可導致巖體導水性增加。

圖3 庫區(qū)向鄰谷方向(a)和繞壩順谷方向

尾礦庫庫區(qū)的地下水主要賦存于玉龍溝溝谷，灰?guī)r巖溶裂隙水位埋深為25.8～30.4 m，最高水位與庫區(qū)淹沒最高標高相差近125 m。庫區(qū)右岸坡脊主要為(T3a)砂、頁巖，其構造風化帶較破碎，由泥質(zhì)充填，其透水性、含水性弱，對庫區(qū)運營后影響較??；而左岸山脊以波里拉組(T3b)灰?guī)r為主，受風化、構造作用的影響，地表構造裂隙、風化裂隙非常發(fā)育，巖體內(nèi)的溶蝕裂隙也很發(fā)育，具有地下水運移和賦存的通道，不排除溝谷內(nèi)尚存在管道式地下水滲流。因此，當庫區(qū)內(nèi)尾礦砂堆積運營時，少量庫區(qū)尾礦水可能沿著灰?guī)r巖溶或裂隙向溝谷兩側外滲。通過裘布依公式和數(shù)值計算法得到的地下水通過單薄分水嶺的單寬滲流量基本相同，其滲漏流量為7.31×10-5～6.87×10-4m3/s[10]，圖3中為數(shù)值計算法模擬的滲流路徑圖。通過計算，庫區(qū)的向鄰谷和順谷方向的滲漏總量分別見表3和表4。

表3 尾礦庫庫區(qū)向鄰谷方向的滲漏總量

圖4 排洪隧道在開挖工況下的(a)最大主應力等值線圖和

計算方法庫區(qū)順溝谷單寬滲漏量(m3/s)控制寬度(m)庫區(qū)順溝谷滲漏總量(m3/s)庫區(qū)順溝谷滲漏總量(m3/d)裘布依公式法6.87×10-49500.6525.63×104數(shù)值模擬法6.24×10-49500.5935.12×104

通過裘布依公式和數(shù)值計算法計算可看出，尾礦庫運營后的庫水通過基巖裂隙下滲進入地下水系統(tǒng)，并地下水通道向鄰谷發(fā)生滲漏，其滲漏的總水量為庫區(qū)總滲漏量的11.4%(按照兩種計算結果取大值)；而繞過尾礦庫壩體(順谷方向)的基巖裂隙向下游截滲壩方向滲流的水量為庫區(qū)總滲漏量的88.6%。

圖5 排洪隧道在開挖工況下的(a)位移云圖和

3 庫區(qū)排洪隧道穩(wěn)定性評價

尾礦庫的排洪隧道位于大壩下方，全長1 145.71 m，坡比為0.02，為2×2.5 m城門洞型，襯砌為鋼筋混凝土結構。隧址區(qū)構造地質(zhì)較簡單，地層為單斜構造，未發(fā)現(xiàn)斷層等不良災害地質(zhì)體，無高應力區(qū)、集中應力區(qū)作用，也無偏壓作用，隧道距離尾礦庫壩軸線頂約70～80 m，已施工完成的隧道對尾礦庫建設基本無影響。但在壩址建設期間或運營過程中，壩體上部荷載作用會對排洪隧道造成一定的影響，現(xiàn)考慮壩體建成均布荷載為3 MPa，分析壩體對排洪隧道的影響。

洞室開挖后，由于圍巖應力重分布，在加載狀態(tài)下，開挖后的主應力云圖見圖5。

排洪隧道開挖后，在洞室的頂拱、底板位置形成低應力區(qū)，σ1量值大小為0.50～1.50 MPa；而洞壁兩側處形成新的應力增高區(qū)，σ1量值增大為7.0～10.0 MPa，σ3量值大小在0.60～1.05 MPa左右。除隧洞底部外，洞周圍巖應力多為壓應力，基本上未出現(xiàn)拉應力區(qū)。

排洪隧道開挖后的支護條件下的硐室圍巖位移特征和最大剪應變分別見圖5a和5b。位移均向開挖臨空方向，硐室頂拱、底板的位移量約4.5～5.5 mm；左右側邊墻圍巖總位移為2.0～3.25 mm，圍巖位移相對較小。對于開挖后，隧道兩側洞壁發(fā)生剪應變集中量值約為0.001 95～0.002 25，頂拱、底板剪應變集中量值較小，約為0.000 15。

根據(jù)壩體建成均布荷載后對排洪隧道的評價可知，排洪隧道周圍巖應力多為壓應力，基本上未出現(xiàn)拉應力區(qū)，尾礦庫后期堆積壩對現(xiàn)有排洪隧道基本無影響。

4 結語

(1)尾礦庫位于“青南藏東川西高原區(qū)”，庫區(qū)內(nèi)的粉質(zhì)粘土為弱透水層，富水性差；碎石土，透水性好，為強透水層，；砂頁巖總體上透水性差，為弱透水層，但構造破碎和節(jié)理裂隙發(fā)育段，透水性好；灰?guī)r裂隙和巖溶較發(fā)育，為中等透水層，為庫區(qū)內(nèi)主要富水層。

(2)尾礦庫運營后的庫水通過基巖裂隙下滲進入地下水系統(tǒng)，并地下水通道向鄰谷發(fā)生滲漏，其滲漏總量約為6.33×103～6.63×103m/d，而繞壩滲漏總量約為5.12×104～5.63×104m/d。

(3)排洪隧道在壩基荷載作用下，排洪隧道周圍巖應力基本為壓應力，未出現(xiàn)拉應力區(qū)，說明尾礦庫后期堆積壩對現(xiàn)有排洪隧道基本無影響。

[1]楊春璞, 宣樹學.西藏旁多水利樞紐壩基深厚覆蓋層滲透穩(wěn)定性研究[J]. 東北水利水電. 2009, (6): 4-8.

[2]楊春璞, 馬金波, 馮偉. 阿渦奪水庫壩基滲漏分析與處理[J]. 東北水利水電.2011, (9): 45-49.

[3]陳會格. 某尾礦庫工程滲透性分析[J].地下水.2014, 36(5):65-66.

[4]夏延檐, 李鵬飛. 西藏某水電站單薄山脊?jié)B透穩(wěn)定性分析[J].貴州科學.2015, 33 (3): 61-67.

[5]楊冠軍. 探討西藏某尾礦庫詳勘方法及手段[J]. 科技信息.2013, (13): 412-439.

[6]折書群, 劉小龍. 青藏高原東部玉龍銅礦巖溶地下水系統(tǒng)特征及供水方向[J].工程勘察.2009, 增2: 34-37.

[7]陳躍. 西藏玉龍銅礦崩塌落石運動特征及數(shù)值模擬研究[J]. 地質(zhì)災害與環(huán)境保護.2015, 26(2): 105-112.

[8]折書群. 西藏玉龍銅礦開發(fā)對區(qū)域水環(huán)境影響分析[J].長江流域資源與環(huán)境.2006, 15(2): 259-263.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 尾礦庫堆積壩巖土工程技術規(guī)范(GB 50547-2010)[S].中國計劃出版社.2010.

[10]袁勝超, 張小強. 西藏某尾礦庫庫區(qū)滲漏性分析[J]. 地下水.2014, 36(1): 109-111.

P641.4

B

1004-1184(2016)06-0181-03

2016-05-18

王亞明(1979-)，男，河北張家口人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察及工程施工工作。