勝利露天礦內(nèi)排土場現(xiàn)場原位試驗研究

劉 波 王志留 張 鵬 陳 帥 張文英 黃月軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083；3.神華北電勝利能源公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市，026015)

1 前言

內(nèi)排土場穩(wěn)定性問題關(guān)系到露天礦能否正常安全生產(chǎn)，也是巖土工程領(lǐng)域中熱點研究的內(nèi)容，統(tǒng)計結(jié)果顯示，90%以上的滑坡事故與降雨和地下水作用有關(guān)。許多學(xué)者對內(nèi)排土場穩(wěn)定性及其影響因素進行了研究，認為地下水滲流作用對內(nèi)排土場穩(wěn)定性的影響是不容忽視的。

研究地下水對內(nèi)排土場穩(wěn)定性的影響，進行現(xiàn)場水文地質(zhì)鉆探分析地下水分布、運動規(guī)律及滲透性能是十分必要的。周亞博等研究了內(nèi)排土場穩(wěn)定性與臺階高度之間的關(guān)系，優(yōu)化了排棄物堆置參數(shù)；付相超等以哈爾烏素露天礦為背景，研究了內(nèi)排土場滑動破壞模式，指出排棄物料滑動與基底之間的弱層是發(fā)生滑動的主要位置；張潤廷利用數(shù)值模擬的方法分析了寶日希勒露天礦南幫穩(wěn)定性情況，并提出了合理的滑坡控制措施；周偉等分析了開采過程中不平衡地應(yīng)力變化，指出了內(nèi)排寬度與穩(wěn)定系數(shù)與之間的函數(shù)關(guān)系，研究了內(nèi)排土場對邊坡穩(wěn)定性的影響；韓萬東等分析了黑岱溝露天礦內(nèi)排土場不同留溝方案下穩(wěn)定性情況，指出了最佳留溝方案；姜海濤等利用FLAC結(jié)合M-C準(zhǔn)則研究了排土場應(yīng)力場和位移場等分布，認為軟弱巖層是威脅排土場穩(wěn)定性的主要因素，且在弱層位置發(fā)生剪切破壞。

黃廣龍等針對排棄物基本特性進行了分析，為了研究排土場穩(wěn)定性情況，通過實驗室粒級分類和室內(nèi)試驗研究了排土場散體巖土力學(xué)性質(zhì)；周中等分析了土石混合體排棄物的物理幾何性質(zhì)，設(shè)計了實驗室正交試驗，研究了含石量、孔隙率及幾何形狀對多孔混合介質(zhì)滲透性能的影響，給出了排棄物介質(zhì)滲透系數(shù)計算公式及影響因素；陳子華等分析了邊坡堆積區(qū)域排棄物介質(zhì)的特性，設(shè)計了試坑雙環(huán)注水試驗，結(jié)合室內(nèi)顆粒級配實驗研究了顆粒尺寸對多孔介質(zhì)滲透性的影響，分析了滲透參數(shù)差異的原因；龐林祥等通過室內(nèi)實驗研究了土石排棄物不同含石量條件下的滲透性能，認為通過增加對介質(zhì)的擊實應(yīng)力可顯著降低土石混合體滲透性能。

但是，上述對內(nèi)排土場穩(wěn)定性及滲透性能的研究主要從排土場參數(shù)優(yōu)化、數(shù)值分析和室內(nèi)試驗等方面進行，很少對內(nèi)排土場排棄物區(qū)域進行現(xiàn)場原位試驗及水文地質(zhì)特征進行研究，而對于內(nèi)排土場的填土區(qū)域，現(xiàn)場原位試驗分析排土場的地下水情況及滲透性能也是最直觀最有效的方法。本文以勝利露天礦內(nèi)排土場為工程背景，設(shè)計了水文鉆探、示蹤連通試驗以及分層壓水試驗等現(xiàn)場原位試驗，研究邊幫滲水條件下內(nèi)排土場地下水分布情況、運動規(guī)律和滲透性能。

2 工程概況

勝利露天礦自建礦以來，為了疏降地下水，分期布置和實施了大量疏干井，并形成一定規(guī)模的排水系統(tǒng)。由于東南幫地下水豐富而且滲透性較差等特殊的水文地質(zhì)特征，導(dǎo)致地下水疏降難度較大，幫坡滲水成為影響露天礦安全生產(chǎn)和邊坡穩(wěn)定的重要因素，前期東部非工作幫多次較大規(guī)?；露寂c降雨和地下滲水密切相關(guān)。目前，內(nèi)排土場已排至975 m水平，排棄高度約為165 m，而東幫地下水仍源源不斷地向采場(內(nèi)排土場)側(cè)向徑流涌入。

目前，露天礦東幫有南北兩個水倉用于導(dǎo)流疏水，東幫涌水采取了導(dǎo)流、匯集于南北水倉后用水泵集中抽排的措施，但仍有大量東幫涌水滲入內(nèi)排土場。水倉與內(nèi)排土場的相對位置分布如圖1所示。

由圖1可以看出，南北水倉位于東幫所在區(qū)域，自東向西依次為東幫-平臺-內(nèi)排土場斜坡坡面-采場。內(nèi)排土場是剝離物堆積形成的，其內(nèi)部水文地質(zhì)條件和滲透性能及地下水分布情況不明，一方面原因是排土場并沒有采取錨桿錨索等專門的加固措施；另一方面原因是東幫地下水滲流作用影響不明。有必要查明內(nèi)排土場地下水分布情況及滲流運動規(guī)律等情況，獲得內(nèi)排土場排棄物滲透性能參數(shù)，為分析東幫滲水與內(nèi)排土場穩(wěn)定性之間的關(guān)系和采取必要的防治措施提供依據(jù)。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 流場分析

為了研究勝利露天礦內(nèi)排土場地下水分布情況，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在露天礦內(nèi)排土場區(qū)域布置了8個水文鉆孔進行鉆探勘察，為地下水位分布的探明和后續(xù)現(xiàn)場原位試驗做準(zhǔn)備，其中ZK1、ZK2、ZK3、ZK7和ZK8這5個水文鉆孔布置在內(nèi)排土場平臺上，ZK4、ZK5和ZK6這3個鉆孔布置在內(nèi)排土場臺階上，現(xiàn)場鉆孔位置如圖2所示。

基于上述現(xiàn)場水文鉆探試驗，根據(jù)水文鉆孔成果，對不同鉆孔的水位分布情況進行了分析，借助于Surfer軟件獲得了內(nèi)排土場地下水流場分布情況如圖3所示。

由圖3可以看出，露天礦內(nèi)排土場的穩(wěn)定性受到東幫地下水的威脅，地下水主要從東幫方向向內(nèi)排土場方向滲入且水位逐漸降低，由于受到碎石填土阻力的影響，水力作用發(fā)生了衰減?？拷畟}的位置，地下水水位仍然較高，到達底部靠近采場位置地下水水位較低，但是仍然受到了地下水的影響，這說明東幫水系與內(nèi)排土場水系存在一定的水力聯(lián)系。

圖3 內(nèi)排土場流場分布

3.2 示蹤連通試驗

地下水示蹤連通試驗一般采用無污染、穩(wěn)定性好且易于溶解的鹽離子為示蹤劑，將一定濃度的示蹤劑溶液投放入投源孔，根據(jù)監(jiān)測觀測孔中示蹤離子濃度的變化計算地下水流速及滲透系數(shù)等的變化，最終分析地下水之間可能存在的水力聯(lián)系。

在該試驗中，根據(jù)示蹤試驗相關(guān)原理，認為示蹤劑溶液濃度隨著地下水的地下滲流方向運動，結(jié)合示蹤劑濃度峰值與不同孔位之間的距離求得水流參數(shù)。巖土體含水層的平均速度見式(1)，滲流速度大小為見式(2)：

式中：v1——含水層平均速度，m/h；

L——投源孔與觀測孔之間的距離，m；

t——投源劑濃度峰值出現(xiàn)的時間，h；

v2——滲流速度，m/h；

n——巖土孔隙率。

為了研究地下水流速情況，選擇上述ZK3、ZK7和ZK8這3個鉆孔進行示蹤試驗，其中上游為投源孔ZK3，下游為觀測孔ZK7和ZK8。本次ZK3與ZK8之間的距離為10.30 m，ZK3與ZK7之間的距離為10.60 m，ZK7與ZK8的距離為2.90 m。

從成本、地下水污染及試驗效果等多方面考慮，選擇NaCl溶液作為投源劑，根據(jù)Cl-濃度的變化情況對地下水滲流參數(shù)進行計算。投放示蹤劑前，測定各個試驗井中的靜止地下水位和Cl-本底濃度。配制NaCl溶液約是地下水中的Cl-濃度的120倍。將配制好濃度的NaCl溶液25 L，在短時間內(nèi)(t=60 s)注入試驗井中，試驗Cl-濃度的變化采用電導(dǎo)率儀測定。探頭位于水面以下5 m，根據(jù)觀測孔中Cl-濃度的變化判斷地下水流速，現(xiàn)場鉆孔分布如圖4所示。

圖4 示蹤試驗鉆孔位置分布

ZK7 和ZK8觀測孔離子濃度變化過程曲線如圖5和圖6所示。

圖5 ZK7觀測孔離子變化過程曲線

由圖5和圖6可以看出，投源孔ZK3中NaCl被投放后，13～14.5 h后觀測孔ZK7和ZK8中Cl-的濃度顯著增加，ZK7孔中Cl-的濃度由830.5 mg/L增加到峰值850.5 mg/L；ZK8孔Cl-的濃度由835.2 mg/L增加到845 mg/L，18.08 h后達到峰值，峰值濃度為854.8 mg/L。說明投源劑由投源孔到達觀測孔，Cl-的濃度升高，隨后由觀測孔繼續(xù)采場方向運動，Cl-的濃度開始降低。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)及式(1)和式(2)，得到內(nèi)排土場地下水滲流速度見表1。

圖6 ZK8觀測孔離子濃度變化過程曲線

表1 內(nèi)排土場地下水滲流速度表

由表1可以看出，ZK7和ZK8測得含水層速度分別為0.5782 m/h和0.5696 m/h，觀測孔ZK7所得速度大于觀測孔ZK8所得速度，說明地下水由東幫南北水倉位置流向內(nèi)排土場內(nèi)部方向，東幫與內(nèi)排土場中水存在一定的水力聯(lián)系，投源孔ZK3和觀測孔ZK7直線方向更接近于地下水主流方向。

3.3 分層壓水試驗

對于內(nèi)排土場排棄物而言，不同排棄物堆積深度由于碾壓及排棄時間的不同，可能造成不同深度排棄物的滲透系數(shù)不同。為了研究內(nèi)排土場填土區(qū)域不同深度的滲透性能，同時考慮到壓水試驗作為邊坡工程原位測試手段，具有操作簡便和數(shù)據(jù)客觀等優(yōu)點。本文針對鉆孔ZK2進行了分層壓水試驗，試驗孔總深度為165 m，選擇特制的壓水試驗器將實驗孔分為上、中、下三段，實驗儀器位置高度分別位于42～50 m、96～104 m和150～158 m處。

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)繪制S=f(Q)關(guān)系曲線圖，各試驗段壓水試驗P-Q曲線如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可以看出，各個試驗段5個壓力點對應(yīng)的P-Q曲線為紊流型，升壓曲線凸向Q軸，降壓曲線與升壓曲線重合。42～50 m試驗段所得滲透系數(shù)為5.107 m/d，96～104 m和150～158 m兩個試驗段的滲透系數(shù)分別為0.2687 m/d和0.5201 m/d。ZK2鉆孔壓水試驗結(jié)果統(tǒng)計一覽表見表2。

圖7 42～50 m試驗段壓水試驗P-Q曲線

圖8 96～104 m試驗段壓水試驗P-Q曲線

圖9 150～158 m試驗段壓水試驗P-Q曲線

表2 ZK2鉆孔壓水試驗結(jié)果統(tǒng)計表

由表2可以看出，內(nèi)排土場填土層的滲透系數(shù)差異較大，滲透系數(shù)與填土層深度出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，上層區(qū)域滲透性較大，下層區(qū)域滲透性較小，可能是由于填土層上下層形成時間不一致，下層形成時間較久，碾壓比較充分。這說明為了降低地下水及降雨等對排土場填土區(qū)域影響，減緩東幫滲水向內(nèi)排土場區(qū)域的滲流運動，需要對填土層區(qū)域進行充分的碾壓，減小填土區(qū)域的滲透系數(shù)。

4 結(jié)論

根據(jù)上述勝利露天礦內(nèi)排土場現(xiàn)場試驗研究，本文得出以下結(jié)論：

(1)探明了勝利露天礦內(nèi)排土場地下水流場分布情況，排土場穩(wěn)定性受東幫地下水威脅。地下水主要從東幫方向向內(nèi)排土場方向滲入且水位逐漸降低，由于受到碎石填土阻力的影響，水力作用發(fā)生了衰減?？拷畟}的位置，地下水水位較高，到達底部靠近采場位置地下水水位較低，這說明東幫水系與內(nèi)排土場水系存在一定的水力聯(lián)系。

(2)通過現(xiàn)場示蹤試驗研究了Cl-在觀測孔中的變化情況，勝利露天礦邊坡說明地下水由東幫南北水倉方向流向內(nèi)排土場內(nèi)部方向，南北水倉可能與內(nèi)排土場中水存在一定的水力聯(lián)系，投源孔ZK3和觀測孔ZK7直線方向更接近于地下水主流方向，地下水平均速度約為0.5782 m/h和0.5696 m/h。

(3)內(nèi)排土場填土層分層壓水試驗表明，填土區(qū)域滲透系數(shù)差異較大，滲透系數(shù)與填土層深度出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，上層區(qū)域滲透性較大，下層區(qū)域滲透性較小，可能由于填土層上下層形成的時間不一致，下層形成時間較久，碾壓比較充分。說明為了降低地下水及降雨等對排土場填土區(qū)域影響，需要對填土層區(qū)域進行充分碾壓，減小填土區(qū)域的滲透系數(shù)。

(4)現(xiàn)場水文鉆探及示蹤試驗和分層壓水試驗等原位試驗，具有操作簡便、數(shù)據(jù)客觀等優(yōu)點，對于現(xiàn)場水文地質(zhì)參數(shù)的獲取具有重要的意義，尤其是對于露天礦內(nèi)排土場填土區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)的獲得，原位試驗顯得更加必要和關(guān)鍵。

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