馬家田尾礦堆積壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

安家金，許漢華*，寧 飛，楊 瓏，成詞峰，張代均

1 中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2 江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

尾礦庫(kù)是一座人為形成的高位泥石流危險(xiǎn)源、非煤礦山的重大危險(xiǎn)源。到20 世紀(jì)末，在我國(guó)的眾多礦山中處于正常工作狀態(tài)的尾礦庫(kù)不足70%。有的行業(yè)大約44%的尾礦庫(kù)處于險(xiǎn)、病、超期服務(wù)狀態(tài)［1］。國(guó)家和礦山企業(yè)都非常重視尾礦庫(kù)的安全問(wèn)題，而尾礦壩是尾礦庫(kù)的主要構(gòu)筑物，而壩的浸潤(rùn)線是尾礦庫(kù)的生命線，也是評(píng)價(jià)尾礦壩穩(wěn)定狀況的重要基礎(chǔ)資料之一［2］。在壩坡安全穩(wěn)定復(fù)核時(shí)，應(yīng)對(duì)壩身、壩基的強(qiáng)度、容重、土壤性質(zhì)等及壩體浸潤(rùn)面做些調(diào)查和測(cè)試，以便較準(zhǔn)確地確定計(jì)算指標(biāo)。同時(shí)對(duì)計(jì)算發(fā)生滑坡的外界條件要詳細(xì)地調(diào)查了解分析［3］。尾礦庫(kù)工程包含了選廠內(nèi)尾礦處理、尾礦漿濃密和輸送、尾礦壩構(gòu)筑、尾礦排放、防滲與排滲、防洪與排洪、水循環(huán)、廢水處理與污染控制、庫(kù)區(qū)土地恢復(fù)與植被、尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)與管理等子系統(tǒng)［4］。造成尾礦庫(kù)危害及事故的原因是多方面的，主要包括設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工不良、管理不善和技術(shù)落后等原因。因此，預(yù)防病庫(kù)產(chǎn)生和事故的首要措施是精心設(shè)計(jì)，精心施工，提高管理水平，從而徹底杜絕事故的發(fā)生［5］。

1 工程概況

馬家田尾礦庫(kù)由原冶金部長(zhǎng)沙黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，攀鋼冶建特種公司施工，該尾礦庫(kù)始建于1966 年12 月，1970 年5 月竣工投產(chǎn)。馬家田尾礦庫(kù)為山谷型尾礦庫(kù)，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為1.86 億m3，有效庫(kù)容1.60 億m3，采用上游法筑壩，自然分散放礦，設(shè)計(jì)平均堆積坡度1：6，使用期設(shè)計(jì)等別為二等，尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)最終堆積壩標(biāo)高1300m，設(shè)計(jì)壩高為210.00m，設(shè)計(jì)堆積高度為175.00m，屬山谷形尾礦庫(kù)，位于攀枝花市密地大橋附近金沙江南岸馬家田村和阿署達(dá)村之間的阿署達(dá)溝谷內(nèi)，溝谷總體呈南北走向。庫(kù)區(qū)東臨營(yíng)盤(pán)山，西臨松樹(shù)山梁子和王家山梁子，南臨瓦屋山，北面是低山丘地帶，庫(kù)區(qū)匯水面積約17.92km，阿署達(dá)溝主溝長(zhǎng)約6.57km，縱坡度4.8%。研究區(qū)位于金沙江南岸的阿署達(dá)溝內(nèi)，距金沙江直線距離約1.2km，庫(kù)區(qū)壩頂與金沙江江面高差約280m，阿署達(dá)溝內(nèi)庫(kù)區(qū)水流自南向北匯入金沙江，枯水季節(jié)水流微弱，雨季水流大增。區(qū)域上馬家田尾礦庫(kù)周邊發(fā)育的斷裂主要有：昔格達(dá)斷裂、李明久斷裂、倮果斷裂、納拉箐斷裂及弄弄坪斷裂。昔格達(dá)斷裂第四系地層變形強(qiáng)烈，溫泉沿?cái)嗔讯嗵幏植迹且粭l中強(qiáng)活動(dòng)性的斷裂，新九以南的活動(dòng)強(qiáng)度大于新九以北，該斷裂位于研究區(qū)東側(cè)，距研究區(qū)直線距離約16.5km。李明久斷裂位于研究區(qū)東北側(cè)，研究區(qū)距該斷裂帶直線距離約14.2km。

2 尾礦堆積壩穩(wěn)定的影響因素分析

影響尾礦堆積壩穩(wěn)定性的因素很多，包括尾礦堆積體物理力學(xué)性質(zhì)、尾礦庫(kù)內(nèi)水文地質(zhì)條件、地震作用、壩坡形態(tài)、人為因素和其他外圍影響因素?，F(xiàn)就幾種主要因素分析如下：

2.1 尾礦堆積體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)

堆積體的密實(shí)度、抗剪強(qiáng)度、固結(jié)程度以及顆粒的成分、大小、形狀以及有無(wú)軟弱夾層分布和滲透性的大小都直接控制著堆積體的穩(wěn)定性，堆積體強(qiáng)度愈高則產(chǎn)生抗滑力越大，這是影響堆積壩穩(wěn)定性的最主要內(nèi)部因素。

2.2 水文地質(zhì)條件

包括地下水的埋藏條件、流動(dòng)、潛蝕情況、動(dòng)態(tài)變化以及地表水作用。不合理的浸潤(rùn)線位置，不利于尾礦壩穩(wěn)定，一方面孔隙水分布不利于尾礦的密實(shí)和固結(jié)，尾礦物理力學(xué)性質(zhì)有所降低，地震時(shí)高孔隙水壓力極易導(dǎo)致尾礦液化，產(chǎn)生潰壩破壞；另一方面地下水滲流對(duì)壩體坡面產(chǎn)生滲流壓力，加大了堆積體的下滑力，不利于堆積體穩(wěn)定，當(dāng)滲透壓力過(guò)大時(shí)易產(chǎn)生流沙管涌等滲透變形破壞，對(duì)壩體穩(wěn)定極為不利。因此，控制地下水分布，降低堆積體浸潤(rùn)線，對(duì)提高壩體強(qiáng)度，降低地下水的負(fù)作用，對(duì)壩體穩(wěn)定極為有利。

2.3 地震作用

受地震力作用，一方面地震作用力直接作用于堆積體，增加了壩體下滑力，對(duì)壩體穩(wěn)定不利；另一方面，瞬時(shí)地震力作用，產(chǎn)生高孔隙水壓力，堆積體有效應(yīng)力減弱，堆積尾礦極易發(fā)生地震液化，產(chǎn)生潰壩等災(zāi)害，對(duì)壩體產(chǎn)生致命破壞。

2.4 壩坡形態(tài)

堆積體是按照一定坡率逐層堆積而成，坡率越大，壩體越高，壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)愈低；但過(guò)度的降低坡率坡高，則是對(duì)庫(kù)容的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)成本相應(yīng)急劇增加。因此，確定合理的坡率和壩高，對(duì)尾礦庫(kù)的正常建設(shè)運(yùn)行較為重要。

2.5 人為因素

堆積壩的設(shè)計(jì)是否合理、施工質(zhì)量是否滿足要求直接影響到堆積壩的穩(wěn)定性；尾礦庫(kù)運(yùn)行管理、尾礦設(shè)施的維護(hù)、堆積壩上的綠化情況以及周邊環(huán)境的保護(hù)均對(duì)堆積壩的穩(wěn)定有重要影響。需重點(diǎn)說(shuō)明的是尾礦上升速度對(duì)尾礦堆積壩穩(wěn)定性影響較大，堆積子壩速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致尾礦砂土來(lái)不及完成固結(jié)過(guò)程，尾礦堆積體密實(shí)度下降，最終結(jié)果是尾礦堆積體抗剪強(qiáng)度降低，不利于堆積體穩(wěn)定。同時(shí)，堆積速度過(guò)快，堆積體內(nèi)孔隙水來(lái)不及排出，也會(huì)導(dǎo)致浸潤(rùn)線位置上升，同樣對(duì)堆積體穩(wěn)定不利。

2.6 其他外界影響因素

尾礦庫(kù)屬大型危險(xiǎn)源，其安全穩(wěn)定易受外界環(huán)境影響，如：堆積尾礦存在飽和粉砂、粉土，在震動(dòng)時(shí)易液化，庫(kù)區(qū)周邊應(yīng)嚴(yán)格控制爆破施工，或減小爆破裝藥量，將震動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)；壩面上嚴(yán)格控制施工堆載或者堆棄雜物；為保證壩面植物恢復(fù)，防治水土流失，減少壩面排水溝淤塞，壩面應(yīng)禁止放牧和人為活動(dòng)；庫(kù)區(qū)周邊應(yīng)定期巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新生滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)作用，并采取措施消除隱患。

3 尾礦庫(kù)現(xiàn)狀穩(wěn)定性初步定性分析

馬家田尾礦庫(kù)設(shè)置了較為完善的庫(kù)內(nèi)排洪、排滲設(shè)施和先進(jìn)的浸潤(rùn)線、位移沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建成并投產(chǎn)后，庫(kù)區(qū)即設(shè)置專門(mén)的尾礦庫(kù)管理隊(duì)伍進(jìn)行尾礦庫(kù)的日常運(yùn)營(yíng)和安全維護(hù)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，尾礦庫(kù)初期壩壩腳滲水清澈透明，無(wú)肉眼可辨雜質(zhì)，未見(jiàn)地下水渾濁現(xiàn)象，壩腳滲水正常，初期壩地下水位埋藏深達(dá)32.1m，接近壩底標(biāo)高，壩面未見(jiàn)懸掛水溢出、潮濕現(xiàn)象；尾礦堆積壩坡面平整完好，普遍覆土植草，植被生長(zhǎng)茂盛，坡面沖刷少，水土保持良好，坡面干燥，未見(jiàn)懸掛水溢出或壩面局部潮濕現(xiàn)象，壩體滲流正常，壩面未見(jiàn)沉陷、拉裂等破壞跡象；庫(kù)區(qū)內(nèi)及周邊排洪排滲設(shè)施運(yùn)行正常；根據(jù)收集的自使用以來(lái)的浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)資料，庫(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線長(zhǎng)期保持較低水位，隨堆積壩高度的增加浸潤(rùn)線有一定上浮，但幅度很?。桓鶕?jù)收集的近一年變形觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果（見(jiàn)表3.5.3-1～3），2018 年4 月16日～2020 年2 月24 日期間尾礦庫(kù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移量為0～6mm；累計(jì)沉降量為-5～6mm，尾礦庫(kù)初期壩、堆積壩壩坡的位移沉降較小?，F(xiàn)狀初期壩和堆積壩運(yùn)行情況正常，壩體穩(wěn)定。

2008 年8 月30 日16 時(shí)30 分，四川省攀枝花市仁和區(qū)、涼山州會(huì)理縣交界處發(fā)生6.1 級(jí)地震，宏觀上未發(fā)現(xiàn)地震對(duì)尾礦庫(kù)的破壞現(xiàn)象，“8.30”地震后未發(fā)現(xiàn)排水構(gòu)筑物有損壞的地方，沉積灘、堆積壩未發(fā)現(xiàn)異常變形，未出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，所有排滲設(shè)施的滲流水量穩(wěn)定，水質(zhì)清澈，說(shuō)明壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)正常。地震前后的觀測(cè)數(shù)值正常，根據(jù)對(duì)地震前后的位移觀測(cè)、浸潤(rùn)線水位觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，2008 年“5.12”汶川地震前各代表性位移觀測(cè)點(diǎn)位移波動(dòng)最大幅度為6mm?！?.12”汶川地震后，極個(gè)別點(diǎn)位移波動(dòng)幅度增加了1mm?！?.30”地震后，各位移觀測(cè)點(diǎn)位移波動(dòng)幅度均沒(méi)有再增大?？傮w上研究認(rèn)為“8.30” 地震對(duì)馬家田尾礦庫(kù)影響甚微。

4 尾礦堆積壩的破壞模式分析

4.1 滲透變形破壞

尾礦堆積是尾礦漿液固液兩相分離、固相堆積、液相排滲的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。受水動(dòng)力作用，堆積體內(nèi)分布著復(fù)雜的滲流場(chǎng)，當(dāng)滲流水的坡度或流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)引起尾礦顆粒的沖蝕，從而引起壩體的變形和破壞，產(chǎn)生滲透變形破壞。堆積尾礦存在滲透破壞可能，應(yīng)進(jìn)行滲透破壞分析。

4.2 滑動(dòng)破壞

尾礦堆積壩在外壩面形態(tài)上屬于斜坡地形，存在臨空面，堆積壩體就存在了滑動(dòng)破壞的可能性；根據(jù)尾礦堆積體的物質(zhì)組成，堆積尾礦可分為尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土，由于尾礦庫(kù)長(zhǎng)期以來(lái)一直處于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，堆積年限長(zhǎng)的尾礦固結(jié)程度高，強(qiáng)度也高，而新近沉積尾礦則固結(jié)程度弱，強(qiáng)度相對(duì)低，構(gòu)成地層的各向異性和不均勻性，堆積體滑動(dòng)破壞模式類似于土質(zhì)邊坡，以圓弧滑動(dòng)破壞為主。因此，為評(píng)價(jià)堆積尾礦的穩(wěn)定性，需進(jìn)行壩體的穩(wěn)定性驗(yàn)算，考慮到其屬松散堆積體，其潛在破壞面基本上為圓弧形，穩(wěn)定性計(jì)算可按圓弧法進(jìn)行。

5 尾礦堆積壩的滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

尾礦堆積體水文條件表明，尾礦堆積體覆存著大量的滲流水，當(dāng)滲流水的坡降或流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生尾礦堆積體的沖蝕，從而引起壩體的變形和破壞。滲透變形的產(chǎn)生及其發(fā)展與土的顆粒級(jí)配和滲流的水力條件因素有關(guān)，其表現(xiàn)形式有：管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失。由于年代久遠(yuǎn)，初期壩和壩基的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程是否設(shè)置反濾措施不得而知，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行狀態(tài)反映，初期壩及壩基發(fā)生滲透破壞的幾率較低，因此，尾礦堆積壩的滲透變形將主要表現(xiàn)為堆積尾礦的管涌和流土。

6 尾礦堆積壩的抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)尾礦堆積壩穩(wěn)定性，垂直壩軸線方向共布置了1－1’、2－2’、3－3’、4－4’、5－5’、6－6’共6 條貫穿尾礦庫(kù)的勘探線，作為穩(wěn)定性驗(yàn)算分析的斷面。按《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB50547-2010）［6］推薦的簡(jiǎn)化bishop 法和瑞典圓弧法，對(duì)壩體靜力穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗(yàn)算。根據(jù)《尾礦庫(kù)堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50547-2010）［6］中第6.0.10 規(guī)定，結(jié)合本庫(kù)尾礦地層類型及性質(zhì)，采用圓弧形滑動(dòng)安全系數(shù)計(jì)算，分正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行及特殊運(yùn)行三種條件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由于馬家田尾礦庫(kù)需于2020 年底閉庫(kù)，根據(jù)尾礦作業(yè)區(qū)提供的每年堆積高度統(tǒng)計(jì)表，目前尾礦堆積速度約3m/年，按此速度2020 年底堆積壩最終標(biāo)高僅增加1.5m，對(duì)整個(gè)尾礦堆積壩穩(wěn)定性影響可忽略，因此本次僅驗(yàn)算現(xiàn)狀壩高（阿署達(dá)溝庫(kù)區(qū)1273m，龍?zhí)稖蠋?kù)區(qū)1271m）的穩(wěn)定性。

驗(yàn)算時(shí)最高洪水位根據(jù)歷史浸潤(rùn)線觀測(cè)數(shù)據(jù)，按研究區(qū)實(shí)測(cè)水位抬高2m 考慮。地震驗(yàn)算參數(shù)取值：地震烈度7 度，水平地震系數(shù)0.10，地震作用綜合系數(shù)0.25，地震作用重要性系數(shù)1.0。計(jì)算結(jié)果表明：（1）正常運(yùn)行狀態(tài)下，各剖面的潛在破裂面下的壩體穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)狀壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。（2）洪水運(yùn)行狀態(tài)下，各剖面的潛在滑面下的壩體穩(wěn)定系數(shù)有一定幅度的下降，但下降幅度不大，且均滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)。（3）在特殊運(yùn)行狀態(tài)下，各剖面的潛在滑面下的壩體穩(wěn)定系數(shù)均出現(xiàn)大幅度下降，但仍大于規(guī)范要求的不同計(jì)算方法的最小安全系數(shù)。

以上研究表明，尾礦庫(kù)現(xiàn)狀是穩(wěn)定的?？紤]到閉庫(kù)實(shí)施后，不再進(jìn)行排礦，壩體浸潤(rùn)線會(huì)有一定降低，將對(duì)壩體穩(wěn)定更為有利。因此，現(xiàn)狀尾礦庫(kù)可以進(jìn)行相應(yīng)的閉庫(kù)設(shè)計(jì)和處理，建議盡快實(shí)施完成，并加強(qiáng)閉庫(kù)后相應(yīng)的后期管理維護(hù)工作。