河南嵩縣小南溝尾礦庫(kù)堆壩穩(wěn)定性分析

陳素玲

(河南省地礦局第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 前 言

尾礦庫(kù)壩體是重大危險(xiǎn)源之一，國(guó)際災(zāi)害事故排名中位列第18位。加強(qiáng)尾礦庫(kù)壩安全監(jiān)管和監(jiān)控，對(duì)于保證尾礦庫(kù)安全運(yùn)行極其重要[1]。河南嵩縣柿樹底金礦小南溝尾礦庫(kù)位于嵩縣大章鄉(xiāng)羅岔溝內(nèi)趙家莊至賈家莊一線南側(cè)境內(nèi)，西北距嵩縣縣城36 km。壩址建在小南溝溝口上游約80 m左右最窄處，庫(kù)區(qū)匯水面積約1.22 km2，尾礦庫(kù)屬山谷型尾礦庫(kù)，溝口筑壩[2]。為了保證礦山生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和尾礦庫(kù)的安全管理工作，做好尾礦庫(kù)搶險(xiǎn)應(yīng)急救援預(yù)案的補(bǔ)充完善，對(duì)尾礦壩體穩(wěn)定性及安全管理方面的研究十分必要[3]。

本次研究工作在收集場(chǎng)地已有資料的基礎(chǔ)上，通過實(shí)地調(diào)查，查明場(chǎng)地地形地貌、地質(zhì)界線，查明庫(kù)區(qū)、壩體及其附近有無(wú)影響其穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，分析尾礦堆積壩排滲、排洪狀況和堆積壩體滲流特征，選擇代表性的斷面開展浸潤(rùn)曲線分析和穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，綜合分析評(píng)價(jià)堆積壩壩體進(jìn)行穩(wěn)定性。該研究有助于柿樹底金礦堆積壩區(qū)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除尾礦庫(kù)安全隱患，確保尾礦庫(kù)安全。

1 小南溝尾礦庫(kù)現(xiàn)狀

尾礦庫(kù)位于嵩縣大章鄉(xiāng)羅岔溝內(nèi)趙家莊至賈家莊一線南側(cè)境內(nèi)有小南溝內(nèi)，屬于山谷型尾礦庫(kù)，溝口筑壩。小南溝為一走向南北狹長(zhǎng)山谷，小南溝尾礦庫(kù)堆積壩采用上游式堆積、沖積法充填筑壩。由選礦廠排出的尾礦漿通過管道向庫(kù)內(nèi)均勻放礦，自初期壩開始依次向庫(kù)區(qū)的上游壩堆筑子壩。

初期壩壩址建在小南溝溝口上游約80 m左右最窄處，庫(kù)區(qū)匯水面積約1.2 km2。初期壩采用透水堆石壩，壩外坡腳標(biāo)高為757.7 m，壩頂標(biāo)高784.6 m，初期壩高22.0 m，壩頂長(zhǎng)58.5 m，壩頂寬度為4.7 m。內(nèi)外坡坡比均為1∶2。初期壩壩體未發(fā)現(xiàn)沉陷、裂縫、坍塌、滑坡現(xiàn)象，壩體無(wú)縱、橫裂縫和變形[4]。初期壩及堆積壩現(xiàn)狀見圖1。

圖1 小南溝尾礦庫(kù)照片

目前尾礦庫(kù)堆積壩已堆至846.0 m，庫(kù)內(nèi)灘面標(biāo)高為845.0 m，現(xiàn)堆積壩高61.44 m，終期總壩高為89.44 m，設(shè)計(jì)終期總庫(kù)容為352.55萬(wàn)m3。堆筑12級(jí)子壩，尾砂堆積壩每級(jí)子壩頂寬2.56～6.0 m，高度3.32～6.0 m，子坡外比1∶2～1∶5.6，堆積壩總體外坡比這1∶4.03，分層夯實(shí)。每級(jí)子壩均垂直溝谷方向規(guī)范堆筑子壩，在堆積壩除第2級(jí)子壩頂未設(shè)水平排滲管外，其余每級(jí)子壩均設(shè)置有水平排滲管，排滲管間距4.0 m，單根長(zhǎng)40.0 m。且每級(jí)子壩頂均設(shè)置有壩面排水溝，在堆積壩兩鍘筑有壩肩截水溝，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。目前，除第12級(jí)子壩外，其余子壩外坡面均采用覆土植草護(hù)坡，覆土厚度平均為300 mm。

2 堆場(chǎng)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)大地構(gòu)造單元屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)—華熊臺(tái)隆，伏牛山臺(tái)緣隆褶區(qū)(見圖2)，嵩縣小南溝尾礦庫(kù)堆場(chǎng)位于華北板塊南緣熊耳山斷隆的鷹嘴山短軸背斜南翼，發(fā)育北西西—近東西向的3條壓扭性斷裂，斷裂長(zhǎng)度在500 m以上，走向呈舒波狀彎曲。褶皺不發(fā)育，為向斜緩傾的單斜層狀產(chǎn)出。庫(kù)區(qū)出露地層主要為第四系殘坡積覆蓋層與庫(kù)區(qū)尾礦砂和中古界熊耳群張合廟組(Pt2ch2)。庫(kù)區(qū)內(nèi)沒有滑坡、崩塌、泥石流、巖溶和活動(dòng)性斷層等的不良地質(zhì)作用。壩址區(qū)域內(nèi)無(wú)溶洞、人工洞穴及泉孔。

圖2 河南嵩縣柿樹底金礦小南溝尾礦庫(kù)綜合平面

尾礦庫(kù)區(qū)屬中低山區(qū)，小南溝為一走向南北的狹長(zhǎng)山谷，地勢(shì)南高北低，地形呈火炬形，中間主溝狹長(zhǎng)，長(zhǎng)約2 000 m，兩側(cè)偏溝偏短，長(zhǎng)約200～300 m。庫(kù)區(qū)三面環(huán)山，構(gòu)成良好封閉型天然庫(kù)盆。庫(kù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無(wú)常年地表水體，地下水屬淺層裂隙水，大氣降水為主要補(bǔ)給來源?；准斑吰聨r層為安山巖，各巖層除淺部裂隙較發(fā)育外，深部巖體均較完整，是良好的隔水巖體[5]。

3 尾礦堆壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性

3.1 尾礦堆積壩排滲、排洪情況

初期壩為透水堆石壩，在堆積壩除第2級(jí)子壩頂未設(shè)水平排滲管外，其余每級(jí)子壩均設(shè)置有水平排滲管，經(jīng)查看，排滲良好。每一級(jí)子壩頂均設(shè)置有壩面排水溝，尺寸為0.4 m×0.5 m；堆積壩最上幾級(jí)修筑有縱向排水溝，尺寸為0.4 m×0.6 m×0.55 m；堆積壩兩側(cè)修筑有壩肩截水溝，截水溝為漿砌石結(jié)構(gòu)，其中右側(cè)斷面尺寸為1.6 m×1.8 m，左側(cè)斷面尺寸為0.8 m×0.5 m×0.7 m。尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)采用排水井+排水隧道型式，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。尾礦堆積壩頂東側(cè)附近的叉溝設(shè)置攔洪壩，為漿砌石結(jié)構(gòu)，壩高5.0 m，壩頂寬為1.5 m，上游坡比為1∶0.1，下游坡比為1∶0.5，壩下接排洪渠；排洪渠長(zhǎng)430 m同，上游延伸至攔洪壩內(nèi)，渠底最緩?fù)馄骄陆禐?%，矩形斷面規(guī)格為寬×深=1.6 m×1.8 m，漿砌石結(jié)構(gòu)。目前壩體無(wú)垂直、橫向位移，壩體無(wú)變形。尾礦庫(kù)無(wú)坡面沖蝕，無(wú)管涌、流土等壩面滲流破壞情況，尾礦堆積壩處于穩(wěn)定狀態(tài)(見圖2)[6]。

3.2 堆積壩體滲流特征

尾礦庫(kù)礦水滲流狀態(tài)的可靠分析與評(píng)價(jià)是尾礦庫(kù)工程研究的關(guān)鍵。本尾礦壩在尾細(xì)砂夾尾中砂、尾粉砂夾尾細(xì)砂、尾粉土夾尾粉砂及尾粉土夾尾粉質(zhì)粘土堆積層中的滲流主要表現(xiàn)為受重力流動(dòng)的梯度控制。影響滲流狀態(tài)的因素主要有：所排放尾礦的橫向和垂直滲透性變化、尾礦沉積層的各向異性、庫(kù)區(qū)邊界條件。根據(jù)本次勘察，本庫(kù)區(qū)第四系覆蓋層較薄，主要為含粉質(zhì)粘土碎石，第四系下部的基巖為強(qiáng)—中風(fēng)化安山巖，透水性相對(duì)較弱，對(duì)降低壩體滲流水位相對(duì)較弱。

3.3 浸潤(rùn)曲線分析

在本勘察中，為了測(cè)得庫(kù)內(nèi)壩體內(nèi)礦水浸潤(rùn)淺位置，對(duì)施工的主要勘探孔均進(jìn)行了水位測(cè)量，從工程地質(zhì)剖面圖反映，壩體內(nèi)的浸潤(rùn)淺在垂直壩軸線方向上，自尾礦壩坡頂至坡底，浸潤(rùn)淺近乎平行于壩底地形坡底線，中間主剖面(9-9′)線上浸潤(rùn)線，堆積壩水位埋深相對(duì)于坡面水位埋深為19.0～23.5 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高在771.84～825.52 m，在勘察期間僅在第1級(jí)子壩馬道見有清水流出，上游各級(jí)子壩馬道均未見清水流出(見圖2)。該浸潤(rùn)線是在勘察期間測(cè)得的，觀測(cè)時(shí)間較短，且穩(wěn)定時(shí)間短，受天氣、鉆探工藝等因素所限，所測(cè)的浸潤(rùn)線受到一定的影響[7]。

3.4 堆積壩穩(wěn)定性計(jì)算

堆積壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)按《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2016-2016)5.3.18規(guī)定，采用瑞典圓弧法，利用理正軟件進(jìn)行計(jì)算。在充分考慮野外原位測(cè)試、室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)等各種試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，參考其它尾礦庫(kù)地層參數(shù)和有關(guān)規(guī)范綜合確定計(jì)算剖面上各層巖土的天然重度、飽和重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角(見表1)。計(jì)算工期采用穩(wěn)定滲流期，規(guī)范采用碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL274-2001)。水面信息采用有效應(yīng)力法，孔隙水壓力采用近似方法計(jì)算，考慮滲透力作用，不考慮邊坡外側(cè)靜水壓力。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

堆積壩穩(wěn)定性計(jì)算分為正常情況下和洪水期計(jì)算。按照現(xiàn)行規(guī)范，根據(jù)9-9′剖面繪出堆積壩的邊坡，洪水運(yùn)行時(shí)浸潤(rùn)線埋深按照正常運(yùn)行時(shí)向上2 m選取。尾礦庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)計(jì)算，目前干灘長(zhǎng)度為267.0 m，沉積灘坡度為2.62%。正常運(yùn)行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897。尾礦洪水運(yùn)行時(shí)計(jì)算，干灘長(zhǎng)度按照堆積規(guī)范要求取70.0 m，沉積灘坡度為2.62%，洪水水位水位向上取2.0 m。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀情況下，正常運(yùn)行時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897，洪水運(yùn)行時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.841，能滿足三等庫(kù)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求。綜合以上穩(wěn)定性分析可看出，壩體在現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較好，在洪水運(yùn)行條件下壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 尾礦庫(kù)運(yùn)行中后期應(yīng)注意的問題

期壩壩面塊石層較均勻，無(wú)塌落現(xiàn)象，建議后期仍加強(qiáng)管理。目前壩頂標(biāo)高846.0 m，壩初期壩壩高22.0 m，堆積壩壩高61.44 m，現(xiàn)狀總壩高約為83.44 m，該尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高89.44 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容352.55×104m3。外坡平均坡比1∶4.03，滿足安全要求。目前，除第12級(jí)子壩外，其余子壩外坡面均采用覆土植草護(hù)坡，覆土厚度平均為300 mm，后期運(yùn)行中，壩外坡面用應(yīng)覆土植草護(hù)坡。

庫(kù)區(qū)排滲及排洪設(shè)施完善，在今后的運(yùn)行過程中，要重視對(duì)排滲設(shè)施的管理工作，掌握滲水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)查明原因并及時(shí)處理。目前尾礦壩的浸潤(rùn)線埋深相對(duì)較深，這種現(xiàn)象對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定是比較有利的，在尾礦庫(kù)運(yùn)行中應(yīng)控制干灘長(zhǎng)度及安全超高，采用合理的放礦方式，并應(yīng)增加相應(yīng)的排滲設(shè)施，以降低浸潤(rùn)線的高度。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)壩體無(wú)沉降、塌陷跡象，無(wú)縱橫向裂縫、變形現(xiàn)象，無(wú)明顯位移，壩肩與岸坡結(jié)合良好，壩運(yùn)行工況正常，未見滲水，壩區(qū)排滲及防洪設(shè)施完善。壩體無(wú)松動(dòng)，塌陷，架空現(xiàn)象，目前狀態(tài)下壩體是穩(wěn)定的。

2)現(xiàn)狀情況下正常運(yùn)行時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897，洪水運(yùn)行時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.841，滿足三等庫(kù)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求。壩體在現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較好，在洪水運(yùn)行條件下壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)，目前尾礦庫(kù)運(yùn)行符合安全生產(chǎn)條件。