內(nèi)蒙古阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性研究

劉淑芹，魏新力，鄧 忠，張鳳娟

(山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 210014)

0 前 言

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾礦庫(kù)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟東烏旗滿都胡寶拉格蘇木境內(nèi)，尾礦庫(kù)于2006年由西北礦冶研究院進(jìn)行設(shè)計(jì)。尾礦庫(kù)建在距離選廠西南約800 m的低洼處，庫(kù)區(qū)為低山丘陵區(qū)，地勢(shì)平坦，地形切割不明顯，地勢(shì)東南略高于西北，地表無(wú)水體，庫(kù)區(qū)附近無(wú)牧戶居住，尾礦壩采用三面環(huán)山一面筑壩的形式，為土石壩，設(shè)計(jì)規(guī)模為1 500 t/d，年尾礦排放量39.36萬(wàn)m3。本文主要研究?jī)?nèi)蒙古阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性，以期對(duì)該地區(qū)礦山建設(shè)有一定的啟發(fā)。

1 地質(zhì)環(huán)境特征

1.1 自然地理

東烏旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，處于錫林郭勒盟大草原腹部，面積4.7萬(wàn)km2，人口約7萬(wàn)人，是我國(guó)重要的草原畜牧業(yè)基地，該旗內(nèi)的煤炭、石油、金屬礦產(chǎn)資源豐富，本地區(qū)地處邊陲，人眼稀少，勞動(dòng)力缺乏。當(dāng)?shù)刂饕阅翗I(yè)為主，工業(yè)生產(chǎn)不發(fā)達(dá)，庫(kù)區(qū)屬高緯度地帶，屬于寒溫帶干旱性氣候，冬季寒冷，有暴風(fēng)雪，風(fēng)季長(zhǎng)，最大風(fēng)力8級(jí)以上，風(fēng)向多為西南或東南風(fēng)，年平均氣溫2.5℃，最低氣溫-37.4℃，最高氣溫38℃。年平均降水量為242.9 mm，歷史最大降水量457.3 mm(1998年)，庫(kù)區(qū)附近無(wú)河流和地表水體，但地下水較充沛，生產(chǎn)和生活用水依靠抽取地下水解決。

1.2 地質(zhì)特征

尾礦庫(kù)場(chǎng)區(qū)為第四系覆蓋，其巖性主要為耕植土和砂、粉質(zhì)黏土、黏土，透水性較強(qiáng)，其下為泥盆系安格爾音烏拉組凝灰?guī)r和硅質(zhì)板巖，壩基坐落在第四系松散巖層之上。

尾礦庫(kù)位于東烏旗褶皺束額仁高畢復(fù)式向斜的東南翼，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂以及節(jié)理、劈理構(gòu)造發(fā)育，后期(成礦期)構(gòu)造對(duì)早期斷裂構(gòu)造的疊加改造作用強(qiáng)烈，但區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造均為非全新世活動(dòng)性斷裂，對(duì)場(chǎng)地?zé)o其它不良影響，詳見東烏旗地區(qū)區(qū)域地質(zhì)略圖[1-2](見圖1)。

圖1 烏旗地區(qū)區(qū)域地質(zhì)

1.3 區(qū)域地殼穩(wěn)定性

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造均為非全新世活動(dòng)性斷裂，對(duì)場(chǎng)地?zé)o其他不良影響。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)本次勘察資料及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，庫(kù)區(qū)地層大體可分為6層(按成因和物理力學(xué)性質(zhì)劃分)，具體描述如下：

碎石素填土：灰色，稍密—中密，稍濕，主要由硅質(zhì)板巖質(zhì)碎石組成，充填風(fēng)化砂顆粒，粒徑在200～600 mm的含量大于60%，棱角狀，顆粒級(jí)配較好，該層主要為新近堆積形成，是主要的壩體材料，厚度變化較大，厚度6.30～14.30 m，平均10.31 m，并隨壩高加高不斷加厚；層底標(biāo)高約在973.59～990.46 m之間，平均983.08 m；層底埋深6.30～14.30 m，平均10.31 m，該層進(jìn)行重型動(dòng)力觸探4.5 m，其修正擊數(shù)最小值7.8擊，最大值30.7擊，平均值20.6擊，標(biāo)準(zhǔn)差6.8，變異系數(shù)0.33，標(biāo)準(zhǔn)值18.9擊。

尾粉砂：灰黑色，中密—密實(shí)，濕—飽和[3]，主要由礦體粉碎后形成的細(xì)顆粒組成，顆粒均勻，由水力沖積作用而成，具微層理，該層分布于庫(kù)區(qū)內(nèi)，該層厚度變化較大，厚度8.00～12.40 m，平均10.83 m；層底標(biāo)高約在974.16～982.46 m之間，平均976.86 m；層底埋深18.00～26.30 m，平均23.63 m，基本為稍密—中密狀態(tài)，就物理力學(xué)參數(shù)而言，該層差別不大。

耕植土：灰褐色，稍密—密實(shí)，搖震反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度低、韌性低，見植物根系，該層為草原表層，主要成份為粉砂，該層普遍分布，厚度0.60～2.80 m，平均1.93 m；層底標(biāo)高約在971.36～991.79 m之間，平均976.67 m；層底埋深0.60～29.10 m，平均9.79 m。

中細(xì)砂：灰褐色—灰白色，中密—密實(shí)，濕—飽和，顆粒級(jí)配良好，由水力沖積作用而成，具微層理，該層普遍分布，厚度2.10～7.70 m，平均4.19 m；層底標(biāo)高約在965.41～984.09 m之間，平均972.40 m；層底埋深3.90～31.20 m，平均12.92 m。

粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑—硬塑，含鐵錳氧化物，含白色鈣質(zhì)條紋和少量姜石及零星碎石、礫石，主要成分為硅質(zhì)板巖，該層部分鉆孔分布，厚度1.70～6.80 m，平均3.60 m；層底標(biāo)高約在962.46～968.31 m之間，平均966.29 m；層底埋深7.90～38.00 m，平均20.43 m。

強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)板巖：灰黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，礦物成分主要為云母、石英，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖芯一般呈短柱狀—柱狀，采取率80%～90%，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為 30～40，該層僅在庫(kù)區(qū)東側(cè)部分鉆孔揭露，厚度較大，本次勘察未穿透，本次最大揭露厚度為34.90 m。

2.2 壩體的材料組成

壩體主要填筑材料為石料、碾壓風(fēng)化料、砂性土，塊石料新鮮完整，無(wú)明顯的節(jié)理裂隙，抗壓強(qiáng)度不小于30 MPa，軟化系數(shù)不小于0.75，最大邊長(zhǎng)與最小邊長(zhǎng)之比大于3，較大粒徑(200～600 mm)的塊石含量在60%以上，用于堆砌壩體及壩前干砌毛石部分；砂性土及板巖風(fēng)化料主要為就地取材，未使用耕植土及有機(jī)混合物大于5%的土，填筑土料經(jīng)過(guò)分層碾壓。

2.3 尾粉砂及壩體材料的物理力學(xué)性質(zhì)

本次勘察巖土的分類依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)，并參考了《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(ZBJ1-90)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)(2009年版)和本次鉆探結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)和原位測(cè)試結(jié)果，本區(qū)尾礦砂主要為尾粉砂，壩體材料主要為碎石素填土和尾粉砂。

2.3.1 重度及天然坡角測(cè)試

為了確定①層碎石素填土及②層尾粉砂的重度，于壩內(nèi)及壩體中挖探井34.00 m/10個(gè)，并進(jìn)行重度測(cè)定，結(jié)果如下表。為了確定①層碎石素填土及②層尾粉砂的天然坡角，于有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)天然坡角測(cè)量6次，結(jié)果如下表1。

表1 重度和天然坡角

2.3.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

1)直接剪切試驗(yàn)

土樣直徑61.8 mm，高20 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 直接剪切試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2)三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)包括固結(jié)不排水(CU)及固結(jié)排水(CD)，采用的儀器為北京華勘科技有限公司生產(chǎn)的KTG-DS-B型全自動(dòng)三軸壓縮儀[4]，該項(xiàng)工作由研究組在符合資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3 壩體浸潤(rùn)線條件

3.1 地下水的排泄條件

影響地面蒸發(fā)的主要因素是氣候、地下水埋藏深度及地層巖性等；該尾礦壩設(shè)計(jì)時(shí)是按水庫(kù)壩設(shè)計(jì)，因此壩體除了排水棱體外均取了防滲措施，透水性較差，對(duì)該壩來(lái)說(shuō)，滲流不是最主要的排泄方法，因此，要保障壩體排水溝、涵洞的暢通，同時(shí)壩體表面應(yīng)整平以利于降水排泄。

3.2 壩體地下水類型及壩體材料的透水性

3.2.1 壩體地下水類型

按照地下水的埋藏條件，壩體地下水主要為潛水和上層滯水，按含水介質(zhì)類型，壩體地下水屬孔隙水的范疇[5]。

3.2.2 壩體材料的透水性

根據(jù)ZK1、ZK2及ZK3鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果，壩體②層尾粉砂的垂直滲透系數(shù)為6.61×10-4～1.11×10-3cm/s，屬于弱透水性巖土。

表3 三軸剪切試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.3 壩體地下水腐蝕性評(píng)價(jià)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)(2009版)附錄G，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，擬建工程場(chǎng)地環(huán)境類別可按Ⅱ類考慮，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其中的鋼筋的腐蝕性評(píng)價(jià)。

根據(jù)表4，綜合評(píng)價(jià)擬建場(chǎng)區(qū)地表水和地下水腐蝕性等級(jí)為：對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，在長(zhǎng)期浸水的條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋具微腐蝕性，在干濕交替的條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋具微腐蝕性。

表4 按環(huán)境類型地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)

3.4 勘察期間浸潤(rùn)線位置

壩體中的滲流自由水面線稱為浸潤(rùn)線，浸潤(rùn)線以下的壩體浸沒(méi)在水中，勘察結(jié)束后測(cè)得各孔地下水水位埋深[6]，見表5。

表5 壩體各孔水位埋深及相應(yīng)標(biāo)高

4 穩(wěn)定性分析

4.1 定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該尾礦庫(kù)現(xiàn)尾礦壩總高度(平均)22.5 m，壩頂標(biāo)高(平均)1 000.50 m，現(xiàn)堆積尾礦面標(biāo)高在998.00 m左右，全庫(kù)容約393.5 m3萬(wàn)，其中尾礦堆積壩高度(平均)12 m，后期每期尾礦筑壩高度4 m(已進(jìn)行過(guò)3次筑子壩)，尾礦庫(kù)長(zhǎng)約585.50 m，壩頂寬度約13.00 m。根據(jù)調(diào)查資料顯示尾礦壩整個(gè)壩體未見滲水處，僅在初期壩基礎(chǔ)外側(cè)低洼處見積水，但尚未形成徑流，現(xiàn)場(chǎng)勘查，尾礦庫(kù)壩體外坡面未發(fā)生變形破壞，未見坡面出現(xiàn)凹陷、坍塌等，壩體基底及兩側(cè)土體物理力學(xué)性質(zhì)較好，尾礦庫(kù)內(nèi)干灘大于100 m，綜合分析，從定性的角度來(lái)看該尾礦壩在整體上是穩(wěn)定的。

4.2 定量分析

本次計(jì)算考慮尾礦壩正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行及地震(特殊運(yùn)行)3種情況，荷載按壩體自重、滲透壓力和地震荷載在3種不同運(yùn)行情況下進(jìn)行組合，采用極限平衡法和有限單元法對(duì)壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析(具體計(jì)算過(guò)程見附件)，本次選用四條剖面進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)有壩高條件下分析結(jié)果如下表6。壩體加高到最終標(biāo)高(本次按壩體加高10 m考慮)分析結(jié)果如下表7。

表6 現(xiàn)有壩高各工況下不同部位穩(wěn)定性系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明：本尾礦壩在正常和洪水條件下穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全性要求(見表6)，但安全儲(chǔ)備很低，在特殊工況下穩(wěn)定性系數(shù)接近于臨界狀態(tài)。1-1剖面位置穩(wěn)定性最差，其余剖面位置壩體基本穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。洪水和特殊工況下壩體接近極限平衡狀態(tài)，壩體穩(wěn)定性受地下水影響較大，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)下降較快。計(jì)算結(jié)果表明，地下水對(duì)穩(wěn)定性影響程度大于地震。

表7 壩體加高10 m各工況下不同部位穩(wěn)定性系數(shù)

壩體加高10 m后，壩體在正常和洪水工況下穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求，壩體能夠正常運(yùn)營(yíng)，總體上安全儲(chǔ)備較低。本次計(jì)算對(duì)7度地震條件下的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，計(jì)算結(jié)果表明在7度地震條件下，壩體穩(wěn)定性不能滿足安全性要求，但考慮到場(chǎng)地為6度區(qū)， 綜合分析結(jié)果壩體在現(xiàn)有高度和加高后基本能安全運(yùn)營(yíng)要求。

5 結(jié) 論

本文從內(nèi)蒙古阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾礦庫(kù)所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境特征入手，在了解研究區(qū)的大致工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)土工試驗(yàn)，為研究區(qū)的穩(wěn)定性計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)壩體侵潤(rùn)線條件的分析，從而得出以下結(jié)論：從定性分析尾礦壩整體上是穩(wěn)定的；從定量角度分析，壩體在現(xiàn)有高度和加高后基本能安全運(yùn)營(yíng)要求。