尾礦壩勘察中的壩體穩(wěn)定性分析

武興龍，趙永清，潘湘和，蔣 鑫

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇六大隊(duì) 核工業(yè)衡陽第二地質(zhì)工程勘察有限公司，湖南 衡陽 421001）

尾礦庫一般庫容均較大，一旦尾礦壩發(fā)生意外失穩(wěn)，將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而推毀尾礦壩的下游的農(nóng)作物或居民住宅，造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。由此可見，尾礦壩穩(wěn)定性安全評估務(wù)必引起各方的重視，然尾礦壩穩(wěn)定性評估的基礎(chǔ)在于尾礦壩勘察報(bào)告中壩體、壩基參數(shù)提供的合理性。為此，結(jié)合永州市東安某尾礦壩詳細(xì)勘察論述錳礦尾礦壩勘察中的壩體穩(wěn)定性分析，并提供合理的壩體、壩基參數(shù)。

1 工程概況

永州市東安縣錳礦尾礦庫（以下簡稱“東安錳礦尾礦庫”）位于湖南省永州市東安縣大江口鄉(xiāng)銀山村，原為永州市東安縣錳礦的配套尾礦庫。該錳礦尾礦庫壩體為一次性筑壩的碾壓土石壩，現(xiàn)壩底最低處標(biāo)高約138.63m，壩頂標(biāo)高約158.62m，總壩高約19.99m，總庫容約89萬m3，有效庫容約75.7萬m3，根據(jù)規(guī)范，本尾礦庫等別應(yīng)為Ⅴ等尾礦庫，本尾礦壩級別應(yīng)為5級。壩頂軸線長約160m，壩中間標(biāo)高約148.88m～149.70m設(shè)置了馬道，馬道寬度約13.5m，壩體一級尾礦壩外坡坡比約為1：2.3，壩體二級尾礦壩外坡坡比約為1：3.2。尾礦庫尚未達(dá)到服務(wù)期限原企業(yè)即破產(chǎn)倒閉，現(xiàn)庫內(nèi)尾礦灘面高程為156.90m，距離壩頂尚余1.7m。

2 邊坡工程地質(zhì)

根據(jù)野外地質(zhì)鉆探成果，本建筑場地在勘探深度范圍內(nèi)，揭露的地層為第四系筑人工填土()、尾粉質(zhì)黏土()、粉質(zhì)黏土()和黏土()?，F(xiàn)將各巖土層的主要特征分別描述如下：

3 壩體穩(wěn)定性分析

3.1 影響壩體穩(wěn)定性的主要因素

影響該尾礦壩穩(wěn)定性主要因素有巖土性質(zhì)、地表水及地下水影響等。

巖土性質(zhì)，主要指巖土的抗剪強(qiáng)度、密實(shí)程度、堅(jiān)硬程度等。巖土性質(zhì)越好，尾礦壩穩(wěn)定性越好，巖土性質(zhì)越差，尾礦壩穩(wěn)定性就越差。

地表水和地下水的影響，隨著尾礦壩地表水流入和地下水滲流進(jìn)來，一方面會增加尾礦壩的水壓力，另一方面會降低巖土力學(xué)性質(zhì)，容易造成尾礦壩失穩(wěn)。

3.2 邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

該尾礦壩高達(dá)19.99m，庫容較大，考慮該尾礦壩一旦失穩(wěn)將造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失，考慮其穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性，在此，結(jié)合前人的科學(xué)研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-6]，主要采取定性分析和定量分析兩種方法進(jìn)行。

3.2.1 定性分析

尾礦壩主要采用粉質(zhì)黏土和砂礫混合分層碾壓而成，呈中密-密實(shí)狀態(tài)，透水性較弱。壩基土層主要可塑-硬塑狀的粉質(zhì)黏土和黏土，且壩體坡度較平緩，中間馬道較寬，按照坡率法經(jīng)驗(yàn)，該尾礦壩在自然狀態(tài)下應(yīng)是穩(wěn)定的。但是如果壩體坡面不進(jìn)行格構(gòu)植物或植物防護(hù)的話，容易在特大暴雨的沖刷形成壩體坡面拉溝，進(jìn)一步造成坡面土體流失，直至發(fā)生壩體失穩(wěn)破壞。若庫內(nèi)雨水不及時(shí)通過涵洞排出壩外，雨水下滲到壩體和壩基接觸面，會進(jìn)一步降低壩體和壩基的力學(xué)參數(shù)，可能沿接觸面發(fā)生深層滑動破壞。

因尾礦壩筑填土和壩基粉質(zhì)黏土均為弱透水土層，黏性土為微透水性土層，故而尾礦壩發(fā)生滲透穩(wěn)定概率不大。

3.2.2 定量評價(jià)

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5073-2000）規(guī)定：“設(shè)計(jì)烈度為6度時(shí)，可不進(jìn)行抗震計(jì)算”。由于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，故穩(wěn)定分析時(shí)僅考慮前兩種工況。

該尾礦庫屬五等庫，按瑞典圓弧法計(jì)算，其正常運(yùn)行狀況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不小于1.15，洪水運(yùn)行狀況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不小于1.05，特殊運(yùn)行狀況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不小于1.00。

根據(jù)《工勘報(bào)告》的尾礦分層，建立壩體穩(wěn)定性計(jì)算模型，該報(bào)告推薦的尾礦壩分層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。利用調(diào)洪演算得到的洪水位采用瑞典圓弧法分別對壩體當(dāng)前正常運(yùn)行工況和洪水工況下的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

表1 巖土層力學(xué)指標(biāo)取值表

根據(jù)表1中的土層力學(xué)參數(shù)和尾礦壩穩(wěn)定性分析地質(zhì)剖面-圖1，采用理正巖土計(jì)算7.0版軟件，對該尾礦庫壩體在現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高（+158.62m）時(shí)，在正常工況和洪水工況下運(yùn)行時(shí)，抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果如表2。

表2 現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高（+158.62m）時(shí)壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

圖1 尾礦壩穩(wěn)定性分析地質(zhì)剖面

3.2.3 評價(jià)結(jié)果

壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明：該尾礦庫在現(xiàn)狀壩頂標(biāo)高（+158.62m）下，在正常工況和洪水工況運(yùn)行時(shí)壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.897和1.464，均滿足規(guī)范要求，壩體是穩(wěn)定的。

3.3 尾礦壩存在的隱患分析

經(jīng)勘察和分析，該尾礦壩在天然狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是存在以下隱患：如果不采取有效措施將庫內(nèi)雨水排出和及時(shí)進(jìn)行壩坡坡面防護(hù)的話，容易在長期下雨尤其是特大暴雨時(shí)容易引起壩坡坡面水土流失或壩體與壩基間形成軟弱滑動面，進(jìn)而引起壩坡失穩(wěn)。

4 建議與結(jié)論

4.1 建議

完善并加固好整個(gè)庫區(qū)排水、泄水系統(tǒng)，包括截、排水系統(tǒng)，如：壩坡兩側(cè)修截水溝，坡腳設(shè)排水溝，庫內(nèi)雨水及時(shí)通過排水涵排出，建議庫內(nèi)雨水進(jìn)入排水涵前新建排水井且定期加強(qiáng)巡視并清理井底沉泥或沉渣以免排水涵洞被堵塞。建議壩后庫內(nèi)修建永久性集水溝匯集庫內(nèi)積水到排水井后再經(jīng)涵洞排出。

建議尾礦壩壩坡坡面進(jìn)行格構(gòu)植物綜合防護(hù)或植物防護(hù)。

閉庫后仍應(yīng)對壩體變形和水位變化情況等設(shè)置長期觀測設(shè)施。若出現(xiàn)變形過快或變形較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)預(yù)警。

4.2 結(jié)論

影響該尾礦壩穩(wěn)定性主要因素有巖土性質(zhì)、地表水及地下水影響等。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析與穩(wěn)定性計(jì)算，該尾礦壩在正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行兩種工況下是穩(wěn)定的，但要注意閉庫后工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的變化。

該尾礦壩在勘察后1年內(nèi)未發(fā)生重大的地質(zhì)災(zāi)害，僅局部坡面因雨水沖刷產(chǎn)生小范圍的坡面細(xì)小拉溝現(xiàn)象，反應(yīng)出該工程尾礦壩穩(wěn)定性分析的合理性，為今后面對相同的條件尾礦壩勘察提供相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，為同行在尾礦壩勘察壩體穩(wěn)定性分析時(shí)提供經(jīng)驗(yàn)參考。