赤泥堆場(chǎng)增高擴(kuò)容工程穩(wěn)定性分析

姚承余

（中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410123）

0 引言

赤泥是鋁礦生產(chǎn)氧化鋁所排放的一種帶強(qiáng)堿性的泥漿廢棄物，當(dāng)前技術(shù)條件下赤泥還未能得到有效利用和處理，各鋁廠只能選定一個(gè)理想場(chǎng)所堆放赤泥。中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司氧化鋁廠赤泥堆場(chǎng)地處巖溶區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)其距離右江約2km，增高擴(kuò)容后壩體的穩(wěn)定性一旦得不到有效保障，壩體發(fā)生重大垮壩、滑移事故后，赤泥附液滲漏將對(duì)環(huán)境和地下水體造成嚴(yán)重污染。因此，加強(qiáng)對(duì)堆場(chǎng)現(xiàn)狀及增高擴(kuò)容后的穩(wěn)定性分析與研究并提出切實(shí)可行措施對(duì)赤泥堆場(chǎng)增高擴(kuò)容的可行性和長(zhǎng)期安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 赤泥堆場(chǎng)概況

中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司氧化鋁廠赤泥堆場(chǎng)位于廣西壯族自治區(qū)平果市新安鎮(zhèn)局祥屯與隴均屯之間，西南側(cè)距G80 南百高速約100m，北側(cè)距氧化鋁廠區(qū)東南部約1.0km，東側(cè)距平果縣城約7.0km。該赤泥堆場(chǎng)屬平地型尾礦庫(kù)，堆場(chǎng)初期壩壩底標(biāo)高約為108m，采用上游式筑壩堆存，被分隔成4 個(gè)堆存區(qū)，其中一、二、三期采用漿體干法堆存，用于堆存含水率大于液限、小于150%的赤泥漿體，干法赤泥堆場(chǎng)采用濾餅干法堆存，用于堆存含水率小于液限赤泥。目前一、二期堆場(chǎng)筑壩高度均已達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，干法堆已進(jìn)行至第三級(jí)筑壩，各級(jí)子壩高度為6m，壩頂標(biāo)高約134m。本次計(jì)劃增高至160m，設(shè)計(jì)壩高52m，加高擴(kuò)容后的全庫(kù)容約為35×106m3，根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》3.0.3 條規(guī)定，該赤泥堆場(chǎng)等別為Ⅲ等，赤泥堆場(chǎng)堆積壩級(jí)別為三級(jí)。

2 赤泥堆場(chǎng)的工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

根據(jù)勘察資料，結(jié)合原位測(cè)試試驗(yàn)以及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，赤泥堆場(chǎng)分布的地層為第四系尾粉土、人工填土、殘坡積黏土，下伏基巖為下三迭統(tǒng)北泗組（T1b）白云質(zhì)灰?guī)r[1]。各地層的野外特征自上而下依次描述。

（1）尾粉土（Qml）由一期及二期赤泥堆場(chǎng)的尾粉土主要經(jīng)排泥管排入自然風(fēng)干后經(jīng)推土機(jī)推高翻曬形成，漿體干法堆存工藝；干堆場(chǎng)采用濾餅干法堆存工藝。尾粉土外觀上呈紫紅、紫褐色，局部為灰黃色，局部黏粒富集成尾粉質(zhì)黏土。尾粉土呈稍濕～很濕狀態(tài)，搖振反應(yīng)強(qiáng)，光澤反應(yīng)無(wú)光澤，干強(qiáng)度及韌性低。根據(jù)含水量及物理性質(zhì)差異，分為5 個(gè)亞層。

尾粉土①1（“①1”為地層編號(hào)，下同）：為一、二期堆場(chǎng)各級(jí)子壩填筑土，呈濕、密實(shí)狀態(tài)。該層經(jīng)人工碾壓夯實(shí)，基本完成自重固結(jié)。天然含水量為21.7%，天然密度平均值為20.7kN/m3，比重為3.17，孔隙比平均值為0.866，粘聚力為14.0kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為23.0°。

尾粉土①2：呈很濕、中密狀態(tài)，尚未完成自重固結(jié)。天然含水量為31.2%，天然密度平均值為20.4kN/m3，比重為3.27，孔隙比平均值為1.100，粘聚力為23.8kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為19.2°。

尾粉土①3：呈很濕、稍密狀態(tài)，尚未完成自重固結(jié)。天然含水量為36.1%，天然密度平均值為20.3kN/m3，比重為3.28，孔隙比平均值為1.209，粘聚力為19.0kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為16.8°。

尾粉土①4：呈很濕、松散狀態(tài)，尚未完成自重固結(jié)。天然含水量為41.0%，天然密度平均值為19.7kN/m3，比重為3.27，孔隙比平均值為1.338，粘聚力為17.0kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為15.9°。

尾粉土①5：為濾餅干法堆存工藝處理后的赤泥，呈稍濕～很濕、中密～密實(shí)狀態(tài)。該層分布于干堆場(chǎng)，堆填時(shí)間約1~5 年，尚未完成自重固結(jié)。天然含水量為21.2%，天然密度平均值為20.2kN/m3，比重為3.22，孔隙比平均值為0.934，粘聚力為11.0kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為 21.4°。

（2）人工填土（Qml）可分為兩個(gè)亞層。

人工填土②：為一、二期堆場(chǎng)及干堆場(chǎng)初期壩壩體填筑材料，雜色，主要由塊石、碎石及粘性土組成，直徑大于10cm 含量超過(guò)60%，塊石主要成分為白云質(zhì)灰?guī)r、最大直徑可達(dá)35cm。局部含少量混凝土碎塊，密實(shí)度不均勻，總體呈中密狀態(tài)。

人工填土②1：雜色，系新近堆填而成，主要由粘性土組成，局部為碎石，呈松散～稍密狀態(tài)，密實(shí)度不均勻。該層零星分布于堆場(chǎng)周邊土路、道路兩側(cè)，堆填時(shí)間大于1 年，尚未完成自重固結(jié)。

（3）黏土③（Q4el+dl）呈褐黃、土黃色，系灰?guī)r原地風(fēng)化坡殘積而成，不均勻地含10%～30%灰?guī)r質(zhì)碎石，呈可塑～硬塑狀態(tài)；切面稍有光澤，搖振無(wú)反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。由于該層局部地段出露標(biāo)高較高，一期堆場(chǎng)初期壩采用了該層作為壩體。

（4）下三迭統(tǒng)北泗組微風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r④（T1b）呈青灰色，主要礦物成分為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造。沿層面或節(jié)理面局部可見(jiàn)礦物風(fēng)化，節(jié)理裂縫稍發(fā)育，巖芯較完整，以柱狀為主，少量長(zhǎng)柱狀、短柱狀，鉆進(jìn)較困難。巖體較完整，屬較硬巖。

2.2 堆場(chǎng)地震效應(yīng)

初期壩壩底下伏基巖為三迭統(tǒng)北泗組（T1b）白云質(zhì)灰?guī)r，巖層頂面標(biāo)高約101～108m，覆蓋層厚度介于0~8m，初期壩的場(chǎng)地類別可劃分為Ⅰ～Ⅱ類，堆積壩的場(chǎng)地類別Ⅱ類。

根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A 及《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，赤泥堆場(chǎng)所在場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

赤泥壩本身主要由尾粉土組成，上游為強(qiáng)度較低的赤泥，下游為臨空面，赤泥壩類似于人工形成的土質(zhì)高邊坡，在地震作用下可能發(fā)生滑坡或崩塌現(xiàn)象，故赤泥壩屬于抗震不利的構(gòu)筑物。

赤泥堆場(chǎng)初期壩壩底標(biāo)高約為108m（壩頂標(biāo)高約為118m），堆場(chǎng)計(jì)劃增高至160m，壩高約52m，設(shè)計(jì)全庫(kù)容約為35×106m3，結(jié)合赤泥堆場(chǎng)周邊環(huán)境，按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第23.1.2 規(guī)定，加高擴(kuò)容后赤泥堆壩的抗震等級(jí)為Ⅲ級(jí)。根據(jù)本勘察所取得的地層資料，本場(chǎng)地地層為尾粉土層，尾粉土的粘粒含量占比大于10%，赤泥堆場(chǎng)所在場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3 節(jié)第二條堆場(chǎng)內(nèi)的尾粉土層可判別為不液化或可不考慮液化影響。

3 堆場(chǎng)水文地質(zhì)條件

3.1 堆場(chǎng)地表水

堆場(chǎng)附近地表水系為距離堆場(chǎng)北側(cè)2km 處的右江，堆場(chǎng)庫(kù)區(qū)內(nèi)建有完善的排洪系統(tǒng)，堆場(chǎng)內(nèi)大部分積水經(jīng)排水豎井管道排出場(chǎng)外，堆場(chǎng)內(nèi)積水僅為小面積積水，其主要補(bǔ)給來(lái)源為赤泥附液和大氣降水，主要以蒸發(fā)和下滲的形式排泄。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查訪，赤泥壩運(yùn)行10余年從未出現(xiàn)過(guò)由于暴雨致使洪水漫頂而造成潰壩事故。在遇大雨及暴雨過(guò)后，回水池進(jìn)行回收處理時(shí)應(yīng)注意及時(shí)抽排，控制堆場(chǎng)內(nèi)積水不應(yīng)過(guò)多，保障干灘長(zhǎng)度足夠。

3.2 堆場(chǎng)地下水

一、二期堆場(chǎng)的地下水主要向東南方向流，三期堆場(chǎng)的地下水具有管道流特征，沿北西或北向流動(dòng)[2]。一期、二期、三期堆場(chǎng)地下水流至干堆場(chǎng)，經(jīng)平南、局祥地下河流動(dòng)天窗匯合后拐至北東向，最后向右江排泄。

影響堆場(chǎng)壩體穩(wěn)定的地下水為堆場(chǎng)初期壩基以上的地下水，其主要為上層滯水，上層滯水賦存于尾粉土中，受大氣降水、堆場(chǎng)內(nèi)積水補(bǔ)給，經(jīng)排洪口和集水管道排泄，水量較小，無(wú)統(tǒng)一地下水面，水位變化較大，呈現(xiàn)不均勻性。根據(jù)堆場(chǎng)增高擴(kuò)容勘察資料，堆場(chǎng)地下水穩(wěn)定水位埋深介于10.20～23.60m，標(biāo)高介于99.21～149.83m，水位變化幅度為5.00～10.00m。赤泥尾粉土滲透系數(shù)為 1.49×10-6～7.06×10-6，為微透水性地層。

4 赤泥堆場(chǎng)現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)勘察結(jié)果，初期壩未見(jiàn)滑移、開(kāi)裂等變形現(xiàn)象，各級(jí)堆積壩體未見(jiàn)整體滑移與貫通裂縫等現(xiàn)象，壩腳周圍未見(jiàn)明顯的裂縫、坍塌、滲漏、變形、泉眼、沼澤化現(xiàn)象。根據(jù)一期、二期赤泥堆場(chǎng)及干堆場(chǎng)截至2021年11 月18 日的在線監(jiān)測(cè)位移成果資料，壩體目前的位移變形均未超過(guò)預(yù)警值，處于穩(wěn)定狀態(tài)；目前排滲系統(tǒng)存在的隱患主要有排水溝破損、堵塞以及側(cè)壁局部發(fā)生傾斜；一期、二期赤泥堆場(chǎng)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)線成果表明，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化值均處于正常值范圍內(nèi)。

堆場(chǎng)堆積壩級(jí)別為三級(jí)，其形成的邊坡屬土質(zhì)邊坡。壩體穩(wěn)定性計(jì)算采用“圓弧滑動(dòng)破壞”模式，圓弧分析方法為瑞典條分法，計(jì)算公式按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》附錄A 公式A.0.1，對(duì)一期、二期赤泥堆場(chǎng)及干堆場(chǎng)均勻選用與壩體垂直壩軸線且位于壩體最高處的剖面線。運(yùn)用理正巖土計(jì)算6.5PB2 版軟件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，圓弧穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)采用給定圓弧出、入口范圍及指定圓心范圍搜索最危險(xiǎn)滑面多種搜索方式，采用快剪指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)主要考慮正常運(yùn)行工況。計(jì)算結(jié)果表明：一期、二期赤泥堆場(chǎng)及干堆場(chǎng)各剖面在正常運(yùn)行工況下，穩(wěn)定系數(shù)介于1.230～1.816，滿足規(guī)范要求的最小安全系數(shù)。

5 加高擴(kuò)容后壩體穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

堆存時(shí)間越長(zhǎng)、越靠近堆場(chǎng)底部的赤泥，含水量總體呈增大趨勢(shì)，相當(dāng)于在堆存加高過(guò)程中，雨水及赤泥附液下滲補(bǔ)給至下部赤泥的水量多于下部赤泥排滲減少的水量，后續(xù)加高宜采用慮餅干法堆存[3]，同時(shí)應(yīng)做好排洪措施，以減少雨水、赤泥液下滲。

干式排放后的赤泥泥漿經(jīng)日曬蒸發(fā)以及下滲作用，堆場(chǎng)表面干燥后可能出現(xiàn)不同程度的裂縫現(xiàn)象。按裂縫發(fā)展規(guī)模，可以分為主裂縫、次裂縫[4]，主裂縫長(zhǎng)度范圍在 30～180m，寬度在 8～40cm，切割深度 50～265cm，呈張性，局部呈張扭性，表現(xiàn)為水平張拉為主，垂直差異沉降為輔等主要特點(diǎn)，產(chǎn)狀近乎垂直。如裂縫長(zhǎng)期發(fā)展下去，一旦連續(xù)幾天出現(xiàn)暴雨情況，雨水很容易通過(guò)裂縫直接滲透到壩體內(nèi)部，大大減弱堆積壩體的強(qiáng)度，從而影響赤泥壩的穩(wěn)定。裂縫發(fā)育具體原因有以下4 點(diǎn)：①沉降差異引起的沉降縫；②失水收縮引起的收縮縫；③可溶鹽溶解引起的壓縮裂縫；④高度與排泥漿時(shí)間差引起的壓力差產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)《干法赤泥堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，加高擴(kuò)容后的設(shè)計(jì)等別按三級(jí)考慮，最小安全超高取0.70m，據(jù)此反推設(shè)計(jì)洪水位取159.30m、最小干灘長(zhǎng)度取50m，考慮裂縫的影響，壩體穩(wěn)定性計(jì)算采用瑞典圓弧法，條分寬度為1m，計(jì)算結(jié)果表明：加高擴(kuò)容后一期、二期赤泥堆場(chǎng)及干堆場(chǎng)各剖面在正常、洪水、特殊（地震）運(yùn)行工況下分別滿足規(guī)范最小安全系數(shù)1.20、1.10、1.05 的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本次對(duì)當(dāng)前赤泥壩體在現(xiàn)狀條件和增高擴(kuò)容條件下從總體定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)壩體的工作狀態(tài)，以確保運(yùn)行中的堆場(chǎng)壩體是否滿足規(guī)范要求的安全值。建議按規(guī)范每3 年對(duì)赤泥壩現(xiàn)狀和后期邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。

（2）要保證堆積壩體的穩(wěn)定性就必須降低浸潤(rùn)線，排水系統(tǒng)是否良好直接決定浸潤(rùn)線位置的高低，后續(xù)加高宜采用慮餅干法堆存。

（3）裂縫的存在使赤泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低以及破壞了赤泥的整體性，還使雨水沿裂縫滲透到堆場(chǎng)內(nèi)部，致使赤泥含水量增大。因此加強(qiáng)對(duì)赤泥堆場(chǎng)裂縫形成的機(jī)理研究并提出切實(shí)可行的防災(zāi)措施，對(duì)赤泥壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有十分重要意義。