王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

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西藏玉龍銅礦尾礦庫滲漏特征及排洪隧道穩(wěn)定性分析

王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

西藏玉龍銅礦的尾礦庫位于“青南藏東川西高原”的高山峽谷區(qū)，且?guī)靺^(qū)基巖為石灰?guī)r，水文地質(zhì)條件特殊，尾礦庫的的滲漏性問題及排洪隧道的穩(wěn)定性問題是建設(shè)尾礦庫的重要問題之一。查明尾礦庫庫區(qū)的地形地貌、巖土工程特征、地下水特征、巖層滲透系數(shù)，預(yù)測了庫區(qū)向鄰谷及下游方向的滲漏總量，并對排洪隧道圍巖的主應(yīng)力變化、位移變化及剪應(yīng)變云圖進行了數(shù)值模擬評價，對在高原地區(qū)修建水利設(shè)施具有一定的借鑒意義。

西藏；玉龍銅礦；尾礦庫；滲漏；隧道穩(wěn)定性

玉龍銅礦為世界特大型銅礦，探明銅金屬儲量650萬噸，遠景儲量達1000萬噸，玉龍銅礦的開發(fā),將縮小我國銅需求的缺口,具有重要的戰(zhàn)略意義。在該銅礦的開采過程中，勢必需要建設(shè)尾礦庫堆積廢棄礦渣，而尾礦庫的滲漏性問題影響著地下水對周圍生態(tài)環(huán)境，同時排洪隧道的穩(wěn)定性問題也制約著大壩的建設(shè)，因此對庫區(qū)的滲漏性和排洪隧道的穩(wěn)定分析具有重要意義。在庫區(qū)(水庫、尾礦庫等)地下水滲漏方面，楊春璞[1-2]對西藏旁多水利樞紐和阿渦奪水庫壩基滲漏及穩(wěn)定性進行了研究；陳會格[3]分析了西藏某尾礦庫的工程滲透性；夏延檐[4]對西藏某水電站的單薄山脊的滲透性及穩(wěn)定性進行了研究；而在排洪隧道方面，國內(nèi)外學(xué)者也進行了大量的研究。

本文通過對玉龍銅礦尾礦庫的庫區(qū)及壩址區(qū)進行地質(zhì)調(diào)查、鉆探勘察、壓(抽)水實驗等，查明庫區(qū)的工程地質(zhì)條件，得到巖土體的物理力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)，并模擬開挖條件下排洪隧道，分析其穩(wěn)定性，主要研究內(nèi)容如下：(1)分析尾礦庫庫區(qū)的地下水特征及富水特性；(2)評價庫區(qū)范圍內(nèi)的滲漏性；(3)對在壩基荷載作用下，分析排洪隧道的應(yīng)力變化及位移變化，評價排洪隧道的穩(wěn)定性。

1 尾礦庫庫區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 庫區(qū)地形地貌及巖土工程特征

玉龍銅礦西距昌都140 km，東至江達縣80 km，礦區(qū)公路在玉龍溝溝口與國道317線相連，交通較方便，礦區(qū)交通位置見圖1。尾礦庫庫區(qū)位于青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧靜山脈北段，山系多呈北北西—南南東方向排列，地形切割中等至強烈區(qū)域上屬于“青南藏東川西高原區(qū)”；地貌類型以高山構(gòu)造剝蝕地貌為主，構(gòu)造侵蝕—溶蝕地貌、侵蝕堆積地貌及冰川地貌次之[5-8]；庫區(qū)位于玉龍溝下游，溝床地形總體平緩，海拔高程在4 221～4 410 m間，兩側(cè)山坡地形陡竣，其中北東側(cè)地形相對平緩，自然坡度角在26°～40°間，南西側(cè)相對較陡，自然坡度角在32°～50°間，堆積壩淹沒標(biāo)高4400 m。尾礦庫的最大壩高143 m，總庫容1.3億 m3。尾礦庫采用中線法進行堆壩，利用分級粗尾砂在初期壩下游壓坡、溢流尾砂庫內(nèi)排放[9]。

根據(jù)庫區(qū)地層時代、成因類型、巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪和現(xiàn)場鉆探揭露，其分布的主要地層有：(1)第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及殘坡積層(Q4el+dl)，主要包含碎石、粉質(zhì)粘土、砂礫石等；(2)三疊系上統(tǒng)阿堵拉組(T3a)，主要包含泥質(zhì)粉砂巖、頁巖；(3)三疊系上統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r，分布于庫區(qū)的下伏基巖。

圖1 西藏玉龍銅礦區(qū)域位置圖

1.2 庫區(qū)地下水特征

根據(jù)地層巖性、地下水賦存狀態(tài)等，該尾礦庫庫區(qū)內(nèi)地下水類型可分為：(1)松散堆積層孔隙水，主要分布于坡麓地帶、山麓坡腳地帶和溝谷地帶第四系沖洪積層的粉質(zhì)粘土、含粘土砂礫石、碎石層中；(2)碎屑巖風(fēng)化裂隙水，主要分布于庫區(qū)西側(cè)的阿堵拉組(T3a)砂、頁巖層中，由注水試驗可知該巖層的滲透系數(shù)為9.812×10-4～3.335×10-1m/d，可見其透水性、含水性弱～極弱，可視為隔水層；(3)灰?guī)r巖溶裂隙水，主要分布于庫區(qū)的波里拉組(T3b)灰?guī)r地層中，灰?guī)r巖溶裂隙水與松散巖類孔隙水水力聯(lián)系密切，地下水類型屬潛水。

尾礦庫庫區(qū)內(nèi)的粉質(zhì)粘土為弱透水層，富水性差；碎石土，孔隙率大，以砂、礫石為主，透水性好，為強透水層，分布于坡地和緩坡地帶，透水但不含水；砂頁巖總體上透水性差，為弱透水層，是地下水邊界隔水層，構(gòu)造破碎和節(jié)理裂隙發(fā)育段，透水性好；灰?guī)r裂隙和巖溶較發(fā)育，為中等透水層，為場區(qū)主要富水層，不同地層中的滲透系數(shù)見表1和表2。庫區(qū)地下水主要接受大氣降水及河流滲漏補給，但尾礦庫運行后，庫區(qū)內(nèi)水位大幅度抬升，尾礦水下滲將對地下水產(chǎn)生一定的補給；根據(jù)鉆孔資料，第四系地下水水力坡度約6%，水力坡度較陡，而庫區(qū)一帶的灰?guī)r巖溶裂隙水水力坡度在3%～8%左右。

表1 尾礦庫壩軸線地層滲透系數(shù)表

表2 尾礦庫壩址區(qū)地層滲透系數(shù)表

圖2 尾礦庫庫區(qū)灰?guī)r(a)優(yōu)勢產(chǎn)狀和(b)裂隙走向玫瑰花圖

2 庫區(qū)滲漏性評價

根據(jù)現(xiàn)場測繪及井下電視裂隙統(tǒng)計，在灰?guī)r區(qū)共統(tǒng)計475組節(jié)理裂隙產(chǎn)狀數(shù)據(jù)(圖2)，將灰?guī)r區(qū)節(jié)理裂隙歸納為4組，即裂隙L1：產(chǎn)狀為136°～147°∠78°～86°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為142°∠82°，裂隙率為2～10 條/m；裂隙L2：產(chǎn)狀為322°～334°∠57°～86°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為326°∠61°，裂隙率為2～5 條/m；裂隙L3：產(chǎn)狀為32°～36°∠74°～81°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為34°∠77°，裂隙率為2～5 條/m；裂隙L4：產(chǎn)狀為204°～210°∠75°～85°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為206°∠80°，裂隙率為1～4 條/m。灰?guī)r區(qū)因節(jié)理裂隙的存在及連通，構(gòu)成了水運移通道，降雨導(dǎo)致巖溶現(xiàn)象普遍，進一步加大加深了巖體裂隙，裂隙呈上窄下寬現(xiàn)象，可導(dǎo)致巖體導(dǎo)水性增加。

圖3 庫區(qū)向鄰谷方向(a)和繞壩順谷方向

尾礦庫庫區(qū)的地下水主要賦存于玉龍溝溝谷，灰?guī)r巖溶裂隙水位埋深為25.8～30.4 m，最高水位與庫區(qū)淹沒最高標(biāo)高相差近125 m。庫區(qū)右岸坡脊主要為(T3a)砂、頁巖，其構(gòu)造風(fēng)化帶較破碎，由泥質(zhì)充填，其透水性、含水性弱，對庫區(qū)運營后影響較??；而左岸山脊以波里拉組(T3b)灰?guī)r為主，受風(fēng)化、構(gòu)造作用的影響，地表構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙非常發(fā)育，巖體內(nèi)的溶蝕裂隙也很發(fā)育，具有地下水運移和賦存的通道，不排除溝谷內(nèi)尚存在管道式地下水滲流。因此，當(dāng)庫區(qū)內(nèi)尾礦砂堆積運營時，少量庫區(qū)尾礦水可能沿著灰?guī)r巖溶或裂隙向溝谷兩側(cè)外滲。通過裘布依公式和數(shù)值計算法得到的地下水通過單薄分水嶺的單寬滲流量基本相同，其滲漏流量為7.31×10-5～6.87×10-4m3/s[10]，圖3中為數(shù)值計算法模擬的滲流路徑圖。通過計算，庫區(qū)的向鄰谷和順谷方向的滲漏總量分別見表3和表4。

表3 尾礦庫庫區(qū)向鄰谷方向的滲漏總量

圖4 排洪隧道在開挖工況下的(a)最大主應(yīng)力等值線圖和

計算方法庫區(qū)順溝谷單寬滲漏量(m3/s)控制寬度(m)庫區(qū)順溝谷滲漏總量(m3/s)庫區(qū)順溝谷滲漏總量(m3/d)裘布依公式法6.87×10-49500.6525.63×104數(shù)值模擬法6.24×10-49500.5935.12×104

通過裘布依公式和數(shù)值計算法計算可看出，尾礦庫運營后的庫水通過基巖裂隙下滲進入地下水系統(tǒng)，并地下水通道向鄰谷發(fā)生滲漏，其滲漏的總水量為庫區(qū)總滲漏量的11.4%(按照兩種計算結(jié)果取大值)；而繞過尾礦庫壩體(順谷方向)的基巖裂隙向下游截滲壩方向滲流的水量為庫區(qū)總滲漏量的88.6%。

圖5 排洪隧道在開挖工況下的(a)位移云圖和

3 庫區(qū)排洪隧道穩(wěn)定性評價

尾礦庫的排洪隧道位于大壩下方，全長1 145.71 m，坡比為0.02，為2×2.5 m城門洞型，襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隧址區(qū)構(gòu)造地質(zhì)較簡單，地層為單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層等不良災(zāi)害地質(zhì)體，無高應(yīng)力區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)作用，也無偏壓作用，隧道距離尾礦庫壩軸線頂約70～80 m，已施工完成的隧道對尾礦庫建設(shè)基本無影響。但在壩址建設(shè)期間或運營過程中，壩體上部荷載作用會對排洪隧道造成一定的影響，現(xiàn)考慮壩體建成均布荷載為3 MPa，分析壩體對排洪隧道的影響。

洞室開挖后，由于圍巖應(yīng)力重分布，在加載狀態(tài)下，開挖后的主應(yīng)力云圖見圖5。

排洪隧道開挖后，在洞室的頂拱、底板位置形成低應(yīng)力區(qū)，σ1量值大小為0.50～1.50 MPa；而洞壁兩側(cè)處形成新的應(yīng)力增高區(qū)，σ1量值增大為7.0～10.0 MPa，σ3量值大小在0.60～1.05 MPa左右。除隧洞底部外，洞周圍巖應(yīng)力多為壓應(yīng)力，基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

排洪隧道開挖后的支護條件下的硐室圍巖位移特征和最大剪應(yīng)變分別見圖5a和5b。位移均向開挖臨空方向，硐室頂拱、底板的位移量約4.5～5.5 mm；左右側(cè)邊墻圍巖總位移為2.0～3.25 mm，圍巖位移相對較小。對于開挖后，隧道兩側(cè)洞壁發(fā)生剪應(yīng)變集中量值約為0.001 95～0.002 25，頂拱、底板剪應(yīng)變集中量值較小，約為0.000 15。

根據(jù)壩體建成均布荷載后對排洪隧道的評價可知，排洪隧道周圍巖應(yīng)力多為壓應(yīng)力，基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，尾礦庫后期堆積壩對現(xiàn)有排洪隧道基本無影響。

4 結(jié)語

(1)尾礦庫位于“青南藏東川西高原區(qū)”，庫區(qū)內(nèi)的粉質(zhì)粘土為弱透水層，富水性差；碎石土，透水性好，為強透水層，；砂頁巖總體上透水性差，為弱透水層，但構(gòu)造破碎和節(jié)理裂隙發(fā)育段，透水性好；灰?guī)r裂隙和巖溶較發(fā)育，為中等透水層，為庫區(qū)內(nèi)主要富水層。

(2)尾礦庫運營后的庫水通過基巖裂隙下滲進入地下水系統(tǒng)，并地下水通道向鄰谷發(fā)生滲漏，其滲漏總量約為6.33×103～6.63×103m/d，而繞壩滲漏總量約為5.12×104～5.63×104m/d。

(3)排洪隧道在壩基荷載作用下，排洪隧道周圍巖應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，說明尾礦庫后期堆積壩對現(xiàn)有排洪隧道基本無影響。

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1004-1184(2016)06-0181-03

2016-05-18

王亞明(1979-)，男，河北張家口人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察及工程施工工作。