陳素玲

(河南省地礦局第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽 471023)

0 前 言

尾礦庫壩體是重大危險源之一，國際災(zāi)害事故排名中位列第18位。加強尾礦庫壩安全監(jiān)管和監(jiān)控，對于保證尾礦庫安全運行極其重要[1]。河南嵩縣柿樹底金礦小南溝尾礦庫位于嵩縣大章鄉(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，庫區(qū)匯水面積約1.22 km2，尾礦庫屬山谷型尾礦庫，溝口筑壩[2]。為了保證礦山生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和尾礦庫的安全管理工作，做好尾礦庫搶險應(yīng)急救援預(yù)案的補充完善，對尾礦壩體穩(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地已有資料的基礎(chǔ)上，通過實地調(diào)查，查明場地地形地貌、地質(zhì)界線，查明庫區(qū)、壩體及其附近有無影響其穩(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曲線分析和穩(wěn)定性驗算分析，綜合分析評價堆積壩壩體進行穩(wěn)定性。該研究有助于柿樹底金礦堆積壩區(qū)及時發(fā)現(xiàn)和消除尾礦庫安全隱患，確保尾礦庫安全。

1 小南溝尾礦庫現(xiàn)狀

尾礦庫位于嵩縣大章鄉(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，溝口筑壩。小南溝為一走向南北狹長山谷，小南溝尾礦庫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內(nèi)均勻放礦，自初期壩開始依次向庫區(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，壩外坡腳標高為757.7 m，壩頂標高784.6 m，初期壩高22.0 m，壩頂長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 小南溝尾礦庫照片

目前尾礦庫堆積壩已堆至846.0 m，庫內(nèi)灘面標高為845.0 m，現(xiàn)堆積壩高61.44 m，終期總壩高為89.44 m，設(shè)計終期總庫容為352.55萬m3。堆筑12級子壩，尾砂堆積壩每級子壩頂寬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。每級子壩均垂直溝谷方向規(guī)范堆筑子壩，在堆積壩除第2級子壩頂未設(shè)水平排滲管外，其余每級子壩均設(shè)置有水平排滲管，排滲管間距4.0 m，單根長40.0 m。且每級子壩頂均設(shè)置有壩面排水溝，在堆積壩兩鍘筑有壩肩截水溝，現(xiàn)場觀測。目前，除第12級子壩外，其余子壩外坡面均采用覆土植草護坡，覆土厚度平均為300 mm。

2 堆場工程地質(zhì)條件

研究區(qū)大地構(gòu)造單元屬中朝準地臺—華熊臺隆，伏牛山臺緣隆褶區(qū)(見圖2)，嵩縣小南溝尾礦庫堆場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。庫區(qū)出露地層主要為第四系殘坡積覆蓋層與庫區(qū)尾礦砂和中古界熊耳群張合廟組(Pt2ch2)。庫區(qū)內(nèi)沒有滑坡、崩塌、泥石流、巖溶和活動性斷層等的不良地質(zhì)作用。壩址區(qū)域內(nèi)無溶洞、人工洞穴及泉孔。

圖2 河南嵩縣柿樹底金礦小南溝尾礦庫綜合平面

尾礦庫區(qū)屬中低山區(qū)，小南溝為一走向南北的狹長山谷，地勢南高北低，地形呈火炬形，中間主溝狹長，長約2 000 m，兩側(cè)偏溝偏短，長約200～300 m。庫區(qū)三面環(huán)山，構(gòu)成良好封閉型天然庫盆。庫區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單，無常年地表水體，地下水屬淺層裂隙水，大氣降水為主要補給來源?；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級子壩頂未設(shè)水平排滲管外，其余每級子壩均設(shè)置有水平排滲管，經(jīng)查看，排滲良好。每一級子壩頂均設(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)。目前壩體無垂直、橫向位移，壩體無變形。尾礦庫無坡面沖蝕，無管涌、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

尾礦庫礦水滲流狀態(tài)的可靠分析與評價是尾礦庫工程研究的關(guān)鍵。本尾礦壩在尾細砂夾尾中砂、尾粉砂夾尾細砂、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、庫區(qū)邊界條件。根據(jù)本次勘察，本庫區(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—中風(fēng)化安山巖，透水性相對較弱，對降低壩體滲流水位相對較弱。

3.3 浸潤曲線分析

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

3.4 堆積壩穩(wěn)定性計算

堆積壩現(xiàn)狀穩(wěn)定性評價按《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ2016-2016)5.3.18規(guī)定，采用瑞典圓弧法，利用理正軟件進行計算。在充分考慮野外原位測試、室內(nèi)常規(guī)試驗和直剪試驗等各種試驗條件的基礎(chǔ)上，參考其它尾礦庫地層參數(shù)和有關(guān)規(guī)范綜合確定計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)定性計算參數(shù)

堆積壩穩(wěn)定性計算分為正常情況下和洪水期計算。按照現(xiàn)行規(guī)范，根據(jù)9-9′剖面繪出堆積壩的邊坡，洪水運行時浸潤線埋深按照正常運行時向上2 m選取。尾礦庫正常運行時計算，目前干灘長度為267.0 m，沉積灘坡度為2.62%。正常運行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897。尾礦洪水運行時計算，干灘長度按照堆積規(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)計算，現(xiàn)狀情況下，正常運行時壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897，洪水運行時壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.841，能滿足三等庫壩坡抗滑穩(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，在洪水運行條件下壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 尾礦庫運行中后期應(yīng)注意的問題

期壩壩面塊石層較均勻，無塌落現(xiàn)象，建議后期仍加強管理。目前壩頂標高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，該尾礦庫設(shè)計總壩高89.44 m，設(shè)計總庫容352.55×104m3。外坡平均坡比1∶4.03，滿足安全要求。目前，除第12級子壩外，其余子壩外坡面均采用覆土植草護坡，覆土厚度平均為300 mm，后期運行中，壩外坡面用應(yīng)覆土植草護坡。

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

5 結(jié) 語

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

2)現(xiàn)狀情況下正常運行時壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.897，洪水運行時壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.841，滿足三等庫壩坡抗滑穩(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，在洪水運行條件下壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)，目前尾礦庫運行符合安全生產(chǎn)條件。