段偉強
(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021;2.河北省礦山地下水安全技術創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021)
巖溶地貌在我國分布廣泛,尤其是碳酸巖形成的喀斯特地貌。巖溶的出現(xiàn)不僅與氣候相關,更取決于巖石結構構造、地質(zhì)構造和地下水運動情況。大氣降水豐富、氣候濕潤地區(qū),巖溶發(fā)育。巖層完整厚大的發(fā)育強烈,結晶顆粒粗大的巖石發(fā)育強烈,節(jié)理裂隙發(fā)育、密集處巖溶發(fā)育,正斷層處巖溶發(fā)育,褶皺軸部巖溶發(fā)育,陡傾巖層巖溶發(fā)育,可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育,巖溶發(fā)育具有帶狀性、成層性。地殼強烈上升地區(qū),巖溶垂向發(fā)育,地殼穩(wěn)定地區(qū),巖溶水平發(fā)育。地下水流沖刷劇烈、與巖石接觸面大的巖溶發(fā)育[1]。
某金屬礦尾礦庫位于露天采坑中心南偏西約3.0km的山間洼地中,整個庫區(qū)匯水面積約0.6 km2。主壩位于庫區(qū)的東南溝谷中,初期主壩壩長90.0 m,壩高17.0 m,為均質(zhì)土壩,壩體坐落在灰?guī)r和砂頁巖地基上。后期采用上游法尾礦筑壩,尾礦堆積邊坡1∶4,總壩高44 m,現(xiàn)已堆積壩高32 m。自建成后,主壩東南側(cè)一帶累計發(fā)生塌陷近20余次。
區(qū)內(nèi)主要地貌類型為溶蝕洼地和不連續(xù)的殘丘構成的低山丘陵,地勢總體西北高、東南低。從地形地貌看,主壩位置為天然的地下水、地表水排泄口,利于巖溶發(fā)育。區(qū)內(nèi)降水充沛,全年平均年降雨量1 500 mm左右。3~6月為雨季,約占全年降水的54%,其中5月份降水最多,12月降水最少。
塌陷在豐水期(4~5月)或枯水期初發(fā)生,以豐水期塌陷居多。降水使得區(qū)內(nèi)地下水位發(fā)生劇烈抬升,短期內(nèi)又迅速降低,集中強降水不僅降低了溶洞上覆土層物理力學性質(zhì),而且加劇了巖溶空腔對上覆土層的虹吸和潛蝕,誘發(fā)了地表巖溶塌陷。
尾礦庫主壩壩基地層主要為第四系和泥盆系錫礦山組上段(D3x2)砂巖和錫礦山組下段(D3x1)灰?guī)r。壩基一帶原生第四系地層極薄,厚度小于5 m,溝底堆積素填土,溝谷中間略厚,往兩側(cè)壩肩變薄,最大厚度15 m。錫礦山組上段(D3x2)砂巖呈深灰、淺灰色,可見灰白色條紋及斑塊,礦物成分主要為石英質(zhì),中細粒結構,薄層狀構造,泥質(zhì)膠結,強中風化,分布在尾礦庫上游及庫區(qū)內(nèi);錫礦山組下段(D3x1)微風化灰?guī)r呈深灰、灰白色,礦物成分主要為方解石,隱晶質(zhì)結構,塊狀構造,巖層產(chǎn)狀在4號背斜軸部走向近南北向,東翼向東,西翼向西,傾角60°~90°(圖 1)。
圖1 庫區(qū)地層及構造分布Fig.1 Stratigraphy and structure distribution in the reservoir area
壩基位于4號背斜軸部,在背斜兩翼,分布有非碳酸鹽類的石英砂巖夾層(圖2),非可溶砂巖阻隔了地下水流動,使地下水在灰?guī)r和砂巖交界面匯集,且?guī)r層傾角60°~90°,巖層陡傾,加劇了地下水對灰?guī)r的溶蝕,交界面處巖溶發(fā)育。根據(jù)前期物探及鉆探資料,灰?guī)r向北東方向埋深依次加深,主壩東南方向灰?guī)r埋深較淺,塌陷區(qū)地段巖溶發(fā)育形態(tài)主要以溶蝕裂隙、落水洞、漏斗等垂直巖溶形態(tài)為主。根據(jù)鉆探揭露,其最大發(fā)育深度超過80 m,說明該地區(qū)地殼在上升,侵蝕基準面在下降,地下水在適應侵蝕基準面過程中強烈下切,形成垂直巖溶系統(tǒng);但就其寬度而言,單個巖溶形態(tài)一般不超過5 m。
圖2 庫區(qū)褶皺剖面Fig.2 Fold section of the reservoir area
背斜軸部為錫礦山組下段(D3x1)灰?guī)r地層,受東西向應力作用軸部節(jié)理裂隙發(fā)育,背斜軸部是產(chǎn)生張應力的地方,張節(jié)理發(fā)育、地表水或地下水沿這些節(jié)理裂隙作垂直運動,然后再向兩翼或背斜軸線方向運動。由于受到東西向壓力作用,垂直背斜軸兩翼分布不同的張性裂隙,背斜核部形成較大空腔,隨著地下水對裂隙的不斷溶蝕拓展形成一個以背斜軸為強巖溶帶,垂直背斜軸梳狀分布的巖溶系統(tǒng)。
礦區(qū)主要含水層為碳酸鹽巖、生物碎屑巖類裂隙巖溶含水巖組,該巖組自身透水性及富水性不強,除構造斷裂帶及其兩翼影響帶富水性及透水性中等外,其余含水巖組富水性均比較弱。但受區(qū)域構造及成礦作用影響,斷裂構造極其發(fā)育,平面上形成縱橫交錯的網(wǎng)格狀,垂向上淺表巖溶十分發(fā)育。依據(jù)已有水位資料和示蹤試驗結果,地下水主要接受大氣降水入滲補給和尾礦庫尾砂孔隙水下滲補給后,自西南向北東方向徑流。受區(qū)域隔水地層和南北阻水斷層影響,自成相對獨立巖溶水文地質(zhì)單元,單元匯水面積不大,且尾礦主壩總體位于單元補給區(qū)一帶,接受大氣降水補給有限。但尾砂孔隙水體位于壩基上游,孔隙地下水除補給庫區(qū)兩翼基巖裂隙水及上游灰?guī)r地下水外,大部分向下游徑流排泄,通過巖溶或塌陷天窗進一步補給主壩一帶錫礦山下段巖溶地下水,補給水量可觀。
塌陷區(qū)地段兩翼巖層產(chǎn)狀陡(傾角68°~90°),使地下水豎向徑流流速大,水動力作用活躍,灰?guī)r層向北東方向展布,與地下水水平徑流方向一致,加劇了巖溶發(fā)育。灰?guī)r層在地下水溶蝕下,形成的地下溶洞整體走向沿著北東方向從地表向地下深處發(fā)展,同時地下水沿著巖層界面、節(jié)理結構面、裂隙溶蝕,在各溶洞腔體之間形成了復雜的水力通道。
建壩初期1973—1974年,尾礦砂不斷堆積,共發(fā)生14處巖溶塌陷;1977年4~5月塌陷,致使排水渠斷裂,發(fā)生塌陷后,均以尾粉砂或碎石、黏土對塌陷區(qū)進行了及時回填治理。1990年尾礦庫暫停使用,暫未發(fā)生塌陷,一直到2012年啟用后又多次發(fā)生塌陷。2016年塌陷4次,其中11月塌陷最嚴重,1號塌陷處短時間內(nèi)塌陷深1.70 m,呈橢圓形,直徑約3.00 m,塌陷方量約12.00 m3;2號塌陷處呈不規(guī)則形,寬6.00~8.00 m不等,長約30.00 m,短時間內(nèi)最大塌陷深4.50 m,塌陷方量約820.00 m3。2019年5月,與原1號塌陷坑中心位置距離58 m,形成新塌陷坑,大小為6m×6m×5m,多次塌陷深度均超過5m,這與查明的空腔厚度一致。主要原因為尾礦壩堆積高度增高,庫區(qū)水位抬升,塌陷區(qū)荷載增加,導致溶洞頂板破裂,第四系土層失穩(wěn)誘發(fā)。
場地大部分地段覆蓋層厚度小于50 m,由上到下為尾礦砂①、尾礦砂②、粉質(zhì)黏土、灰?guī)r,灰?guī)r層內(nèi)存在溶洞,溶洞全充填尾粉砂、粉質(zhì)黏土、碎石等(圖3);各地層物理力學參數(shù)按照現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)試驗參數(shù)[2],結合地區(qū)工程經(jīng)驗進行折減,場地內(nèi)各地層物理力學參數(shù)如表1[3-4]。
圖3 尾礦壩塌陷區(qū)地層剖面圖Fig.3 Stratigraphic section of the subsidence area of the tailings dam
使用某二維計算軟件進行數(shù)值模擬,利用現(xiàn)狀塌陷區(qū)剖面建立巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)模型(圖4),使用表1參數(shù)進行計算,將計算結果與現(xiàn)狀地表塌陷規(guī)律和塌陷范圍進行比較,驗證塌陷區(qū)地質(zhì)模型的正確性。
圖4 巖溶區(qū)地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of karst area
表1 地層物理力學參數(shù)值[3]Tab.1 Physical and mechanical parameters of formation
對巖溶區(qū)地質(zhì)模型進行了整體計算,計算步長設置為1 500,收斂最大控制值0.001,在沒有溶洞的情況下,計算收斂,主應力從上到下依次增大,符合地層重力分布規(guī)律,場地沉降最大值5 mm,水平均勻分布,符合地層傾角分布,說明該模型與實際相符合,滿足計算要求。
圖5是根據(jù)現(xiàn)狀情況進行計算,計算過程中,模型計算不能收斂,說明現(xiàn)狀情況下,地層已經(jīng)發(fā)生了坍塌破壞。計算結果顯示,從地表到溶洞頂部,變形依次增大,在溶洞頂部發(fā)生了坍塌,變形最大值3.80 m,地表最大變形值1.60 m。塌陷形成了塌陷漏斗,寬度101.21 m,地表變形從兩邊到中間依次增大,在正對溶洞頂部位置地表變形最大為1.60 m。模型計算的地表塌陷范圍與現(xiàn)狀情況下的塌陷范圍一致,塌陷深度也一致。
圖5 現(xiàn)狀條件下計算成果Fig.5 Calculation results under current conditions
歷史上發(fā)生多次巖溶塌陷,礦山均采用碎石和尾礦砂混合回填,然后再繼續(xù)堆高壩體。該次塌陷發(fā)生后,礦山再次利用碎石和尾礦砂的混合物對塌陷區(qū)進行了回填,按照尾礦庫設計,后期尾礦庫還要繼續(xù)堆高12 m后閉庫,通過數(shù)值模擬計算對后期尾礦庫壩體是否會發(fā)生巖溶塌陷進行預測。
圖6 回填加高后巖溶塌陷預測圖Fig.6 Prediction of karst collapse after backfilling and heightening
根據(jù)計算結果可以看出,后期尾礦壩壩基處于穩(wěn)定狀態(tài),受到后期壩體繼續(xù)堆高和水位抬升影響,地表出現(xiàn)了0.10 m的沉降,這主要是壩體的自重影響造成的。巖溶溶洞體積較小,被尾礦砂碎石回填,在塌陷區(qū)下方一定范圍內(nèi)形成了穩(wěn)定充填區(qū),但是尾礦砂碎石流動性極差,自然回填會形成自然休止角,在溶洞的延伸方向并不會形成連續(xù)的充填體,此次回填只會治理已經(jīng)塌陷的區(qū)域,對于其他巖溶區(qū)及流通管道不會有明顯的效果,這些區(qū)域隨著壩體的增高和水位的抬升極大可能還會發(fā)生塌陷,塌陷坑回填只是一種被動的治理手段。
巖溶地面塌陷的治理,是為了保持地基穩(wěn)定及地質(zhì)環(huán)境均衡[5],目前常用的方法主要分為地表封閉防滲加固[6],地下溶洞充填加固及結構物跨越等三大類型的整治措施,針對本工程特點主要介紹三種治理手段,對比各自的優(yōu)缺點。
在基巖面以上的黏性土或砂土層一定的深度范圍內(nèi),采用三重高壓旋噴注漿,通過高壓水切割黏性土或砂土層,水泥漿充填高壓水切割形成的空區(qū),形成水泥漿膠結體,在灰?guī)r頂部形成一定厚度和較高強度的水泥漿膠結體板[7]。結合工程的實際情況,由于基巖面以上主要為黏性土層,其滲透性小,為弱透水地層,治理設計中對蓋板整體性和強度要求較高[8],三重高壓旋噴注漿加固將在巖溶空腔上部形成穩(wěn)定堅固的頂板。該方法施工工藝成熟,可提供較高的注漿壓力,高壓水切割地層能力大,范圍廣,漿液能控制,膠結板質(zhì)量能保證。施工采用地面施工,不用進行大規(guī)模土方開挖和地下工程,在尾礦庫地區(qū)尤為適用,安全性高[9]。
根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件,巖溶腔體和巖溶孔洞是地下水聯(lián)通通道[10],在治理巖溶塌陷的同時,不能簡單將地下水通道封堵,如果封堵,將會造成庫區(qū)地下水位抬升,水壓力增大,主壩浸潤線抬升,主壩穩(wěn)定性下降,造成潰壩的風險。同時別的副壩隨著地下水位的抬升,也可能成為地下水排泄的出口,造成潰壩事故。
基于上述原因,巖溶孔洞充填碎石既能保留原有地下水通道,又能防止巖溶空腔頂板垮塌,同時也能隔絕上層含水層和巖溶腔體的水力聯(lián)系,降低地下水位下降速度,達到防治巖溶塌陷和阻斷水位下降對上覆地層的虹吸作用。首先利用鉆孔充填碎石治理已經(jīng)查明的巖溶腔體和孔洞,同時在巖溶區(qū)施工透氣孔,減緩地下水下降速度,消除虹吸作用。碎石充填能從根本上消除巖溶塌陷,施工難度小,地面施工安全可靠,成本低,適合地下水流聯(lián)系緊密地區(qū)及過水通道巖溶區(qū)的治理[11]。
在確定的巖溶發(fā)育規(guī)律及地下水水流方向,采用在地下水流下游方向巖溶發(fā)育的區(qū)域,通過鉆孔灌注碎石透水材料的方式,修筑一道地下透水墻體,攔截上游的細顆粒填筑材料,降低水流速度,同時在巖溶區(qū)施工透氣孔,減緩地下水下降速度,消除虹吸作用。該方法能有效減緩巖溶區(qū)地下水流速,將上游塌陷區(qū)填筑的尾礦砂、碎石土等材料攔擋在透水壩前,防止填筑材料向巖溶下游及深部發(fā)育區(qū)運移,可以讓填筑材料快速的充滿巖溶腔體和通道,防止尾礦壩區(qū)域的巖溶塌陷。上游充填體采用了細顆粒充填物,有效解決了碎石充填體流動性差,難以形成連續(xù)密實充填帶,接頂率低的問題,治理費用低。透水墻體本身就是填筑巖溶通道下游腔體形成的,不需要另外增加施工工作量,既節(jié)省成本,又有效消除巖溶腔體的塌陷隱患,同時還不阻斷地下水流通通道,改變地下水流場[12]。
尾礦庫壩基水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件對巖溶發(fā)育有利,該區(qū)域巖溶發(fā)育強烈,嚴重影響尾礦庫的穩(wěn)定性,后期發(fā)生巖溶塌陷的可能性極大。通過邊塌陷邊回填的方法能在短時間內(nèi)較為有效地治理該區(qū)域巖溶塌陷,但不能保證在別的巖溶區(qū)域不發(fā)生巖溶塌陷,這只是暫時的治標措施。符合工程實際的三種治理手段各有優(yōu)缺點,可以根據(jù)業(yè)主的需求和目標進行選擇。