平地型尾矿库勘察技术及稳定性分析

1、平地型尾矿库勘察技术及稳定性分析孟庭威武治安( 五矿邯邢矿业邯郸地质勘查有限公司 河北·邯郸056000)提 要 尾矿库勘察是岩土工程勘察中的相对特殊部分，工程实例少、施工难度大、技术要求高，与一般工民建勘察相比具一定的特殊性。该文就尾矿库勘察技术及稳定性评价进行总结分析，供同类工程参考。关键词 尾矿库 勘察技术 稳定性Analysis on Investigation Technology and Stability in Flat TailingMeng TingweiWu Zhi'an( Minmetals Han-xing Handan Mining Geologic

2、al Exploration Co ，Ltd )AbstractTailing investigation is a special part in geotechnical engineering investigation，and the engi-neering is less，the construction is difficulty，and the technology requirement is high Compared with gener- al industrial and civil buildings，it has certain particularity Thi

3、s paper summarizes and analyzes the inves- tigation technology and the stability evaluation in tailing，and provides experience for similar engineerings Keywordstailing; investigation technology; stability铺 150mm 厚密实碎石土保护层。筑坝材料采用粘土、粉质粘土混合料，逐层碾压，压实系数达到 96% 98% 。 后期坝采用井下废石堆 筑，坝 顶 标 高50 0m。因设计年限达到要求，需进行

4、闭库工作，与2014 年 1 月停止使用。1引言我国大型尾矿库的尾矿堆积坝高度已达 200m以上，中小型库数以千计。用尾矿或其他工业生产 过程中的细颗料废渣排放冲积筑坝，其筑坝方式、坝 体结构、性能均有别于水利工程的土石坝。特别是 它的坝体堆筑因各种因素影响而可能是无序的，一 旦出现事故可能是灾难性的，所以尾矿库闭库勘察 是一项重要的工作。本文以工程实例就尾矿库闭库 勘察技术及稳定性评价进行初步探讨。3水文地质条件本区位于淮河流域，地处我国南北气候过渡带，属于亚热带季风气候区。气候具有四季分明、雨量 充沛集中、温暖湿润、无霜期长等特点。根据霍邱县 气象站 1998 年至 2007 年气象资料，

5、历年平均降水 量 1074 2mm，降水量年际分配不均 匀，最 大1507 8mm( 2002 年) ，最小 506 4mm( 2001 年) 。降 水量年内分配不均匀，降雨量主 要 集 中 在 6 月 至 8 月。气候温暖湿润，历年平均蒸发量 1231 5mm。年 气温平均 16 4 ，最高气温 37 ，最低气温 12 ， 地面平均气温 18 7 ，相对湿度 44% ，最大积雪厚度16cm，最大冻结深度 8cm，有霜期 33 45 天。2工程概况安徽霍邱某尾矿库位于淮河流域中上游，山前洪积裙平原区，为平地型尾矿库。尾矿库于 2008 年12 月建成投入使用，一、二期初期坝为碾压土石坝， 坝顶

6、标高 45 0m，最大坝高 16 0m，坝顶宽 5m，坝长2256m; 总库容 339 4 × 104 m3 ，等级为等。坝内坡 比为 1 2，一期库已经覆盖碎石粘土，进行绿化。二 期库初期坝 内 坡 铺 设 一 层 ( 3000 /0 3 /300 ) 型 复 合 土工膜防渗层，其上设 150mm 厚密实碎石土; 外坡4勘察技术矿山采用管道输送至坝顶、若干分散管道沿坝顶，分散分段交替排放的方式进行排尾。尾矿土经 水力分选后，宏观上上粗下细，坝前粗，库内细; 微观作者简介: 孟庭威( 1962 ) ，男，高级工程师，主要从事土木工程、岩土工程、钻探等领域的工作。收稿日期: 2014

7、05 042014 年第 5 期勘 察 科学 技 术35上各尾矿土普遍分布，且相互为夹层、互层、交错层、千层饼结构等现象。在结构上为不均一性和各向异 性。因此尾矿库勘察碎石岩土工程勘察中的相对特 殊部分，与一般工民建勘察相比具有一定的特殊性。学性质变化较大，较为复杂，勘察时应重点查明沉积滩尾矿土力学性质。因此勘探线上钻孔布置原则为 从坝体向库区内布置，间距为 20 50m，每条勘探线 上钻孔数量 3 4 个( 1 个布置在坝体) 。4 1依据规范结合经验，合理选定勘察方案尾矿库闭库勘察应在明确勘察目的和技术要求的基础上，通过搜集和分析已有尾矿库建设、原勘察资料、现场踏勘等，了解场地工程地质条件

8、后，依据尾矿 堆 积坝岩土工程技术规范 ( GB505472010) 并结合实践经验编制合理可行的勘察纲要。尾矿库勘察可根据尾矿库等级确定其勘察等 级。等至等尾矿库的堆积坝勘察等级宜定为甲 级; 其余可定为乙级。该尾矿库等级为等，勘察等 级确定为乙级。对位于地震动峰值加速度值等于和大于 0 10g 的地区的尾矿堆积坝应进行动力稳定性分析。尾矿 库工程 一般离城镇较远，故建筑抗震设计规范 ( GB50011) 附录 A 不 宜 用 于 确 定尾矿库所在地的 抗震设防烈 度，而 是 应 按 照中国地震动参数区划 图( GB18306 ) 相 关 条 款 执 行。根 据中 国 地 震 动 参数区划图

9、，本场区抗震设防烈度为六度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 0 05g。可不进行动力稳定性分析。勘探线数量不足可能使稳定性评价时选取的剖 面未设在最不利、不安全的位置。实际经验表明有 的坝在 3 条剖面的评价中，安全系数最小的剖面不 是中间沿谷底的剖面而是一侧的剖面。倘若只布置1 条垂直坝轴线的剖面，是不可靠的。因 此 尾 矿 堆 积坝勘察在主坝的勘探线数量不得少于 3 条。但平 地型尾矿库勘探线应在需评价的各坝段布设，主要 坝段勘探线数量不少于 3 条，其他坝段不得少于 2 条。在实际工程中，应该结合尾矿土的变异性大小 布置勘探线。尾矿土变化大，勘探线应加密; 尾矿土 变化小，

10、勘探线可适当减少。该工程初步设计时共 布置勘探线 15 条，在施工初期钻探时查明尾矿土变 化比预期较 小，对 勘探线进行调整，共 布 置 勘 探 线11 条，见图 1。每条勘探线上勘探点的数量规范要求不宜少于5 个，其目的是查明堆积坝中尾矿土 的 特 性。但 该 尾矿库未形成尾矿土堆积坝，若按照规范进行布置，无疑增加工作量。对于该尾矿库闭库勘察主要目的 为查明沉积滩和坝体的力学特性，并且坝体为碾压 土坝，力学性质变化小，较为简单，沉积滩尾矿土力图 1 平面布置图尾矿坝勘察除钻探外还应进行现状地形测量、 工程地质测绘、标准贯入试验、静力触探试验、十字 板试验、钻孔波速测试、尾矿原状土力学性质试验

11、。 根据该工程规模及特点，本工程采取静力触探、标准 贯入试验、注水试验作为勘探手段。4 2注重细节及技术要求，确保采集数据的准确性由于尾矿堆积时间短，颗粒间结构强度差，且多为粗粒型，钻进中孔壁易坍塌。钻探技术又别于常规勘察，在浸润线以上应进行干钻，螺旋钻进，适当 改进螺距及螺旋底部结构，每回次进尺 0 8 1 0m，纯钻进时 间 3 15min; 浸润线以下尾矿呈饱和状 态，孔壁坍塌、缩径严重钻进深度达浸润线 2 3m 时应立即下入套管，以优质泥浆护壁、螺旋组合钻具 钻进是较为理想的方法。为保证取样质量，取样采用薄壁型取样器及取砂器进行取样。标准贯入试验是尾矿坝勘察常用的原位测试方 法。在实际

12、操作时，由于尾矿土多为砂性土，钻进时 沉淀较多，因 此 要 合理控制泥浆比重和冲洗时间。 根据经验泥浆比重控制在 1 2 左右，试验前冲洗时 间为 20min 左右，确保试验时孔底无沉淀。静力触探是以触探曲线进行的间接判断，由于 尾矿坝岩土条件往往比较复杂，容易出现误判，因此 在主剖面勘探线上，所有钻孔处均宜进行静力触探勘 察 科学 技 术2014 年第 5 期36域。通过调查资料发现，近期排尾管道多设置库区南区，连续排 尾 形 成区域含水量大，尾 矿 土 颗 粒 较 细，颗粒间水分短时间内无法排出，相比北部区域土 的固结程度降低，尾矿土的物理力学性质较差。但 闭库以后，随着排尾工作的减少，在

13、尾矿排水正常条 件下，尾矿土的强度应会有所增强。试验，并应与钻探配合使用。为避免钻探影响，确保准确判断，应在勘探点先进行静力触探，然后在离静 力触探点 1m 左右进行钻探。对比尾矿土力学参数，分析特性规律根据勘察施工的 56 个钻孔，基本查明尾矿库库 区及坝体的工程地质条件，该尾矿库的尾矿土主要 由尾粉砂、尾细砂和尾粉土组成。物理力学性质变 化虽然较大，但亦遵循一定的规律。各尾矿土的性 质如下:尾粉砂: 灰 绿 色，饱 和，局 部 稍 湿、湿; 松 散，仅K33、K9 上部为稍密，该层分布较为广泛，平均厚度4 64m。尾细砂: 灰 绿 色; 饱 和，局 部 稍 湿、湿; 松 散，仅 K33 上

14、部为稍密，该层分布广泛，平均厚度 4 97m。 尾粉土: 灰绿灰黑色，湿，局部很湿，中密稍密，局部为密实，平均厚度 3 52m。由于尾矿库排尾的随时性、选矿阶段工艺差异 等特点，尾矿土的物理力学性质变化较大。该工程 根据标准贯入试验 133 组数据进行统计，通过分析、 对比显示: 库区北部标准贯入试验平均值为 6 5 击， 南部标准贯入试验平均值仅为 1 3 击。根据静力触 探试验成果将南北部的静力触探进行了统计，静力 触探数据进一步验证尾矿土沉 积固结程度强弱区 4 34 4尾矿土堆积增加附加应力，加快原土体固结速度尾矿库的建设结果可形象地认为在原水平土体土层上加有一均匀荷载，其覆盖面积尺度

15、相对于原土层的厚度而言非常大，土层的变形主要是垂直方 向，基本上没有侧向变形。因此土的压缩接近于一 维的，可认为只有垂直方向的位移。尾矿库堆积而形成的附加压力会在土层中产生 超静孔隙水压力。超静孔隙水压力是土中已有的静 水压力以上附加的水压力，超静孔隙水压力的梯度 使得孔隙水流动，而静水压力梯度为零。库底部土 层为粘性土，渗透系数很小，超静孔隙水压力需要较 长的时间消散。或者说，受超静孔隙水压力作用的 孔隙水需要较长时间才能排放出来。孔隙水的排放 会使得超静孔隙水压力减小，有效应力增大，而引起 土的压缩。对该尾矿库建设时勘察数据与本次勘察数据进行对比( 见表 1) ，表明上述理论的合理性。表

16、1 尾矿坝闭库勘察前后物理性质指标对比压缩系数 / MPa 1岩土名称 勘察阶段含水率天然孔隙比饱和度 / %液限 / %塑限 / %塑性指数液性指数压缩模量 / MPa闭库23 122 90 6880 68091 292 140 840 623 122 517 718 20 020 020 170 1211 7917 36粘土原勘察闭库24 10 71991 436 121 614 50 180 228 89粉质粘土原勘察30 80 87795 735 822 313 50 600 355 405尾矿库稳定性计算及分析根据勘察资料稳定性分析选取东北侧最大坝高断面进行计算，建立渗流分析和坝体抗

17、滑稳定分析计算模型( 见图 2 ) ，采用瑞典圆弧法和总应力法进 行稳定性计算。首先对勘察时获取的物理力学性质 数据进行统计分析，根据离散程度删除异常数据，各 材料物理力学指标参数采用标准值进行计算( 废石 指标为经验值) ，见表 2。坝体渗流稳定分析与抗滑 稳定分析按最不利工况 ( 考虑土工膜失效情 况) 洪 水运行条件进行，最小干滩长度按四等库规范要求 确定为 50m，允许最高洪水位按最小干滩长度对应 的水位确定。图 2 计算模型为进行可靠度分析时使用的计算参数，计算分 析结果能反映出坝体的基本形态，又能使分析结果 偏于安全。本次研究工作分别对渗流、局部滑动、整 体滑动 3 种情况进行分析

18、评价。坝体在洪水运行工况下的渗流稳定分析( 见图3) ，渗流计 算 结 果 表 明，坝体浸润线不会在坝坡上 出逸。浸润线位置的高低对于尾矿坝的稳定性影响 甚大，在尾矿库的管理工作中要引以重视。2014 年第 5 期勘 察 科 学 技 术37表 2 材料的物理力学指标渗透系数 / ( m·s 1 )天然容重/ ( kN·m 3 )浮容重/ ( kN·m 3 )摩擦角( 水上 / 水下) / ( ° )粘聚力( 水上 / 水下) / kPa类别KKhv废石素填土 粘土 粉质粘土 尾细砂 尾粉砂 尾粉土22 017 518 019 518 519 020 01

19、2 28 08 29 78 79 210 235 0 /34 015 0 /14 514 0 /13 513 9 /13 422 5 /22 031 2 /31 021 6 /21 03 0 /2 051 4 /51 054 4 /54 050 4 /50 024 5 /24 07 8 /7 516 5 /16 00 235 0 × 10 72 46 × 10 72 33 × 10 74 57 × 10 53 87 × 10 55 65 × 10 60 234 5 × 10 72 1 × 10 72 0 × 10 74 1 × 10 53 2 × 10 55 2 × 10 6进行实施，勘察采集的数据经相互对比、验证，数据准确、可靠。分别对渗流、局部滑动、整体滑动 3 种 情况进行稳定性计算及分析，分析结果表明坝体在 洪水运行工况下均为稳定，满足规范要求。2)尾矿坝勘察与一般建筑物勘察的技术特点图 3 坝体渗流浸润线坝体在洪水运行工况下局部滑动稳定计算( 见 图 4) ，稳定计算结果表明，坝体抗滑稳定最小安全 系数