復雜地基條件下尾礦壩的穩(wěn)定性分析

周彩霞 李世男

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.中鐵建銅冠投資有限公司， 安徽 銅陵 244000)

0 前言

尾礦庫是礦山生產(chǎn)的重要設施，也是礦山的重大危險源。尾礦壩的穩(wěn)定與否，直接關系到尾礦庫的運行情況，同時和礦山的經(jīng)濟效益、下游人民的生命財產(chǎn)安全、周邊環(huán)境等緊密相關。統(tǒng)計表明，尾礦壩穩(wěn)定性不足是造成尾礦壩潰壩的重要因素[1]。從有利于尾礦壩穩(wěn)定性的角度考慮，尾礦庫應避開地質(zhì)構(gòu)造復雜、不良地質(zhì)現(xiàn)象嚴重區(qū)域，尾礦壩壩址的選擇應避免不良的工程、水文地質(zhì)條件[2]。但是由于各種條件限制，有時需要在復雜地基條件下建壩。

尾礦壩建在軟土層或黏性土層上的實例較少，江西武山銅礦新尾礦庫1#尾礦壩底土層為新近湖相沉積的淤泥- 淤泥質(zhì)土，軟土層最厚達12 m，均厚10 m，采用排水砂井和塑料排水板提高預壓效果，并分級加荷，在加載過程中嚴格控制加載速率保證穩(wěn)定性[3]；云南境內(nèi)某尾礦庫工程，壩體外坡壩腳處除素填土外，地基從上而下依次為粗砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土，軟土層厚達40 m，采用外坡壓載廢石、預留平臺及壩內(nèi)加筋土工格柵等多措施并舉的方法解決壩體安全系數(shù)不足的問題[4]；新城金礦在舊庫淤泥質(zhì)軟基上采用碎石樁與反壓法相結(jié)合的方法加固軟基并筑壩擴容[5]。水利工程中有在粘性土及軟土壩基上筑壩的經(jīng)驗[6]，公路鐵路及市政工程中亦有不少相關經(jīng)驗可供參考。

尾礦壩選址應慎重選擇復雜地基條件，如果受條件所限必須在復雜軟土或黏性土地層上筑壩，應對地層情況進行詳細的勘察，并采取地基處理措施。處理措施需綜合考慮技術、經(jīng)濟等方面的影響。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某三等尾礦庫總庫容4 440萬m3，總壩高60 m，為山坡型尾礦庫，利用山坡階地三面筑壩，前期勘察庫區(qū)為深厚砂礫石層基礎。尾礦初期壩初始設計為堆石壩，采用黏土斜墻防滲，壩高30 m，壩頂寬5 m，上下游壩坡均為1∶2.5；尾礦堆積壩壩高30 m，外坡坡度為1∶5；尾礦庫庫區(qū)采用1 m厚黏土層防滲。尾礦庫平面圖如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

詳細工程勘察后，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況與前期勘察結(jié)果相差較大，擬建場地內(nèi)分布的地層主要有人工堆積層、第四系沖洪積層、第四系坡洪積層、第四系殘積層和侏羅系侵入巖。庫區(qū)覆蓋層性質(zhì)及厚度變化較大，且存在不利于壩體穩(wěn)定的可塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土夾卵石層和較大厚度的粉質(zhì)黏土層，主要物理力學性質(zhì)指標見表1。

圖1 尾礦庫平面圖

地層天然含水率/%天然重度/kN·m-3飽和重度/kN·m-3飽和度/%孔隙比液性指數(shù)壓縮模量/MPa標準貫入試驗錘擊數(shù)/擊直剪快剪直剪固快內(nèi)摩擦角/(°)凝聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)凝聚力/kPa粉質(zhì)黏土夾卵石層35.5118.0018.300.9993.940.744.725.3014.0017.0016.0014.00粉質(zhì)黏土層33.3318.2018.500.9193.770.514.8910.2015.0021.0018.0018.00

1)粉質(zhì)黏土夾卵石層。顏色為黑色- 灰黑- 灰色，厚度為0.50～16.90 m。該層含鐵錳氧化物和腐殖物，局部為黏土，還含有少量卵石、礫石、中粗砂和粉細砂，部分地段夾厚度不一的腐殖質(zhì)。整體呈飽和、可塑狀態(tài)，局部呈軟塑狀態(tài)，屬于強度較低、不甚均勻的中等偏高壓縮性土層，且厚薄分布不均勻，變化較大，為相對軟弱的天然地基持力層。另外，該層有機質(zhì)含量為2%～11%，部分地段大于5%，水泥與土層可能不凝固或發(fā)生后期崩解。

2)粉質(zhì)黏土層。顏色為黃褐色- 棕紅色- 灰褐- 灰綠色，厚度為2.00～40.00 m。該層中含鐵錳氧化物，局部為砂質(zhì)黏性土和黏土，含少量(5%～10%)碎石，碎石主要成分為花崗閃長巖和石英砂巖。整體呈濕的、可塑狀態(tài)，局部呈硬塑狀態(tài)，屬于強度中等、不甚均勻的中等偏高壓縮性土層。

2 穩(wěn)定性加固措施

2.1 常用穩(wěn)定性加固措施

為了滿足在復雜軟土或黏性土地層上修筑尾礦壩的穩(wěn)定性要求，通常可采用以下措施增強壩體及地基的穩(wěn)定性[6]：

1)換土法。挖除全部或部分軟土，換填以強度較高的土、砂、石料，可從根本上改善地基，是最徹底的處理方法。這種方法只適用于軟土層位于地表、厚度較薄且便于施工的情況。

2)壓重法。在壩體的上、下游坡腳外填筑重力平臺，在此附加荷載的作用下，壩側(cè)地基被擠出和隆起之勢得到平衡，從而增強地基的穩(wěn)定性。此法雖然施工簡便，但土方量大，占地面積大，適用于較低的初期壩。

3)排水固結(jié)法。在壩基中設置一系列的砂井或者塑料排水板，使孔隙水壓力能較快地消散，從而加速地基抗剪強度的增長，同時也縮短了地基最終沉陷時間，適用于軟基較厚的情況，常與預壓加載相結(jié)合使用。

4)預壓加載法。在壩體填筑之前預先在壩基加荷載使壩基固結(jié)，然后去掉荷載再筑壩。由于土石壩自身對沉陷的適應性較大，而且預壓荷重也就是填土石，因此極少另用預壓法加固地基，可用土石壩自身作為預壓，但需保證預壓過程中土石壩不發(fā)生不允許的裂縫，否則應把預壓土料除去后重新筑壩。

5)控制填土速率。地基土的強度，隨著加荷后時間的進展而逐漸因固結(jié)而增大，適當控制填土速率，可以使地基土強度的增長與填土荷重的增長相適應。控制填土速率是很重要的措施，無論用何種方法來處理壩基，都是必要的。

6)抽水加固法。在壩基打孔抽水降低地下水位，促進壩基土固結(jié)。

7)填土擠淤法。對于很軟弱的淤泥，可以在填土過程中，由壩體荷載將其從壩趾擠出。通常只適用于稠度很大的薄層淤泥。

8)采用復合地基。包括水泥攪拌樁、碎石樁、灰土樁、旋噴樁和小斷面預制樁等。

2.2 穩(wěn)定性加固措施的選擇

本工程相對軟弱的粉質(zhì)黏土夾卵石層和粉質(zhì)黏土層厚度較大，換土法和填土擠淤法不適用；壩址附近(100 m處)有河流，抽水加固不易實施；粉質(zhì)黏土夾卵石層有機質(zhì)含量為2%～11%，水泥與土層可能不凝固或發(fā)生后期崩解，水泥攪拌樁復合地基效果不能保證，且采用復合地基造價較高；壓重法是最常用的方法，施工簡便，但單獨采用壓重法占地面積較大；塑料排水板排水固結(jié)也是常用的易于實施的方法之一，需與預壓加載相結(jié)合采用，本工程軟弱地層為夾層，周邊還有卵石、礫砂層等透水性較強的土層，尾礦壩亦可用壩體自身作為預壓；而無論用何種方法來處理壩基，都必須控制填土速率。

綜上，結(jié)合工程地質(zhì)和項目實際情況，本工程采用壓重法、排水固結(jié)與預壓加載相結(jié)合，并控制加載速率的方法來增強尾礦壩穩(wěn)定性，以滿足規(guī)范[2]要求。

2.3 工程穩(wěn)定性加固方案

本工程初期壩壩頂標高810 m，壩高30 m，壩頂寬5 m，上游坡面在標高790 m及785 m處設置壓重平臺，平臺寬度20 m；下游坡面在標高800 m及795 m處設置壓重平臺，平臺寬度20 m，在標高790 m設置排水棱體，寬度10 m，各平臺間坡度均為1∶2.5。堆積壩采用上游式筑壩工藝，最終堆積壩頂標高840 m，堆積壩高30 m，堆積壩總外坡坡比控制在1∶5。

排水固結(jié)與預壓地基采用塑料排水帶雙面排水，寬度為100 mm，厚度為5 mm，深度為20 m，三角形布置，間距為1.5 m，預壓范圍為西南側(cè)壩段，設計利用初期壩自身作為預壓，即荷載分級與堆壩施工統(tǒng)一考慮，利用初期壩壩基3 m厚堆石作為排水層，預壓時間即整個初期壩施工期，通過控制加載速率(即施工速度)達到預壓效果。土層平均固結(jié)度按照90%設計，加載時間控制在1年。

3 穩(wěn)定性分析

該工程采用簡化畢肖普總應力法對尾礦壩進行空庫(初期壩頂標高810 m)、初期(初期壩頂標高810 m)、終期(最終壩頂標高840 m)三個階段的穩(wěn)定性進行分析，每個階段分別計算正常運行、洪水運行、特殊運行三種工況的穩(wěn)定性。

3.1 模型及材料參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，將壩基地層概化為粉質(zhì)黏土夾卵石層、粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)黏性土層、全風化基巖、基巖。根據(jù)筑壩材料及上游尾礦堆壩沉積特點，參照類似工程經(jīng)驗，將庫區(qū)尾砂分成尾細砂、尾粉砂、尾粉土、尾黏土。

工程設計方案的最不利斷面如圖2所示，計算邊界條件見表2，主要計算參數(shù)見表3。

3.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果

尾礦庫各運行期的壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果見表4，各期典型工況的穩(wěn)定計算最危險滑弧位置如圖 3～5所示。

由表4可知，本工程尾礦庫在正常運行、洪水運行和特殊運行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，表明在采取各種措施后，尾礦壩能夠滿足各運行條件下的壩坡抗滑穩(wěn)定要求。

1-初期壩主堆石區(qū); 2-黏土斜墻; 3-上游排水堆石區(qū); 4-下游排水棱體; 5-庫區(qū)粉質(zhì)黏土防滲層; 6-粉質(zhì)黏土夾卵石層; 7-粉質(zhì)黏土層; 8-砂質(zhì)黏性土; 9-全風化基巖; 10-基巖圖2 初期壩壩體最不利斷面

表2 穩(wěn)定性計算邊界條件 m

表3 空庫、初期和終期各土層物理力學指標

注：空庫期采用快剪指標；初期采用快剪指標；終期采用固結(jié)快剪指標。

表4 尾礦壩穩(wěn)定性分析計算結(jié)果

注：表中穩(wěn)定性分析計算結(jié)果為最不利斷面的計算結(jié)果。

1-初期壩主堆石區(qū); 2-黏土斜墻; 3-上游排水堆石區(qū); 4-下游排水棱體; 5-庫區(qū)粉質(zhì)黏土防滲層; 6-粉質(zhì)黏土夾卵石層; 7-粉質(zhì)黏土層; 8-砂質(zhì)黏性土; 9-全風化基巖; 10-基巖圖3 空庫(下游坡)尾礦壩穩(wěn)定計算結(jié)果

1-初期壩主堆石區(qū); 2-黏土斜墻; 3-上游排水堆石區(qū); 4-下游排水棱體; 5-尾細砂; 6-尾粉砂; 7-尾粉土; 8-尾黏土; 9-庫區(qū)粉質(zhì)黏土防滲層; 10-粉質(zhì)黏土夾卵石層; 11-粉質(zhì)黏土層; 12-砂質(zhì)黏性土; 13-全風化基巖; 14-基巖圖4 初期尾礦壩穩(wěn)定計算結(jié)果(洪水運行)

1-初期壩主堆石區(qū); 2-黏土斜墻; 3-上游排水堆石區(qū); 4-下游排水棱體; 5-尾細砂; 6-尾粉砂; 7-尾粉土; 8-尾黏土; 9-庫區(qū)粉質(zhì)黏土防滲層; 10-粉質(zhì)黏土夾卵石層; 11-粉質(zhì)黏土層; 12-砂質(zhì)黏性土; 13-全風化基巖; 14-基巖圖5 終期尾礦壩穩(wěn)定計算結(jié)果(洪水運行)

4 結(jié)束語

對尾礦庫復雜地基及軟弱地基的處理方法有多種，在實際中可結(jié)合項目具體情況，在設計、施工及運行管理方面采取多種措施，解決復雜地基條件下尾礦壩的穩(wěn)定性不足問題。對于存在復雜軟土或黏性土地層的尾礦庫工程，建議在整個加荷過程中設置地基水平位移、垂向位移和孔隙水壓力等監(jiān)測設施，不斷通過實測數(shù)據(jù)驗證和修改設計及施工。運行過程中也應更為重視尾礦庫的監(jiān)測工作。