山西胡家圪哒沟尾矿库工程地质勘察与评价

张帆 丁仁伟 梁东

1 工程试验概况

胡家圪哒沟尾矿库位于山西省代县黑山庄铁矿区，交通较便利，尾矿中主要有石英、白云石、绢云母、方解石等非金脉石矿物，尾矿通过自流输送尾矿库堆存，目前初期坝最大坝高约10 m，堆积坝最大坝高约 14 m，总坝高为 24 m，已堆积库容约 30万m3。目前该尾矿库等级为五等，设计最终等级为四等。本次勘察目的为:1)查明尾矿堆积体和坝基地层分布特点。2)查明尾矿堆积体和坝基土体的物理、力学性质及其动力学参数。3)查明勘察期间浸润线的特点和场区地下水类型及埋藏条件。4)查明尾矿坝基和坝体的各种不稳定因素，提出相应的工程预防措施和方案。

2 尾矿库工程地质概况

2.1 地形地貌

胡家圪哒沟尾矿库库区地貌单元属山前黄土塬侵蚀沟谷地貌，冲沟较发育。该尾矿库位于胡家圪哒沟上部，胡家圪哒沟宽度约100 m，沟底宽约15 m，沟深20 m～30 m，长400余米。沟上和沟下均为黄土覆盖，南高北低，尾矿库坝址以上汇流面积约0.12 km2。

2.2 地层岩性

勘察深度范围内，工程场区揭露地层主要有第四系全新统黄土状亚砂土()和尾矿冲填堆积物(Qml)，由老至新分述如下:1)第四系全新统(Q4):尾矿库坝基地层主要为第四系全新统冲洪积物()，岩性主要为黄土状亚砂土。2)冲填堆积(Qml):尾矿堆积物，岩性主要有碎石(初期坝体)、尾粉细砂、尾亚砂土和尾粉质黏土等。

2.3 地质构造与地震

1)地质构造。工程场区位于华北准地台(Ⅰ)山西台背斜(Ⅰ3)的东北部，新构造分区属华北断陷—隆起区(Ⅱ)之汾渭裂陷带(Ⅱ2)东北部。但库区及附近无全新活动断裂分布。工程区受阜平龙泉关群构造、五台群构造、滹沱群构造和盖层构造四个构造层次控制。

2)地震。工程场区位于山西台背斜地震构造区，按照GB 18306-2001中国地震动参数区划图(1∶4 000 000)，工程场区地震动峰值加速度为0.20g，相当于地震基本烈度为8度。该构造区是强烈地震多发区，属地壳不稳定区。

2.4 水文地质条件

1)地下水类型。库区地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙潜水和尾矿堆积物内上层滞水。第四系孔隙潜水主要赋存于坝基黄土状亚砂土中，潜水埋深约为80 m。第四系孔隙潜水主要以地下径流排泄，库区尾矿堆积物内上层滞水主要通过尾矿库排水系统向库区下游或临沟排泄，少量回收利用。

2)岩土体的渗透性。本次勘察对堆积坝和沉积滩内尾粉细砂和坝基黄土状亚砂土取原状样进行了室内渗透试验。尾矿沉积物中的砂类土透水性较好，一般具中等透水性，有利于尾矿库水向下游排泄;坝基黄土状亚砂土透水性亦较好，一般具中等透水性。

2.5 坝体浸润线

根据本次勘察资料，钻孔中均未见水位。据增鑫铁矿有关人员的介绍，尾矿库生产运行期间，沉积滩内的尾水主要通过库面排水管和排水涵洞向左侧截洪沟排泄，目前工作正常，尾矿库坝体未曾见浸润线出露。

3 尾矿库工程地质条件及评价

3.1 地质结构

根据库区地形地貌及土岩体空间分布特征，工程区地质结构主要为砂、粘双层结构。按岩性自上而下共划分为4个土体单元:尾粉细砂(Qml);尾亚砂土(Qml);碎石和黄土状亚砂土()。

3.2 土体物理力学性质测定

本次勘察对该尾矿库内的堆积物分层取原状样和散状样进行室内物理、力学性试验，现场进行了标准贯入试验，对库区尾矿砂和坝基土体进行了动三轴试验，测定了动模量、阻尼比、动强度、液化应力比等动力学性质指标。

3.3 尾矿库主要工程地质问题

尾矿库场区存在的主要工程地质问题为饱和砂性土地震液化问题和黄土状亚砂土的湿陷性问题。首先对于饱和砂性土的地震液化问题，其工程场区地震基本烈度为8度，根据该尾矿库土体单元特点，工程正常运行后坝体及坝基土初判属可液化层，然后根据标贯试验，对场区20 m深度范围内的砂性土地震液化进行复判。其次对于黄土状土的湿陷性问题，根据有关单位勘察，该尾矿库库区地基黄土状亚砂土自重湿陷系数介于0.006～0.138之间，湿陷系数介于0.024～0.104之间。该地基土具轻微～强烈湿陷性，工程场地属于自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅲ级(严重)。

3.4 尾矿库初期坝工程地质条件及评价

该尾矿库初期坝主要由尾碎石、片石及尾粉细砂填筑，坝坡基本稳定。初期坝坝基土为黄土状亚砂土，在尾矿库生产运行时，可能引起该地基土产生湿陷破坏。黄土状土垂直裂隙发育，库区西北侧初期坝下游坝基有3 m～5 m的临空面，在尾矿排泄水和雨水的冲蚀作用下，易引发崩塌和滑坡等地质灾害。因此需要进一步加强初期坝体的反滤排水措施，防止坝体浸润线上升产生坝体渗透变形，设计应根据沉降验算，对坝基土采取必要的补强措施，同时需要对西侧坝基临空面进行加固。

3.5 尾矿库堆积坝工程地质条件及评价

该尾矿库堆积坝现有三级子坝，坝顶面一般宽4 m～7 m，坝高一般2 m～14 m，坝体由尾粉细砂经碾压而成，填筑坡角 21°～26°，小于土体的水下自然休止角，坝坡上无浸润线出露，并且坝面铺有约0.2 m～0.3 m的尾碎石进行护坡，因此坝坡基本是稳定的。另由库区工程地质剖面图可以看出，尾矿库主要由尾粉细砂组成，颗粒较粗，渗透性相对较好，但局部有尾亚黏土薄层，垂直方向上起到阻水效应，可能会使局部坝体的浸润线抬高，因此需要加强堆积坝纵向排水措施。

3.6 尾矿库沉积滩工程地质条件及评价

该尾矿库采用上游法堆筑，沉积滩尾粉细砂固结程度很低，透水性较好，有利于尾水排泄。但是本次勘察期间，由于尾矿库正进行整治，造成沉积滩滩面较零乱，该尾矿库沉积滩坡面虽整体上倾向库尾，但较平缓，且堆积坝以上干滩长度较短，上游洪水和尾水较大时，极易造成下游浸润线升高，导致堆积坝体产生渗透破坏。

4 主要结论与建议

1)该尾矿库初期坝主要由尾碎石、片石及尾粉细砂填筑，初期坝坝基稳定性较好，但应防止雨季时库址区西侧冲沟水流对坝基的冲蚀作用。因此建议设计时对初期坝进行进一步稳定验算，并采取适当排水措施降低浸润线，加强初期坝变形观测。2)现尾矿库堆积坝第①层尾粉细砂和第②层尾亚砂土存在地震液化问题。建议完善堆积坝坝面排水设施设计，尽量降低浸润线高度，保证干滩长度，防止各级子坝坝体处于饱和状态而易造成渗流破坏和地震液化危害。3)该尾矿库采用上游法堆积，沉积滩主要成分为尾粉细砂，坡面倾向库尾，但较平缓，不利于尾矿物质和水的混合物流向库尾。因此，建议严格按设计要求的坡比对沉积滩进行处理，并严格按设计安全超高和安全滩长控制尾矿的排放流量和方式，加强对沉积滩面的管理工作。

[1] 河南省水利勘测有限公司.山西省代县增鑫铁矿胡家圪哒沟尾矿库工程地质勘察报告[R].2008.

[2] GB 50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[3] 刘桂灵.湿陷性黄土湿陷机理及处理措施[J].山西建筑，2009，35(6):148-150.