某黄金尾矿库固体废弃物筑坝材料试验研究

2021-09-15王小玲梁兴荣

陕西水利 2021年8期

王小玲，梁兴荣

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 734000)

1 引言

某黄金尾矿库已建设三期，现计划进行尾矿库四期续建。前三期尾矿坝设计为碾压土石坝，四期续建计划采用矿区固体废弃物(尾矿、碎石土、块石料等)作为筑坝材料用于尾矿坝体填筑。

某黄金尾矿库区有大量的固体废弃物资源，工程具备就地取材。一方面可解决天然填筑材料运输不便等一系列问题。另一方面，利用库区固体废弃物，不仅可保证本工程用填筑料的供应及时，成本低廉，还可以就地取材，降低尾矿库堆积，减轻环境污染，提高了资源利用率，具有良好经济及社会效益。在国内已有利用固体废弃物筑坝的例子，施工工艺设备基本可以满足筑坝的需求，固体废弃物筑坝的发展，应用条件成熟。

2 试验内容

项目通过对某黄金尾矿库的库区尾矿情况进行调研，在对尾矿库尾矿筑坝现状调研；根据现场调研情况，选取4～5处块石料、碎石土、尾矿等固体废弃物进行性能测试，试验系统开展尾矿、碎石土和块石料作为填筑材料 (紧密密度、内摩擦角和渗透系数等)性能的试验。

3 试验成果与分析

3.1 块石料试验成果

3.3.1 密度

块石料的块体密度除与矿物组成、空隙率和含水状态有关。块体裂隙较少和致密的块体密度与颗粒密度接近，随着空隙率、裂隙数的增加，块体密度减小。试验结果见表1。试验结果表明块石料颗粒密度平均值为2.97，主要是由于块石料含密度大的矿物较多，颗粒密度较大；平均密度为2.68 g/cm3，块石料致密且裂隙较少。块石料空隙率为9.8%。

表1 颗粒密度试验结果

3.3.2 单轴抗压强度

单轴抗压强度是岩样在无侧限条件下受轴向压力作用破坏时单位面积上所承受的荷载，用于岩石的强度分级。试验结果见表2。

表2 单轴抗压试验结果

从表可以看出，4组岩样在干燥状态的单轴抗压强度平均值为92.9 MPa，饱和状态的单轴抗压强度平均值为57.5 MPa，平均软化系数为0.63。岩样饱和状态的单轴抗压强度值范围在30 MPa～60 MPa，按坚硬程度分为较坚硬岩。块石料饱和抗压强度>40 MPa，软化系数<0.75，不满足SL 251-2015对反对堆石料质量技术指标的要求。

3.2 碎石土试验成果

3.2.1 颗粒组成

碎石土的颗粒集配是重要物理性质，是决定工程性质的基本因素。从实验结果(图1)平均值可以看出≥20 mm颗粒含量小于10%，≤0.075 mm颗粒含量<12%。

图1 碎石土平均粒径曲线

3.2.2 密度、渗透系数

碎石土最大干密度和最小干密度试验是计算尾矿坝填筑料压实程度的重要参数。试验测得最大干密度平均值为1.91 g/cm3，最小干密度平均值为1.50 g/cm3。

土石坝结构破坏的常见形式是渗透变形，SL 251-2015对填筑料渗透系数有明确的指标要求。试验测得碎石土的平均渗透系数为4.15×10-3cm/s，渗透系数结果不满足规程要求(≤1×10-4cm/s)。

3.2.3 三轴压缩

三轴压缩试验为测定碎石土的总抗剪参数和有效抗剪强度参数，提供计算尾矿坝地基强度和稳定使用的碎石土的强度指标内摩擦角Φ和内粘聚力C。试验根据工程要求采用固结不排水和固结排水两种类型试验。

三组试验试验结果见图2～图3。固结不排水状态内摩擦角的平均值为28.3°，粘聚力的平均值为0.095 MPa；固结排水状态内摩擦角的平均值为34.9°，粘聚力的平均值为0.155 MPa。不排水状态较排水状态内摩擦角和粘聚力小，内摩擦角跟粘聚力成正比。

(a) SST-001

(b) SST-002

(a) SST-001

(b) SST-002

3.3 尾矿试验成果

3.3.1 比重、颗分、界线含水率

尾矿的比重，是计算孔隙比、饱和度以及为其他物理力学试验提供必要的数据。从结果可以看出，5组尾矿试验比重结果在2.71～2.73，平均值为2.72。尾矿的比重是尾矿中各种矿物的比重的平均值，大小与组成矿物种类及含量有关。尾矿颗粒分析试验的目的为了解尾矿的粒度大小组成，并作为尾矿分类及土工建筑物选料的依据。从试验结果(表3)可以看出5组尾矿液限均大于30%，塑限介于16.9%～18.0%之间，塑性指数在10～17范围内。根据《尾矿设施设计规范》附录A尾矿定名表，结合颗分试验结果，尾矿定名为尾粉质黏土。试验结果见表3。

表3 比重、颗分、液塑限试验成果

3.3.2 易溶盐、有机质

坝体填筑料中易溶盐、有机质含量会影响填筑料的各项物理力学特征，其含量决定了工程类别和工程性质。尾矿中易溶性盐、有机质含量较少，其含量满足SL 251-2015 对一般土填筑料质量技术指标的要求。其含量检测结果见表4。

表4 易溶盐、有机质含量试验成果

3.3.3 最大干密度

控制尾矿坝填筑工程质量的主要技术指标参数是压实度，压实度准确的一个重要前提就是最大干密度的准确。尾矿的击实试验是模拟施工压实条件，用击实试验测定试样在规程规定的击实次数下的含水量与干密度之间的关系，从而确定尾矿的最优含水量和最大干密度。试验结果见图4。

(a) WK-001

(b) WK-002

(d) WK-004

(e) WK-005

从试验结果可以看出，5组试验结果最大干密度在1.79 g/cm3～1.82 g/cm3之间，平均值为1.81 g/cm3；最优含水率在15.9%～16.9%，平均值为16.5%。

3.3.4 渗透系数

渗透性质是填筑料的重要的工程性质，决定填筑料的强度性质和变形、固结性质，渗透问题是填筑料力学的三个重要问题之一，与强度问题、变形问题合成填筑料力学的主要三大问题。渗透试验主要是测定压实尾矿的渗透系数，渗透系数的定义是单位水力坡降的渗透流速。试验结果见表5。

表5 击实尾矿渗透系数

从试验结果可以看出，不同压实度下填筑料渗透系数均小于1×10-7cm/s，渗透试验结果满足SL 251-2015对一般土填筑料质量技术指标的要求。在击实尾矿体中水平向渗透系数比垂直向渗透系数大，对于尾矿库工程，尤其考虑水平向渗透系数。

3.3.5 直接剪切

坝体填筑料的破坏都是剪切破坏，填筑料的抗剪强度是填筑料在外力作用下抵抗剪切的极限强度。无粘性填筑料的抗剪强度与法向应力成正比；粘性填筑料的抗剪强度除和法向应力有关外，还决定于填筑料的粘聚力。填筑料的摩擦角Φ、粘聚力C是土压力、地基承载力和填筑料的边坡稳定等强度计算必不可少的指标。从试验结果(表6)可以看出随着压实度提高内摩擦角和粘聚力提高，尾矿库坝体的填筑压实程度越高，坝体越稳定。