新疆伊宁县某尾矿库续建场地工程地质评价分析

余昌辉，赵 旭，郑 翔

（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七O一队，新疆昌吉 831100）

1 工程概况

1.1 地形地貌

本工程处于一个近南北向延伸展布的河间地块式山岭地带，为剥蚀中山地貌。地势北高南低，海拔标高1435~1635m，相对高差约200m，邻近河谷地段，冲沟发育，切割强烈，形成棱状山岭，坡度30°~35°之间，河谷呈“V”字形。

1.2 气象和水文

工程区属温带大陆性半干旱气候，日照时间长，昼夜温差大。年均降水量400~600mm，4~7 月属丰水期，占全年降水量的45.74%，8~9月属枯水期，仅占全年降水量的11.04%；无霜期185d，平均稳定积雪期为84d，最大雪深890mm。

工程区位于山岭地带，常年有水，正常流量为1~2m/s，枯水期最小流量约为0.005m/s，矿区生产、生活用水取自该河水补给的河谷潜水。

1.3 地层

经现场工程地质测绘及地质钻探、探井揭露，尾矿坝南部(包括排水棱体及排水管)地层主要为第四系全新统人工填土（Q4ml）；第四系全新统坡洪积（Q4dl+pl）粉土、砾砂、角砾、碎石；下石炭统阿恰勒河组(C1a1)凝灰质砂岩、角砾岩。

1.4 地质构造

工程区的古火山构造为中心式破火山口，在地面磁测图上呈一典型的椭圆形环状磁异常带，环带南北长2.6km，东西宽2.4km，面积6.24km2。尾矿库正处于该环构造的西部边缘，地层呈单斜产状，其走向近于EW，倾向近于N，局部倾向NW或NE，倾角20°左右，局部30°~35°，褶皱不发育。

1.5 水文地质特征

工程区位于近南北向展布的山间沟谷，整体地势南高北低。地表水来源主要为大气降水和尾矿库溢流水，沿防渗排水渠由南向北径流至下游环保库，水化学类型为SO4-Ca·Na 型水，矿化度0.87g/L。地下水可分为覆盖层中松散孔隙水及基岩裂隙水，地下水主要受大气降水和尾矿库水入渗补给，沿沟谷由北向南径流，最终汇流至下游的克希河，水化学类型为SO4-Na 或SO4-Ca·Na型水，矿化度0.55~1.89g/L。

2 场地岩土物理力学指标

2.1 覆盖层

针对场地覆盖层，岩土测试工作主要为标准贯入试验和重型圆锥动力触探试验，对于粉土采取原状试样进行土的物理力学性质试验，对于砂土、碎石土采取扰动样，经过试验结果综合判定：场地内粉土：承载力特征值fak=100kPa，压缩模量E0=8.18MPa；砾砂：承载力特征值fak=160kPa，变形模量E0=16MPa；角砾：承载力特征值fak=250kPa，变形模量E0=25MPa；碎石：承载力特征值fak=400kPa，变形模量E0=28MPa。

2.2 基岩

按国标《建筑地基基础设计规范》规定，综合考虑场地特征及继续风化和基础施工等各方面因素对地基承载力的影响，建议承载力特征值取值如下：强风化凝灰质砂岩：承载力特征值fak=800kPa，φ=40°，抗剪强度C=120kPa；中风化凝灰质砂岩：承载力特征值fak=1800kPa，φ=45.4°，抗剪强度C=950kPa；强风化角砾岩：承载力特征值fak=500kPa，φ=35.5°，抗剪强度C=100kPa；中风化角砾岩：承载力特征值fak=1200kPa，φ=41.8°，抗剪强度C=820kPa。

3 场地工程地质评价

3.1 地基土承载力及岩土工程参数评价

本次勘察场地地层主要有：①层人工填土、②层粉土、③层砾砂、④层角砾、⑤层碎石、⑥-1强风化凝灰质砂岩、⑥-2中风化凝灰质砂岩、⑦-1强风化角砾岩、⑦-2中风化角砾岩。各岩土的主要物理力学指标建议值如表1所示。

表1 岩土的物理力学指标建议值

3.2 湿陷性评价

工程区属于黄土地区，场地地层顶部主要由粉土组成。由黄土湿陷性评价计算可知自重湿陷量的0~3m 范围内总的自重湿陷量17mm，计算值小于70mm，总的湿陷量498mm，计算值大于300mm，所以该场地湿陷性粉土为Ⅱ级（中等）非自重湿陷性场地。该层未经处理，不宜作为基础持力层。

3.3 场地稳定性和适宜性评价

场地地处山间沟谷地貌，整体南高北低，沟谷纵向坡降一般为8%~10%。两侧山体坡面覆盖层主要为坡积粉土、砾砂和角砾，平均厚度约3.14m，下伏地层为基岩，岩性以凝灰质砂岩、角砾岩为主，局部地段基岩出露。沟谷内地层主要为洪积粉土、砾砂和角砾，覆盖层厚度15m 范围内未全部揭穿。场地地层整体较稳定，场地沟谷冲刷切割作用较大，但发育规模不大，通过地质调查现有自然地质条件下是稳定的。

3.4 尾矿坝区稳定性评价

（1）坝基稳定性分析。工程区坝基持力层主要为砾砂层、角砾层及碎石层，在垂直坝轴线方向上，坝轴线以北，坝体下角砾、碎石层厚度变化在4.0~24.0m间，基岩顶板坡度约30°。坝轴线以南，坝体下砾砂、角砾层厚度变化小，在15.0~20.0m 间，基岩顶板坡度0°~15°，局部地段由于沟谷走向的变化，呈负向。因此基岩顶面对坝基稳定性影响的不利因素减小。而碎石、角砾层具有较高的抗压、抗剪强度，其中的软弱夹层纵向坡度小，不能单独构成坝基滑移的边界条件，因而移动后坝基的稳定性较好。

（2）坝肩稳定性分析。两坝肩均为岩质边坡，根据工程地质测绘结果，现分析如下：

左坝肩：层理和节理、断层之间组合不利于边坡的稳定性。其组合交线的倾角分别为：8°、10°、2°。

右坝肩：层理与节理的组合不利于边坡的稳定性，其组合交线的倾角分别为8°、10°、6°。

综合分析认为：两坝肩岩层产状平缓、岩层层面粗糙，无软弱夹层，层间连接作用较强。虽部分节理、断层与岩层层面的组合不利于边坡的稳定，但其组合交线的倾角均小于10°，这种不利组合，再加上风化作用使层间连接作用减弱时，在局部陡坡地段会发生小的崩塌，但两坝肩岩体的整体稳定性良好，不会发生大的滑塌。

4 尾矿坝体稳定性分析

（1）尾矿坝现状变形定性分析。目前已运行的尾矿坝坝基及坝体均未发现有裂缝、凸起、外鼓、内陷等现象，坝基未发现流砂、管涌、地震液化等不利于堆积坝稳定现象，说明现状条件基本稳定；坝体外侧、坡面无渗水，说明初期坝排渗系统运行正常。坝坡未发现渗流、紊流、喷砂、冒水等不利于坝坡稳定的因素存在，坡面较顺直，无高低起伏，凸起、外鼓、内凹等不利于堆积坝稳定的不良堆积方式残留。未见坡面有大面积降水冲蚀形成的沟，仅见大气降水面流痕迹。坡面现已生长草本植物。坝肩两侧为强风化—中等风化凝灰质砂岩、角砾岩，为平缓层状斜坡，坝肩未发现裂缝、滑移等变形。

（2）尾矿坝现状变形定量评价。该尾矿坝自2016年以来，建设单位布置变形监测点进行了长期变形监测，根据建设单位提供的监测数据，已运行尾矿坝在长期运行过程中，沉降量0.000~0.119m，最大沉降量为0.119m。尾矿坝变形、沉降受大气降水、生产周期的控制和影响，呈雨季同步、加载速率同步特点。综合以上数据，该初期坝在长期运行过程中，沉降量0.000~0.119m，单月最大沉降量为0.080m，满足《尾矿库安全技术规程》要求。

（3）最终坝高时的坝体稳定性分析。该尾矿库的工程地质条件：尾矿库类别（三类构筑物）、工程重要性（重要工程）、场地复杂程度（二级）、场地岩土介质复杂程度（二级）。结合建设单位生产规模（33×104t/a）的实际情况，分别按尾矿坝现状坝高和最终设计坝高工况进行分析，对坝体的渗透稳定性采用有限元法，对坝坡的稳定性采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法。

①计算参数选取：根据对尾矿坝边坡影响因素的分析，洪水、地震及人类工程活动是诱发坝体失稳发生的因素。因此，本次对尾矿坝稳定性计算考虑坝体自重、自重+洪水以及自重+洪水+地震三种工况，具体为：

正常运行：自重工况，仅考虑坝体自重，无地下水作用。岩土体参数全部取天然状态或干燥状态时的参数。

洪水运行：自重+洪水工况，考虑坝体处于全饱水状态。岩土体参数全部取饱和状态时的参数。

特殊运行：自重+洪水+地震工况，考虑坝体受地震外荷载影响，地震设防烈度为Ⅷ度。其他岩土体参数的选取原则与工况Ⅱ完全相同。

本次在库区及坝体主要收集了原报告中岩土体物理力学试验数据，同时结合尾矿坝南部开展钻孔、探井和现场调查结果，对场地内不同岩土体进行了一定数量的岩土体物理力学试验研究工作。在综合对比各阶段试验成果的基础上，同时类比相关重力型碾压土石坝岩土体强度经验值，经分析后得各岩土体物理力学指标。尾矿坝现状坝高剖面图见图1，尾矿坝设计坝高剖面图见图2。

图1 尾矿坝现状坝高剖面示意图

图2 尾矿坝设计坝高剖面示意图

②坝体渗透稳定性分析：本次渗流计算采用有限元方法，有限元方法是依据非饱和土理论——达西定律，采用有限元方法分析稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝或土体的渗流分析。分析结果见表2。

表2 尾矿坝渗透分析成果表

分析结果显示，在现状坝高和最终设计坝高时坝体渗透坡降值均大于允许渗透坡降值，但根据坝体现状调查，坡面无渗水，未发现渗流、紊流、喷砂、冒水等不利于坝体稳定现象，因此初步判断坝体渗透基本稳定，但应加强后期库内水位观测、坝体渗流观测及坝坡变形观测。现状坝高和最终设计坝高时坝体最大渗透量分别为3.1×10-3m3/s和4.6×10-3m3/s。

③坝坡稳定性分析：本次坝坡稳定性分析分别按尾矿坝现状坝高和最终设计坝高进行计算，对坝坡稳定性计算采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法。计算过程采用GEO-STUDIO 软件对坝体进行数值模拟，计算三种工况条件下坝体稳定性，计算结果见表3。

表3 坝坡稳定性评价

5 结论

根据《尾矿堆积坝岩土工程勘察技术规范》（GB50547-2010）中表6.0.11-1、表6.0.11-2，关于坝坡抗滑稳定最小安全系数的说明，瑞典圆弧法正常运行期Kmin=1.20，洪水运行Kmin=1.10，特殊运行期Kmin=1.05，简化毕肖普法正常运行期Kmin=1.30，洪水运行Kmin=1.20，特殊运行期Kmin=1.15。上述计算结果当中仅现状坝高正常运行时坝坡稳定性状态为稳定，其余状态均为不稳定。