尾礦庫(kù)壩體變形規(guī)律初探

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摘要：受尾礦物理力學(xué)性質(zhì)以及上游式尾礦堆積壩所處地理位置、特殊的水文地質(zhì)環(huán)境的控制，上游式尾礦堆積壩的變形（包括沉降與水平位移）是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，但從沉降觀測(cè)的角度上看，還是有其規(guī)律性的，文章利用柿竹園煙沖溝尾礦庫(kù)的工程地質(zhì)勘察資料以及變形觀測(cè)資料對(duì)上游式上游式尾礦堆積壩的變形規(guī)律進(jìn)行了分析，以期對(duì)該類壩型的管理工作以及安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)增添便利。

　　關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)；壩體變形規(guī)律；水平變形；時(shí)間演化特征；穩(wěn)定性

　　上游式尾礦堆積壩的變形觀測(cè)作為壩體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要手段，通過(guò)對(duì)壩體在垂直與水平兩個(gè)方向的變形觀測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩體異動(dòng)，及早采取措施，保證上游式尾礦堆積壩的安全。但上游式尾礦堆積壩的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)往往比較凌亂，只憑單個(gè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)很難作出準(zhǔn)確的判斷，尤其是在安全評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)上游式尾礦堆積壩作穩(wěn)定性分析的時(shí)候，面對(duì)大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，或者是不連續(xù)的，或者是規(guī)律性不強(qiáng)的，怎么去判斷壩體是否趨于穩(wěn)定，就必須對(duì)上游式尾礦堆積壩沉降變形的一般規(guī)律有所了解，下面以柿竹園礦煙沖溝尾礦庫(kù)為例對(duì)上游尾礦庫(kù)壩體變形規(guī)律進(jìn)行探討。

　　一、尾礦庫(kù)簡(jiǎn)介

　　煙沖溝尾礦庫(kù)位于南嶺山脈中段北緣的低山區(qū)域，地勢(shì)為南高北低，兩岸多為陡峭的巖壁，部分為坡地，坡地植被發(fā)育。

　　該庫(kù)初期壩為粘土斜墻堆石壩，壩高24m，后期采用尾礦上游法堆壩，堆積邊坡1:4，設(shè)計(jì)尾礦最終堆積標(biāo)高為600m，相應(yīng)最大壩高102m?？値?kù)容750萬(wàn)立方米。該庫(kù)目前已堆筑至583米標(biāo)高，總壩高85米，共堆積尾礦約430萬(wàn)立方米。

　?。ㄒ唬?kù)區(qū)地層條件

　　根據(jù)野外鉆探所揭露的地層為第四系坡積+洪積（Qdl+pl）層和泥盆系上統(tǒng)錫礦山組（Dx2+3）中段石灰?guī)r。

　　庫(kù)區(qū)內(nèi)地下水分為上部水和喀斯特裂隙水兩種類型。

　?。ǘ┪驳V堆積體

　　庫(kù)內(nèi)尾礦可分為松散尾粉砂、稍密尾粉砂、稍密尾亞砂，軟塑～流塑狀態(tài)尾輕亞粘、軟塑～流塑狀態(tài)尾重亞粘等5層。

　　二、變形觀測(cè)成果

　　從1990年開(kāi)始，煙沖溝尾礦庫(kù)大壩上陸續(xù)設(shè)置了12個(gè)壩體變形觀測(cè)點(diǎn)，共分為三排，連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，其記錄為22期，后在2004年又重新設(shè)置了四排17個(gè)觀測(cè)孔，具體為：A排與B排設(shè)置于初期堆石位置，其標(biāo)高為539.00m左右，C排利用1990年設(shè)置的五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其標(biāo)高為555.00m，D排設(shè)置于569.00m標(biāo)高位置，到2007年5月止，共進(jìn)行了8期變形觀測(cè)，其間隔周期從半個(gè)月到6個(gè)月不等。

　　三、上游式尾礦堆積壩變形規(guī)律

　　上游式尾礦堆積壩為人工邊坡，受地形、堆積時(shí)間、放礦方式、滲流壓力、尾礦自重等影響，其變形較為復(fù)雜，為了方便，一般將其分為垂直沉降與水平位移兩大類，其變形存在以下規(guī)律：

　　（一）空間分布特征

　　水平位移。水平位移變形規(guī)律為：

　　（1）垂直壩軸方向上，從下至上，水平位移量與變形速率逐漸加大；

　?。?）在平行壩軸方向上，壩中間觀測(cè)點(diǎn)水平位移與變形速率比兩側(cè)觀測(cè)點(diǎn)大；

　?。?）D排點(diǎn)受壩頂放礦控制，局部出現(xiàn)水平位移負(fù)值。

　　說(shuō)明尾礦壩受坡面效應(yīng)的影響，產(chǎn)生水平力，導(dǎo)致了尾礦壩逐漸向下游方向變形；同時(shí)，在上部荷載改變時(shí)，尾礦壩體現(xiàn)出其適應(yīng)應(yīng)力變化的特性，在局部產(chǎn)生扭曲變形，也說(shuō)明了此時(shí)期該處的垂直沉降占據(jù)主要地位，水平位移只是垂直沉降的附加效應(yīng)。

　?。ǘr(shí)間演化特征

　　1．沉降變形。

　?。?）沉降大小與尾礦沉積的時(shí)間有很大的關(guān)系，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，其沉降值越小，速度越慢，反之，其沉降值越大，速度也越大，如C排與D排，其尾礦堆積厚度相差不大，但在沉降量上D排比C排大一倍多；

　　（2）在同一觀測(cè)點(diǎn)上，隨時(shí)間的推移，其沉降速率逐漸降低。

　　隨時(shí)間的推移與壩體逐漸加高，壩體沉降中心逐漸隨壩軸向上游推移，下游壩體則由于其上部荷載趨于穩(wěn)定，因而垂直沉降速率逐年減小。

　　2．水平位移。尾礦壩的水平位移隨時(shí)間的推移逐步加大，其變形速率為0.2～0.6mm/月，受雨季降水的影響：在雨季中后期由于地下水滲流壓力加大，各點(diǎn)的水平位移速率有加大趨勢(shì)，而在雨季過(guò)后，尾礦庫(kù)壩體內(nèi)浸潤(rùn)線下降，滲流壓力減小，各點(diǎn)的水平位移速率回落，說(shuō)明壩體水平位移主要受邊坡不均勻應(yīng)力的影響，而地下水的滲流壓力的變化則會(huì)引起變形速率的振蕩。

　?。ㄈ┨厥馇闆r下的變形

　　由于該尾礦庫(kù)位于喀斯特地區(qū)，壩體在570.00m標(biāo)高曾多次發(fā)生壩體塌陷，在塌陷區(qū)將產(chǎn)生環(huán)形的變形區(qū)域，導(dǎo)致其附近的觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生較大的垂直沉降與水平位移，甚至水平方向上還發(fā)生了較大的向上游偏移的變形。

　　壩體排滲設(shè)施的正常與不正常導(dǎo)致的浸潤(rùn)線上下變化，同樣也會(huì)加大壩體的沉降，如1998年前后540標(biāo)高處的大口排滲井正常工作后，此處的浸潤(rùn)線得以下降，也就在此時(shí)，B排點(diǎn)處的沉降變形速率與水平位移速率突然加大，但此后又逐漸恢復(fù)了原有速度。

　　四、變形機(jī)理分析

　　尾砂堆積物屬欠固結(jié)土層，在自重應(yīng)力下仍要固結(jié)壓密，而使地面緩慢下沉。其主要特性為壓縮性與固結(jié)性以及其他特性。

　　（一）壓縮性

　　尾礦是三相體，在荷載作用下的壓縮包括尾礦顆粒的壓縮、孔隙中水的壓縮和孔隙的減小。在一般情況下，尾礦顆粒和水本身的壓縮是可以忽略不計(jì)的，因此，尾礦沉積層的壓縮變形主要是由于水和空氣從孔隙中排出引起的。

　　尾礦砂與尾礦泥之間的物理力學(xué)性質(zhì)差異是影響壓縮指數(shù)的最基本因素；另一重要因素是尾礦砂和尾礦泥在沉積層中的密度或孔隙比，初始狀態(tài)越疏松或越軟弱，在荷載作用下壓縮越大。由于尾礦處于松散沉積狀態(tài)，具高棱角性和獨(dú)特的級(jí)配特性，它們的壓縮性都比類似的天然土大。尾輕亞粘與尾重亞粘中因粘粒含量較高，孔隙的連通性較差，透水性小，壓縮性強(qiáng)，是尾礦壩沉降的最主要地層。

　?。ǘ┕探Y(jié)

　　固結(jié)既引起壩體和基礎(chǔ)沉降，又控制壩體和基礎(chǔ)穩(wěn)定性，是尾礦庫(kù)工程中最重要工程性質(zhì)之一。

　　按照太沙基理論，材料固結(jié)的時(shí)率可分作主固結(jié)和次固結(jié)階段。

　　主固結(jié)控制常荷載下孔隙壓力消散的速度，尾礦砂主固結(jié)發(fā)生很迅速，尾礦泥的固結(jié)系數(shù)處于與天然土相同的量級(jí)。

　　大多數(shù)類型尾礦，在常荷載下，甚至在主固結(jié)引起的孔隙壓力消散基本完成之后，次壓縮常產(chǎn)生連續(xù)變形，是由于荷載作用下連續(xù)的顆粒重新排列和顆粒間滑動(dòng)造成的。

　　（三）其他

　　由于尾礦庫(kù)區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件發(fā)生突變，或由于不良工程地質(zhì)條件的影響等，都有可能使尾礦堆積壩產(chǎn)生異常的沉降與水平位移；就煙沖溝尾礦庫(kù)而言，影響最大的不良工程地質(zhì)條件就是巖溶造成的壩體塌陷導(dǎo)致異常變形。

　　另外可能導(dǎo)致異常變形的還有壩體排滲設(shè)施失效所導(dǎo)致的壩體浸潤(rùn)線升高，地表水流的沖蝕，人為破壞，地震、洪水等自然災(zāi)害的影響。

　　五、變形與穩(wěn)定性關(guān)系

　　1．尾礦的沉降與固結(jié)將使尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，對(duì)增強(qiáng)上游式尾礦堆積壩的穩(wěn)定性非常有利。

　　2．在空間上，壩體下游比上游沉降小，壩體兩側(cè)比壩中間部分沉降量小，再者受尾礦堆積層的物理力學(xué)性質(zhì)控制，軟弱層厚度大的地點(diǎn)其絕對(duì)變形值與變形速度都會(huì)較大，這些變形規(guī)律是我們研究上游式尾礦堆積壩穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

　　3．隨著時(shí)間的推移，上游式尾礦堆積壩的變形將逐步變緩，尾礦庫(kù)停用后，其變形也將逐步趨于穩(wěn)定，在此過(guò)程中，發(fā)生的任何異常變形都可能是尾礦壩失穩(wěn)或出現(xiàn)其他事故的預(yù)兆，應(yīng)引起足夠的重視。

　　六、結(jié)語(yǔ)

　　上游式尾礦堆積壩的變形遵循一定的規(guī)律，其與尾礦堆積規(guī)律、堆積時(shí)間以及尾礦庫(kù)所在地的水文工程地質(zhì)條件等有密切的聯(lián)系。

　　要想在工作中搞清楚上游式尾礦堆積壩變形，為尾礦庫(kù)的管理與安全評(píng)價(jià)等提供準(zhǔn)確的信息，就必須查明尾礦庫(kù)區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，查明尾礦的沉積規(guī)律及沉積時(shí)間，這就要求在尾礦庫(kù)的日常管理中必須建立尾礦庫(kù)的動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，建立一個(gè)比較固定的評(píng)價(jià)模式，從而使分析工作簡(jiǎn)單化、快速化。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]金鐘集，等．現(xiàn)代尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)與管理維護(hù)技術(shù)及尾礦資源綜合利用實(shí)用手冊(cè)[M]．北京：北京礦業(yè)大學(xué)出版社，2005．

　　作者簡(jiǎn)介：郭朝陽(yáng)（1971－），男，廣東韶關(guān)人，湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院水工環(huán)地質(zhì)工程師，注冊(cè)土木（巖土）工程師，注冊(cè)安全工程師，一級(jí)建造師，研究方向：尾礦庫(kù)、水文工程地質(zhì)。