王小玲，梁興榮

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 734000)

1 引言

某黃金尾礦庫(kù)已建設(shè)三期，現(xiàn)計(jì)劃進(jìn)行尾礦庫(kù)四期續(xù)建。前三期尾礦壩設(shè)計(jì)為碾壓土石壩，四期續(xù)建計(jì)劃采用礦區(qū)固體廢棄物(尾礦、碎石土、塊石料等)作為筑壩材料用于尾礦壩體填筑。

某黃金尾礦庫(kù)區(qū)有大量的固體廢棄物資源，工程具備就地取材。一方面可解決天然填筑材料運(yùn)輸不便等一系列問(wèn)題。另一方面，利用庫(kù)區(qū)固體廢棄物，不僅可保證本工程用填筑料的供應(yīng)及時(shí)，成本低廉，還可以就地取材，降低尾礦庫(kù)堆積，減輕環(huán)境污染，提高了資源利用率，具有良好經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。在國(guó)內(nèi)已有利用固體廢棄物筑壩的例子，施工工藝設(shè)備基本可以滿足筑壩的需求，固體廢棄物筑壩的發(fā)展，應(yīng)用條件成熟。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

項(xiàng)目通過(guò)對(duì)某黃金尾礦庫(kù)的庫(kù)區(qū)尾礦情況進(jìn)行調(diào)研，在對(duì)尾礦庫(kù)尾礦筑壩現(xiàn)狀調(diào)研；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，選取4～5處塊石料、碎石土、尾礦等固體廢棄物進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展尾礦、碎石土和塊石料作為填筑材料 (緊密密度、內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)等)性能的試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果與分析

3.1 塊石料試驗(yàn)成果

3.3.1 密度

塊石料的塊體密度除與礦物組成、空隙率和含水狀態(tài)有關(guān)。塊體裂隙較少和致密的塊體密度與顆粒密度接近，隨著空隙率、裂隙數(shù)的增加，塊體密度減小。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明塊石料顆粒密度平均值為2.97，主要是由于塊石料含密度大的礦物較多，顆粒密度較大；平均密度為2.68 g/cm3，塊石料致密且裂隙較少。塊石料空隙率為9.8%。

表1 顆粒密度試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度是巖樣在無(wú)側(cè)限條件下受軸向壓力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的荷載，用于巖石的強(qiáng)度分級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

從表可以看出，4組巖樣在干燥狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為92.9 MPa，飽和狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為57.5 MPa，平均軟化系數(shù)為0.63。巖樣飽和狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度值范圍在30 MPa～60 MPa，按堅(jiān)硬程度分為較堅(jiān)硬巖。塊石料飽和抗壓強(qiáng)度>40 MPa，軟化系數(shù)<0.75，不滿足SL 251-2015對(duì)反對(duì)堆石料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求。

3.2 碎石土試驗(yàn)成果

3.2.1 顆粒組成

碎石土的顆粒集配是重要物理性質(zhì)，是決定工程性質(zhì)的基本因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1)平均值可以看出≥20 mm顆粒含量小于10%，≤0.075 mm顆粒含量<12%。

圖1 碎石土平均粒徑曲線

3.2.2 密度、滲透系數(shù)

碎石土最大干密度和最小干密度試驗(yàn)是計(jì)算尾礦壩填筑料壓實(shí)程度的重要參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得最大干密度平均值為1.91 g/cm3，最小干密度平均值為1.50 g/cm3。

土石壩結(jié)構(gòu)破壞的常見(jiàn)形式是滲透變形，SL 251-2015對(duì)填筑料滲透系數(shù)有明確的指標(biāo)要求。試驗(yàn)測(cè)得碎石土的平均滲透系數(shù)為4.15×10-3cm/s，滲透系數(shù)結(jié)果不滿足規(guī)程要求(≤1×10-4cm/s)。

3.2.3 三軸壓縮

三軸壓縮試驗(yàn)為測(cè)定碎石土的總抗剪參數(shù)和有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)，提供計(jì)算尾礦壩地基強(qiáng)度和穩(wěn)定使用的碎石土的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ和內(nèi)粘聚力C。試驗(yàn)根據(jù)工程要求采用固結(jié)不排水和固結(jié)排水兩種類(lèi)型試驗(yàn)。

三組試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖3。固結(jié)不排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角的平均值為28.3°，粘聚力的平均值為0.095 MPa；固結(jié)排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角的平均值為34.9°，粘聚力的平均值為0.155 MPa。不排水狀態(tài)較排水狀態(tài)內(nèi)摩擦角和粘聚力小，內(nèi)摩擦角跟粘聚力成正比。

(a) SST-001

(b) SST-002

(c) SST-003

(a) SST-001

(b) SST-002

(c) SST-003

3.3 尾礦試驗(yàn)成果

3.3.1 比重、顆分、界線含水率

尾礦的比重，是計(jì)算孔隙比、飽和度以及為其他物理力學(xué)試驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，5組尾礦試驗(yàn)比重結(jié)果在2.71～2.73，平均值為2.72。尾礦的比重是尾礦中各種礦物的比重的平均值，大小與組成礦物種類(lèi)及含量有關(guān)。尾礦顆粒分析試驗(yàn)的目的為了解尾礦的粒度大小組成，并作為尾礦分類(lèi)及土工建筑物選料的依據(jù)。從試驗(yàn)結(jié)果(表3)可以看出5組尾礦液限均大于30%，塑限介于16.9%～18.0%之間，塑性指數(shù)在10～17范圍內(nèi)。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A尾礦定名表，結(jié)合顆分試驗(yàn)結(jié)果，尾礦定名為尾粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 比重、顆分、液塑限試驗(yàn)成果

3.3.2 易溶鹽、有機(jī)質(zhì)

壩體填筑料中易溶鹽、有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響填筑料的各項(xiàng)物理力學(xué)特征，其含量決定了工程類(lèi)別和工程性質(zhì)。尾礦中易溶性鹽、有機(jī)質(zhì)含量較少，其含量滿足SL 251-2015 對(duì)一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求。其含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 易溶鹽、有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)成果

3.3.3 最大干密度

控制尾礦壩填筑工程質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)是壓實(shí)度，壓實(shí)度準(zhǔn)確的一個(gè)重要前提就是最大干密度的準(zhǔn)確。尾礦的擊實(shí)試驗(yàn)是模擬施工壓實(shí)條件，用擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定試樣在規(guī)程規(guī)定的擊實(shí)次數(shù)下的含水量與干密度之間的關(guān)系，從而確定尾礦的最優(yōu)含水量和最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a) WK-001

(b) WK-002

(d) WK-004

(e) WK-005

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，5組試驗(yàn)結(jié)果最大干密度在1.79 g/cm3～1.82 g/cm3之間，平均值為1.81 g/cm3；最優(yōu)含水率在15.9%～16.9%，平均值為16.5%。

3.3.4 滲透系數(shù)

滲透性質(zhì)是填筑料的重要的工程性質(zhì)，決定填筑料的強(qiáng)度性質(zhì)和變形、固結(jié)性質(zhì)，滲透問(wèn)題是填筑料力學(xué)的三個(gè)重要問(wèn)題之一，與強(qiáng)度問(wèn)題、變形問(wèn)題合成填筑料力學(xué)的主要三大問(wèn)題。滲透試驗(yàn)主要是測(cè)定壓實(shí)尾礦的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)的定義是單位水力坡降的滲透流速。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 擊實(shí)尾礦滲透系數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同壓實(shí)度下填筑料滲透系數(shù)均小于1×10-7cm/s，滲透試驗(yàn)結(jié)果滿足SL 251-2015對(duì)一般土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求。在擊實(shí)尾礦體中水平向滲透系數(shù)比垂直向滲透系數(shù)大，對(duì)于尾礦庫(kù)工程，尤其考慮水平向滲透系數(shù)。

3.3.5 直接剪切

壩體填筑料的破壞都是剪切破壞，填筑料的抗剪強(qiáng)度是填筑料在外力作用下抵抗剪切的極限強(qiáng)度。無(wú)粘性填筑料的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力成正比；粘性填筑料的抗剪強(qiáng)度除和法向應(yīng)力有關(guān)外，還決定于填筑料的粘聚力。填筑料的摩擦角Φ、粘聚力C是土壓力、地基承載力和填筑料的邊坡穩(wěn)定等強(qiáng)度計(jì)算必不可少的指標(biāo)。從試驗(yàn)結(jié)果(表6)可以看出隨著壓實(shí)度提高內(nèi)摩擦角和粘聚力提高，尾礦庫(kù)壩體的填筑壓實(shí)程度越高，壩體越穩(wěn)定。

表6 不同壓實(shí)度剪切試驗(yàn)成果

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某黃金尾礦庫(kù)四期尾礦庫(kù)續(xù)建填筑料進(jìn)行系統(tǒng)的顆分、直接剪切、三軸壓縮等試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)塊石料軟化系數(shù)<0.75，不滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中堆石料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求，塊石料不能用于堆石料。

(2)碎石土滲透系數(shù)>1×10-4cm/s，碎石土滲透系數(shù)不滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2015)中碎石土、風(fēng)化土填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的要求，碎石土不可直接用于尾礦壩的填筑。

(3)尾礦<0.075 mm含量大于50%，液塑限在10～17范圍內(nèi)，尾礦按照《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A定名為尾粉質(zhì)黏土。

(4)尾礦中黏粒含量、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)(擊實(shí)后)、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》中對(duì)一般土填筑料質(zhì)量指標(biāo)的要求。尾礦中自然含水率較擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水量大，在尾礦壩施工填筑時(shí)需進(jìn)行晾曬等工藝處理。