新疆伊寧縣某尾礦庫(kù)續(xù)建場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)分析

余昌輝，趙 旭，鄭 翔

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局七O一隊(duì)，新疆昌吉 831100）

1 工程概況

1.1 地形地貌

本工程處于一個(gè)近南北向延伸展布的河間地塊式山嶺地帶，為剝蝕中山地貌。地勢(shì)北高南低，海拔標(biāo)高1435~1635m，相對(duì)高差約200m，鄰近河谷地段，沖溝發(fā)育，切割強(qiáng)烈，形成棱狀山嶺，坡度30°~35°之間，河谷呈“V”字形。

1.2 氣象和水文

工程區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大。年均降水量400~600mm，4~7 月屬豐水期，占全年降水量的45.74%，8~9月屬枯水期，僅占全年降水量的11.04%；無(wú)霜期185d，平均穩(wěn)定積雪期為84d，最大雪深890mm。

工程區(qū)位于山嶺地帶，常年有水，正常流量為1~2m/s，枯水期最小流量約為0.005m/s，礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水取自該河水補(bǔ)給的河谷潛水。

1.3 地層

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪及地質(zhì)鉆探、探井揭露，尾礦壩南部(包括排水棱體及排水管)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；第四系全新統(tǒng)坡洪積（Q4dl+pl）粉土、礫砂、角礫、碎石；下石炭統(tǒng)阿恰勒河組(C1a1)凝灰質(zhì)砂巖、角礫巖。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)的古火山構(gòu)造為中心式破火山口，在地面磁測(cè)圖上呈一典型的橢圓形環(huán)狀磁異常帶，環(huán)帶南北長(zhǎng)2.6km，東西寬2.4km，面積6.24km2。尾礦庫(kù)正處于該環(huán)構(gòu)造的西部邊緣，地層呈單斜產(chǎn)狀，其走向近于EW，傾向近于N，局部?jī)A向NW或NE，傾角20°左右，局部30°~35°，褶皺不發(fā)育。

1.5 水文地質(zhì)特征

工程區(qū)位于近南北向展布的山間溝谷，整體地勢(shì)南高北低。地表水來(lái)源主要為大氣降水和尾礦庫(kù)溢流水，沿防滲排水渠由南向北徑流至下游環(huán)保庫(kù)，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Na 型水，礦化度0.87g/L。地下水可分為覆蓋層中松散孔隙水及基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水和尾礦庫(kù)水入滲補(bǔ)給，沿溝谷由北向南徑流，最終匯流至下游的克希河，水化學(xué)類型為SO4-Na 或SO4-Ca·Na型水，礦化度0.55~1.89g/L。

2 場(chǎng)地巖土物理力學(xué)指標(biāo)

2.1 覆蓋層

針對(duì)場(chǎng)地覆蓋層，巖土測(cè)試工作主要為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)，對(duì)于粉土采取原狀試樣進(jìn)行土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)于砂土、碎石土采取擾動(dòng)樣，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果綜合判定：場(chǎng)地內(nèi)粉土：承載力特征值fak=100kPa，壓縮模量E0=8.18MPa；礫砂：承載力特征值fak=160kPa，變形模量E0=16MPa；角礫：承載力特征值fak=250kPa，變形模量E0=25MPa；碎石：承載力特征值fak=400kPa，變形模量E0=28MPa。

2.2 基巖

按國(guó)標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，綜合考慮場(chǎng)地特征及繼續(xù)風(fēng)化和基礎(chǔ)施工等各方面因素對(duì)地基承載力的影響，建議承載力特征值取值如下：強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖：承載力特征值fak=800kPa，φ=40°，抗剪強(qiáng)度C=120kPa；中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖：承載力特征值fak=1800kPa，φ=45.4°，抗剪強(qiáng)度C=950kPa；強(qiáng)風(fēng)化角礫巖：承載力特征值fak=500kPa，φ=35.5°，抗剪強(qiáng)度C=100kPa；中風(fēng)化角礫巖：承載力特征值fak=1200kPa，φ=41.8°，抗剪強(qiáng)度C=820kPa。

3 場(chǎng)地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 地基土承載力及巖土工程參數(shù)評(píng)價(jià)

本次勘察場(chǎng)地地層主要有：①層人工填土、②層粉土、③層礫砂、④層角礫、⑤層碎石、⑥-1強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、⑥-2中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、⑦-1強(qiáng)風(fēng)化角礫巖、⑦-2中風(fēng)化角礫巖。各巖土的主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值如表1所示。

表1 巖土的物理力學(xué)指標(biāo)建議值

3.2 濕陷性評(píng)價(jià)

工程區(qū)屬于黃土地區(qū)，場(chǎng)地地層頂部主要由粉土組成。由黃土濕陷性評(píng)價(jià)計(jì)算可知自重濕陷量的0~3m 范圍內(nèi)總的自重濕陷量17mm，計(jì)算值小于70mm，總的濕陷量498mm，計(jì)算值大于300mm，所以該場(chǎng)地濕陷性粉土為Ⅱ級(jí)（中等）非自重濕陷性場(chǎng)地。該層未經(jīng)處理，不宜作為基礎(chǔ)持力層。

3.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性和適宜性評(píng)價(jià)

場(chǎng)地地處山間溝谷地貌，整體南高北低，溝谷縱向坡降一般為8%~10%。兩側(cè)山體坡面覆蓋層主要為坡積粉土、礫砂和角礫，平均厚度約3.14m，下伏地層為基巖，巖性以凝灰質(zhì)砂巖、角礫巖為主，局部地段基巖出露。溝谷內(nèi)地層主要為洪積粉土、礫砂和角礫，覆蓋層厚度15m 范圍內(nèi)未全部揭穿。場(chǎng)地地層整體較穩(wěn)定，場(chǎng)地溝谷沖刷切割作用較大，但發(fā)育規(guī)模不大，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查現(xiàn)有自然地質(zhì)條件下是穩(wěn)定的。

3.4 尾礦壩區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）壩基穩(wěn)定性分析。工程區(qū)壩基持力層主要為礫砂層、角礫層及碎石層，在垂直壩軸線方向上，壩軸線以北，壩體下角礫、碎石層厚度變化在4.0~24.0m間，基巖頂板坡度約30°。壩軸線以南，壩體下礫砂、角礫層厚度變化小，在15.0~20.0m 間，基巖頂板坡度0°~15°，局部地段由于溝谷走向的變化，呈負(fù)向。因此基巖頂面對(duì)壩基穩(wěn)定性影響的不利因素減小。而碎石、角礫層具有較高的抗壓、抗剪強(qiáng)度，其中的軟弱夾層縱向坡度小，不能單獨(dú)構(gòu)成壩基滑移的邊界條件，因而移動(dòng)后壩基的穩(wěn)定性較好。

（2）壩肩穩(wěn)定性分析。兩壩肩均為巖質(zhì)邊坡，根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果，現(xiàn)分析如下：

左壩肩：層理和節(jié)理、斷層之間組合不利于邊坡的穩(wěn)定性。其組合交線的傾角分別為：8°、10°、2°。

右壩肩：層理與節(jié)理的組合不利于邊坡的穩(wěn)定性，其組合交線的傾角分別為8°、10°、6°。

綜合分析認(rèn)為：兩壩肩巖層產(chǎn)狀平緩、巖層層面粗糙，無(wú)軟弱夾層，層間連接作用較強(qiáng)。雖部分節(jié)理、斷層與巖層層面的組合不利于邊坡的穩(wěn)定，但其組合交線的傾角均小于10°，這種不利組合，再加上風(fēng)化作用使層間連接作用減弱時(shí)，在局部陡坡地段會(huì)發(fā)生小的崩塌，但兩壩肩巖體的整體穩(wěn)定性良好，不會(huì)發(fā)生大的滑塌。

4 尾礦壩體穩(wěn)定性分析

（1）尾礦壩現(xiàn)狀變形定性分析。目前已運(yùn)行的尾礦壩壩基及壩體均未發(fā)現(xiàn)有裂縫、凸起、外鼓、內(nèi)陷等現(xiàn)象，壩基未發(fā)現(xiàn)流砂、管涌、地震液化等不利于堆積壩穩(wěn)定現(xiàn)象，說(shuō)明現(xiàn)狀條件基本穩(wěn)定；壩體外側(cè)、坡面無(wú)滲水，說(shuō)明初期壩排滲系統(tǒng)運(yùn)行正常。壩坡未發(fā)現(xiàn)滲流、紊流、噴砂、冒水等不利于壩坡穩(wěn)定的因素存在，坡面較順直，無(wú)高低起伏，凸起、外鼓、內(nèi)凹等不利于堆積壩穩(wěn)定的不良堆積方式殘留。未見(jiàn)坡面有大面積降水沖蝕形成的溝，僅見(jiàn)大氣降水面流痕跡。坡面現(xiàn)已生長(zhǎng)草本植物。壩肩兩側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、角礫巖，為平緩層狀斜坡，壩肩未發(fā)現(xiàn)裂縫、滑移等變形。

（2）尾礦壩現(xiàn)狀變形定量評(píng)價(jià)。該尾礦壩自2016年以來(lái)，建設(shè)單位布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)建設(shè)單位提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，已運(yùn)行尾礦壩在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，沉降量0.000~0.119m，最大沉降量為0.119m。尾礦壩變形、沉降受大氣降水、生產(chǎn)周期的控制和影響，呈雨季同步、加載速率同步特點(diǎn)。綜合以上數(shù)據(jù)，該初期壩在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，沉降量0.000~0.119m，單月最大沉降量為0.080m，滿足《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》要求。

（3）最終壩高時(shí)的壩體穩(wěn)定性分析。該尾礦庫(kù)的工程地質(zhì)條件：尾礦庫(kù)類別（三類構(gòu)筑物）、工程重要性（重要工程）、場(chǎng)地復(fù)雜程度（二級(jí)）、場(chǎng)地巖土介質(zhì)復(fù)雜程度（二級(jí)）。結(jié)合建設(shè)單位生產(chǎn)規(guī)模（33×104t/a）的實(shí)際情況，分別按尾礦壩現(xiàn)狀壩高和最終設(shè)計(jì)壩高工況進(jìn)行分析，對(duì)壩體的滲透穩(wěn)定性采用有限元法，對(duì)壩坡的穩(wěn)定性采用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法。

①計(jì)算參數(shù)選?。焊鶕?jù)對(duì)尾礦壩邊坡影響因素的分析，洪水、地震及人類工程活動(dòng)是誘發(fā)壩體失穩(wěn)發(fā)生的因素。因此，本次對(duì)尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算考慮壩體自重、自重+洪水以及自重+洪水+地震三種工況，具體為：

正常運(yùn)行：自重工況，僅考慮壩體自重，無(wú)地下水作用。巖土體參數(shù)全部取天然狀態(tài)或干燥狀態(tài)時(shí)的參數(shù)。

洪水運(yùn)行：自重+洪水工況，考慮壩體處于全飽水狀態(tài)。巖土體參數(shù)全部取飽和狀態(tài)時(shí)的參數(shù)。

特殊運(yùn)行：自重+洪水+地震工況，考慮壩體受地震外荷載影響，地震設(shè)防烈度為Ⅷ度。其他巖土體參數(shù)的選取原則與工況Ⅱ完全相同。

本次在庫(kù)區(qū)及壩體主要收集了原報(bào)告中巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合尾礦壩南部開(kāi)展鉆孔、探井和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)不同巖土體進(jìn)行了一定數(shù)量的巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)研究工作。在綜合對(duì)比各階段試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，同時(shí)類比相關(guān)重力型碾壓土石壩巖土體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值，經(jīng)分析后得各巖土體物理力學(xué)指標(biāo)。尾礦壩現(xiàn)狀壩高剖面圖見(jiàn)圖1，尾礦壩設(shè)計(jì)壩高剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 尾礦壩現(xiàn)狀壩高剖面示意圖

圖2 尾礦壩設(shè)計(jì)壩高剖面示意圖

②壩體滲透穩(wěn)定性分析：本次滲流計(jì)算采用有限元方法，有限元方法是依據(jù)非飽和土理論——達(dá)西定律，采用有限元方法分析穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩或土體的滲流分析。分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 尾礦壩滲透分析成果表

分析結(jié)果顯示，在現(xiàn)狀壩高和最終設(shè)計(jì)壩高時(shí)壩體滲透坡降值均大于允許滲透坡降值，但根據(jù)壩體現(xiàn)狀調(diào)查，坡面無(wú)滲水，未發(fā)現(xiàn)滲流、紊流、噴砂、冒水等不利于壩體穩(wěn)定現(xiàn)象，因此初步判斷壩體滲透基本穩(wěn)定，但應(yīng)加強(qiáng)后期庫(kù)內(nèi)水位觀測(cè)、壩體滲流觀測(cè)及壩坡變形觀測(cè)?，F(xiàn)狀壩高和最終設(shè)計(jì)壩高時(shí)壩體最大滲透量分別為3.1×10-3m3/s和4.6×10-3m3/s。

③壩坡穩(wěn)定性分析：本次壩坡穩(wěn)定性分析分別按尾礦壩現(xiàn)狀壩高和最終設(shè)計(jì)壩高進(jìn)行計(jì)算，對(duì)壩坡穩(wěn)定性計(jì)算采用瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法。計(jì)算過(guò)程采用GEO-STUDIO 軟件對(duì)壩體進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算三種工況條件下壩體穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壩坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

5 結(jié)論

根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程勘察技術(shù)規(guī)范》（GB50547-2010）中表6.0.11-1、表6.0.11-2，關(guān)于壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的說(shuō)明，瑞典圓弧法正常運(yùn)行期Kmin=1.20，洪水運(yùn)行Kmin=1.10，特殊運(yùn)行期Kmin=1.05，簡(jiǎn)化畢肖普法正常運(yùn)行期Kmin=1.30，洪水運(yùn)行Kmin=1.20，特殊運(yùn)行期Kmin=1.15。上述計(jì)算結(jié)果當(dāng)中僅現(xiàn)狀壩高正常運(yùn)行時(shí)壩坡穩(wěn)定性狀態(tài)為穩(wěn)定，其余狀態(tài)均為不穩(wěn)定。