甘肃徽县通天坪金矿尾渣堆场变形原因分析

陈秀清，黄晓辉

(1.甘肃省有色金属地质勘查局地质矿产勘查开发研究院，甘肃 兰州　730000；2.甘肃有色工程勘察设计研究院，甘肃 兰州　730000)



甘肃徽县通天坪金矿尾渣堆场变形原因分析

陈秀清1，黄晓辉2

(1.甘肃省有色金属地质勘查局地质矿产勘查开发研究院，甘肃 兰州730000；2.甘肃有色工程勘察设计研究院，甘肃 兰州730000)

2008年“9.8”山西襄汾尾矿溃坝事故造成281人遇难的特大灾害给中国尾矿坝(库)的安全管理烙上了一次深刻的印记。据有关研究，尾矿溃坝事故造成灾害的主要原因是坝体的稳定性不足和违规建设等。笔者以通天坪金矿尾矿坝(库)为例，进行库坝稳定性、建设程序和安全防治措施分析，以增强对尾矿库建设安全和管理的重视。甘肃徽县通天坪金矿尾渣堆积坝地基土为强度很低的粉质黏土，承载力特征值为80～100kPa，高度20.0m，初期坝采用粉质黏土堆筑，后期的堆积坝以初期坝为基础，生产期间用压滤干尾砂采用上游式尾矿筑坝法堆筑。尾渣堆场地段地下水较丰富，地下水位埋深在地表附近呈溢出泉出露，坝基土和坝体均为持水性强、渗透性差的黏性土体，不仅地形呈约为10°的斜坡，坝基土体也呈5°～10°倾斜状分布。由于对软弱的地基土未做处理，坝基和坝体排水措施不力，导致投入运营不久坝体和坝前地表发生隆起、开裂、塌陷等变形破坏，严重影响了坝体的正常使用。经后期的补充勘察，提出的地基加固、坝体排水等补救措施实施后，经近2年的监测，坝体稳定，运行正常。

尾渣堆积坝；粉质黏土地基；地下水；坝体与地表变形破坏

尾矿库是一种特殊的工业建筑，也是矿山三大控制性工程之一。它的运营好坏，不仅影响到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产及固定环境息息相关。(黄英华等，2009)2000年10月18日，广西南丹县大厂镇鸿图选矿厂尾矿库发生重大垮坝事故，共造成28人死亡，56人受伤，70间房屋不同程度毁坏，直接经济损失340万元(吴启明,2010)。2008年“9.8”山西襄汾尾矿溃坝事故造成281人遇难的特大灾害给中国尾矿坝(库)的安全管理烙上了一次深刻的印记(刘海明等,2013)。2011年12月4日，湖北省郧西县人和矿业开发有限公司柳家沟尾矿库一号排水井封堵井盖断裂，导致6000m3尾矿泄漏，造成约2km长的山涧沟河受污染(于光明等,2014)。据有关研究，尾矿溃坝事故造成灾害的主要原因是坝体的稳定性不足和违规建设等。笔者以通天坪金矿尾矿坝(库)为例，通过对其库坝稳定性、建设程序和安全防治措施分析，以增强社会对尾矿库建设安全和管理的重视。

1　自然地理

矿区气候为大陆性温带季风气候区(张茂省等,2011)，年最高气温39.19℃，最低气温-15.3℃，年平均气温9.9℃，多年平均降水量约800mm，最大冻土深度为700mm。尾渣堆场位于嘉陵江一级支流瓦窖沟河的支沟桃园沟流域内，在矿区一带瓦窖沟河谷自东向西径流，长年流水，水质清澈，平均流量大于1m3/s，在油房滩一带(称瓦窖沟河)再转向北汇入嘉陵江。桃园沟属季节性沟谷，汇水面积(F)2.22km2，主沟长度(L)3.34km，主沟纵坡坡降22.9%，洪水重现期为100a时的洪峰流量Q=18.13m3/s。

2　工程概况

2.1尾矿坝工程

通天坪金矿尾渣堆场建成于2006年，设计总坝高80m，总库容148.3×104m3，尾渣堆场的等级为三等。按初期坝和堆积坝结构设计。初期坝坝轴线坝底标高1 400m，坝顶标高1 420m(设横向排水渠)，坝高20m，坝顶宽3.5m，坝底轴线长162m，为碾压均质土坝，上、下游坡比分别为1∶1.8和1∶2.0。在下游坝面1 410.0m标高处设宽2.0m卸荷平台，坡面采用草皮护坡。在上游坝面铺设土工布，采用干砌毛石护坡。堆积坝以初期坝为基础，在生产期间用压滤干尾砂采用上游式尾矿筑坝法堆筑，设计外坡坡比为1∶3.5，在外坡坡面1 430.0m、1 440.0m、1 450.0m、1 460.0m和1 470.0m标高处各设宽2.0m卸荷平台，外坡坡面采用草皮护坡，最终堆积标高1 480.0m，相应堆坝高度为60.0m。目前，该尾渣堆场已向上游建成一、二级堆积坝，正在堆积第三级。

2.2截洪坝与排洪渠

在尾矿堆场上游沟底标高1 508.0m处设置了一座浆砌石截洪坝，坝顶标高1 512.0m，坝高4.0m，截洪坝以上流域的洪水通过一条长866m、断面底宽1.5m、顶宽3.5m、高2.0m的梯形排洪渠，将右岸及截洪坝上游洪水排入初期坝外西北侧的一无名小沟内。尾渣堆场场区南侧设断面底宽0.8m、顶宽1.0m、高0.9m的梯形排水渠将左岸坡上的雨洪水排至初期坝以外。在5#渗井以南主沟道中修建了一南西方向简易排雨洪土渠，汇入南侧排洪渠。为断面底宽1.0m、顶宽1.6m、高0.6m的梯形简易塑料防渗土渠。

2.3库内排水

库内沿主沟沟床已建成断面为底宽3.0m、顶宽1.0m，高1.0m的梯形排渗盲沟。沿排渗盲沟每间隔30～40m设渗井一座，圆形直径1.5m，通过排渗盲沟排出库内的各种汇集水。

3　尾渣堆场的变形问题及以往开展的工作

3.1尾渣堆场的变形问题

投入运行后不久即发生了初级坝坝体变形，2007年底至2008年初，初期坝产生了严重变形。在1 420～1 425m高程坡面出现了多条拉张裂缝；高程1 410m卸荷平台以上坝面向外隆起变形形成凹凸面，坝轴线向外位移，使坝顶横向排水渠位移变形，坝顶形成塌陷坑一处；前缘坡脚出现滑动鼓丘，坝前排洪渠变形损坏。至2011年，一级堆积坝斜坡也有变形及加剧情形，局部出现了滑动，先后在坡面形成2处浅层小型滑坡及2处塌陷坑。2011年以来，通过变形监测，初期坝和一级尾矿堆积坝变形趋稳，二级以上尾矿堆积坝未出现变形迹象，但初期坝前排洪渠仍在位移变形破坏，导致不能使用。多次修复，坝脚前缘局部地下水溢出形成沼泽化，初期坝前沟道侧斜坡上出现三道滑动鼓丘，使地面最高抬升达1.5m, 距坝脚前缘41m处，2011年还新形成一浅层滑坡(图1)。

3.2以往开展的主要工作及评述

该尾渣堆场于2005年开展勘察设计，2007年初期坝建成。根据当时的勘察结论，设计提出了开挖、换填、防渗、排水等初期坝的基础处理方案，但根据2013年的补充勘察结果，初期坝没有按设计方案进行施工，这也是该尾渣堆场建成后产生变形破坏的主要原因。

4　尾渣堆场工程地质条件

4.1地质特征

矿区属秦岭山脉南麓，为低中山岩溶地形地貌，海拔1 600～2 000m，相对高差200～450m，地形切割强烈，多陡崖、峡谷，“V”字型谷地发育，植被覆盖广。尾渣堆场区位于瓦窖沟河右岸桃园沟中游地带，库区为一个山间小盆地，初期坝以下沟谷开阔，呈坡度均匀的斜坡坡地，也是主河瓦窖沟的右岸坡。桃园沟谷是比较开阔的囊状沟谷地形，近东西向分布，谷底宽200～320m，北侧坡度多为30°～45°，南侧坡度为35°～40°，谷底及两侧基岩裸露。在初期坝轴线处沟谷宽162m，沟谷内溶蚀洼地、漏斗、溶洞等岩溶地貌发育。

堆场区出露的地层有第四系坡洪积物(Q4dl+pl)和石炭系下统(C1b)。坡洪积物(Q4dl+pl)分布于桃园沟沟底，总厚度1.1～10.0m，由沟床向沟谷边缘及沟台地逐渐变厚，厚度变化大,初期坝坝址区层厚2.7～10.0m，初期坝坡脚以外斜坡区层厚1.1～2.8m,一、二级堆积坝坝底区层厚0.6～3.0m。岩性上部为褐黄色粉质黏土，局部夹有碎石，下部为松散的碎石，局部夹有粉质黏土。石炭系主要岩性为碳质页岩和灰岩，碳质页岩局部分布于桃园沟沟谷谷底，钻孔揭露厚度为1.0～15.5m，黑色，解理发育，呈片状或碎块状，风化后呈土状或粉沬状，当地称“青泥”；灰岩大面积分布于库坝区下部，在库坝区两岸边坡上出露，总体走向呈北西—南东向，倾向220°～235°，倾角40°～55°，呈灰白色、深灰色、黑灰色，致密，中厚层-块状，具明显刀砍状构造，钻孔最大揭露厚度19.8m。

4.2岩土体工程地质

根据分布和岩土体工程地质特征划分的工程地质层见表1、图2。

表1　岩土体工程地质层及特征表

4.3水文地质

堆场区赋存第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类岩溶水。

第四系松散岩类孔隙水：分布于桃园沟沟谷谷底，含水层为坡洪积碎石层，地下水位埋深为0.87～11.7m，含水层厚度为13.13～16.31m。主要接受降水、地表水及沟道两侧岩溶裂隙水的补给，以泉及潜流的形式向沟谷排泄。未建初期坝时，坝前沟谷中有1号泉与2号泉同时出露，呈下降泉特征，泉的动态随季节变化明显。初期坝修建后，1号泉被填筑封堵(图2)，使初期坝坝址区及坡脚一带地下水具有微承压性。

1.；2.标贯实验；3.原状土地及样号；4.扰动土及样号；5.尾渣粉质黏土；6.素填土；7.粉质黏土；8.砰石；9.碳质页岩；10.灰岩；11.；12.滑动面图2　通天坪金矿尾矿堆场环境工程地质剖面图(尾渣堆场沟谷中部纵剖面，图中①、②、③、④、⑤-1、⑤-2、⑥见表1)Fig.2　Tongtian-ping gold mine tailing yard environment engineering geological profile(Tail slag yard central valleys profile)

碳酸盐岩类岩溶水：该类地下水头埋深18.05～18.6m，具承压性，主要接受沟谷两侧高山区大气降水补给，通过岩溶通道向沟谷底部径流，以泉或暗流的形式向沟谷排泄。

5　尾渣堆场变形勘察

为了详细查明尾渣堆场变形原因和特征，主要开展了地表地质环境、地质灾害调查和补充性岩土工程勘察。

5.1地表地质环境、地质灾害调查

开展了1∶1 000专项地质环境、地质灾害调查，主要调查了地形地貌、地层岩性、地表水及排水工程、竖井渗水工程、地下水及出露泉水、地下盲沟渗排水工程、滑坡灾害体、地表变形位移、裂缝、塌陷、鼓丘、排洪、引水工程的拉裂、错断、地表沼泽化等(《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》(GB50547-2010))。

5.2岩土工程勘察

主要采用补充性钻探、原位测试、岩土体取样分析和抽水试验等，进一步查明了尾渣堆场区地基地质结构、岩土体参数、水文地质特征及主要参数等，为尾渣堆场变形原因分析和防治措施的制定提供了环境地质和工程地质基础资料(《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》(GB50547-2010))。

6　尾渣堆场变形原因分析

6.1地形

尾渣堆场设置于桃园沟沟谷内，沟谷地形纵向坡度为10°～12°。滑坡产生除具备特定物质结构内部条件和地下水、前缘临空等外部条件外，地形倾斜是其产生的基础性条件，尾渣堆场就处于有一定倾斜度的地形，有利于尾渣堆场沿着沟底地形滑动。

6.2地层岩性

初期坝基础地基地层结构为：③粉质黏土(Q4dl+pl)、⑤-1全风化碳质页岩(C1b)(表1)。坡洪积成因的粉质黏土和全风化的碳质页岩岩性密度小(1.32～1.65g/cm3，平均值为1.49g/cm3)、孔隙比大(0.65～1.06，平均值为0.83)、强度低(黏聚力C=24.40～25.80kPa，平均值为26.93kPa，内摩擦角φ=24.09°～24.50°，平均值为25.61°)，属黏性软弱土体，工程地质性质差(表2)，易发生滑动变形(图2)。

初期坝修建及一、二级堆积坝形成后，尾渣堆场地段上部增加的地层是：①尾渣粉质黏土(Q4ml)和②人工素填土(Q4ml)；②人工素填土(Q4ml)是直接堆积于③粉质黏土(Q4dl+pl)之上的，①尾渣粉质黏土(Q4ml)是由初期坝上游向后按1∶3.5的坡比逐层向上堆积的；①层和②层土体都是以粉粒为主的土，同样为密度小、孔隙比大、强度低的软弱土体(表2)，工程地质性质差，在斜坡地形地貌和外动力地质作用下也易发生滑动变形。因此，组成尾矿坝的渣体同样成为滑坡发生的物质基础条件。

表2　坝体及坝基地基土物理力学指标数理统计表

6.3地下水

地下水活动在滑坡形成中起着主要引发作用。表现在：软化岩土体降低岩土体的强度，产生动水压力和孔隙水压力；潜蚀岩土体增大岩土体容重，对透水岩层产生浮托力等，尤其是对滑面(带)的软化作用和降低强度的作用最突出。

经现场分层抽水试验表明，尾渣堆积坝①层、初期坝②层和坝基③层均为弱透水层(表3)，具有渗透性差、持水性良好的特征，入渗于土体中的地下水难于排泄，饱和度高达70%～80%，在堆积的坝体上也形成了溢出泉(图1)。

渣堆场天然含水率w的变化特征是：③层的最高，①层尾渣粉质黏土，11.6%～14.4%，平均值为12.5%；②层初期坝体素填土，17.8%～26.4%，平均值为22.31%；③层坝基粉质黏土，16.0%～33.0%，平均值为23.33%；⑤-1坝基下伏全风化碳质页岩， 10.6%～17.2%，平均值为14.29%。饱和度Sr的变化与含水率的变化具有相似的特征(表2，图3)。从反映地下水特征的主要指标天然含水率和饱和度的变化看出，未经处理的③层坝基粉质黏土明显的含水率高，饱和度大，地下水对地基稳定和坝体稳定的负作用程度也最大，经过一定人工压实的①层和②层土体密实性较高，含水率和饱和度相对偏低，地下水对坝体稳定的负作用程度也相对较低。孔隙比、干密度等土体的物理性质和黏聚力、摩擦角等土体的力学性质指标也和含水率有近似的变化特征，均反映了土体的密实程度与地下水的作用(范恩让等，2007)。

表3　尾渣堆场土体渗透系数表

虽在坝体上游和两侧设置了地表水排水渠，但因地下水位埋藏浅，地表水的入渗对地下水的补给作用较突出。虽在坝体内也设置了竖井和盲沟渗井，但由于设置的深度与地下水富集的位置关系对应性不够及数量不足等原因，排水效果不佳。

图3　土体含水率、饱和度沿深度变化曲线图Fig.3　The soil moisture content and saturation curve along the depth change

6.4坝基选择与地基处理不当

6.4.1地基土存在工程地质问题

③层坝基粉质黏土在初期坝和一级堆积坝地段呈向下游约10°的倾斜角分布，下伏于该层的⑤-1层全风化软弱的碳质页岩和覆于上方的②初期坝体素填土和①层尾渣粉质黏土均向下游呈5°～10°倾斜状分布(图2)，这些软土组合分布形成了下滑分力，构成了引发地基及坝体变形破坏的主要原因之一(黄英华等，2009)。

6.4.2地基土强度不足

N63.5=3～50击，平均17击，参考地区经验和标贯试验数据确定的地基土承载力标准值为80～100kPa。初期坝土体天然重度为16.2kN/m3，堆积坝尾渣粉质黏土天然重度为20.0kN/m3。初期坝高度20m，堆积坝高度也达到了20m，按高度20m计，荷载压强分别为320.4kPa和400kPa。初期坝和一级堆积坝都直接以③层粉质黏土为基础持力层，未经处理的地基由于上覆荷载压强远远超过了地基土承载强度，势必引起地基土的破坏变形。

7　治理措施建议

针对引起尾渣堆场变形破坏是软弱地基存在和地下水的作用2个主要原因，提出采取3个方面的治理措施建议。一是采用竖向和水平方向排水，竖向可采用直径约为5.0m的大口径集水井，深度应揭穿③层坝基粉质黏土，水平方向设置口径约110～130mm分层排水渗管，竖向间距3.0m，可设3～4层，向大口径集水井内倾斜渗水集水，地下水集中于大口径后再通过暗沟或明沟排泄；二是对③层坝基粉质黏土进行加固，可采用CFG水泥、粉煤灰、碎石桩或其他复合地基方法进行加固，提高地基承载力；三是对变形破坏的初期坝体采取支挡、护坡等措施进行加固。

8　结论

(1)尾渣堆场地基土为含水率高的粉质黏土，下伏全风化饱和碳质页岩，上覆人工回填的粉质黏土和尾渣粉质黏土，均为软弱黏性土，工程地质性质差。

(2)尾渣堆场产生变形破坏的原因主要有：一是场地为斜坡地形；二是场地地基土和堆积土均为软弱的黏性土，工程地质性质差；三是地下水埋藏浅，地基土含水率高，为主要引发因素；四是地基土强度不足，上部填土厚度大，荷载超过了地基承载力；五是地基土的分布与地形斜坡的分布一致，呈约5°～10°倾斜状分布。

(3)主要由于尾矿坝建设前期勘察与设计的存在不足，地基未作处理等问题，造成了尾矿坝的变形破坏。按补充勘察后提出的措施建议进行治理后，经过2013年8月至今近2年的监测，坝基和坝体均没有发生新的变形破坏。

(4)由于补充勘察和“亡羊补牢”式的维修治理投入资金约1 000.0万元，超过了初期坝的建设投资，给工程经济与社会效益的发挥带来巨大损失，因此，值得深思与反省。

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TechnicalCode for Geoterchnical Engineering of Tailings Embankment《GB50547-2010》[S].

Causal Analysis on the Deformation of Tailings Stacking Dam in the Tongtianping Gold Deposit in Hui County, Gansu Province

CEN Xiuqing1, HUANG Xiaohui2

(1.Research Institute of Geological and Mineral Exploration and Development of Gansu Bureau of Geology and Exploration for Nonferrous Metals,Lanzhou 730000,Gansu,China；2.Gansu Nonferrous Engineering Exploration & Design Research Institute, Lanzhou 730000, Gansu, China)

For the tailings stacking dam of the Tongtianping gold deposit in Hui County of Gansu Province, the foundation soil is silty clay with very low strength, its characteristic value of bearing capacity is 80～100kPa. When the initial dam is lower than 20.0m, it is piled up by silty clay, and then the later fill dam is built on the basis of the initial dam. During the production, the filter dry backfilling materials are used piled up by using the up-stream type tailing damming method. The groundwater of tailings stacking yard is rich. If the buried depth of groundwater level is nearby the earth's surface, the groundwater will expose as the boundary spring. Both the dam foundation soil and the dam body are the cohesive soils with strong water-holding capacity and poor permeability, both of them have a slope of about 10 °, and the dam foundation soil is distributed as a slope with angle of 5°～10°. Due to the weak foundation soil has not been processed, the drainage measures of dam foundation and dam body are very poor, leading to the uplift, cracking and collapse deformation damage for the dam (that was operated shortly before) body and dam surface, seriously affecting the normal use of the dam body. Through carrying out the later supplementary investigation, the remedial measures, such as foundation reinforcement and dam drainage, had been putted forward. After nearly two years of monitoring, it's proved that the dam body is steady and its operation is fine.

tailings stacking dam; silty clay foundation; groundwater; deformation damage of dam body and dam surface

2015-10-13；

2015-10-29

徽县鸿远矿业有限责任公司委托项目“徽县鸿远矿业有限责任公司尾渣堆场变形原因勘察报告”(kc12Z244)

陈秀清(1969-)，女，山西省阳泉市人，汉族，水文地质专业，高级工程师，主要从事水文地质工程地质勘察及科研工作，曾参与完成了国土资源部科技项目-蔬勒河中游水资源合理开发利用示范研究,并获科学技术二等奖。 E-mail:494425273@qq.com

P694

A

1009-6248(2016)01-0249-08