复杂地基条件下尾矿坝的稳定性分析

周彩霞 李世男

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038； 2.中铁建铜冠投资有限公司， 安徽 铜陵 244000)

0 前言

尾矿库是矿山生产的重要设施，也是矿山的重大危险源。尾矿坝的稳定与否，直接关系到尾矿库的运行情况，同时和矿山的经济效益、下游人民的生命财产安全、周边环境等紧密相关。统计表明，尾矿坝稳定性不足是造成尾矿坝溃坝的重要因素[1]。从有利于尾矿坝稳定性的角度考虑，尾矿库应避开地质构造复杂、不良地质现象严重区域，尾矿坝坝址的选择应避免不良的工程、水文地质条件[2]。但是由于各种条件限制，有时需要在复杂地基条件下建坝。

尾矿坝建在软土层或黏性土层上的实例较少，江西武山铜矿新尾矿库1#尾矿坝底土层为新近湖相沉积的淤泥- 淤泥质土，软土层最厚达12 m，均厚10 m，采用排水砂井和塑料排水板提高预压效果，并分级加荷，在加载过程中严格控制加载速率保证稳定性[3]；云南境内某尾矿库工程，坝体外坡坝脚处除素填土外，地基从上而下依次为粗砂、粉质黏土、粉土、粉质黏土，软土层厚达40 m，采用外坡压载废石、预留平台及坝内加筋土工格栅等多措施并举的方法解决坝体安全系数不足的问题[4]；新城金矿在旧库淤泥质软基上采用碎石桩与反压法相结合的方法加固软基并筑坝扩容[5]。水利工程中有在粘性土及软土坝基上筑坝的经验[6]，公路铁路及市政工程中亦有不少相关经验可供参考。

尾矿坝选址应慎重选择复杂地基条件，如果受条件所限必须在复杂软土或黏性土地层上筑坝，应对地层情况进行详细的勘察，并采取地基处理措施。处理措施需综合考虑技术、经济等方面的影响。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

某三等尾矿库总库容4 440万m3，总坝高60 m，为山坡型尾矿库，利用山坡阶地三面筑坝，前期勘察库区为深厚砂砾石层基础。尾矿初期坝初始设计为堆石坝，采用黏土斜墙防渗，坝高30 m，坝顶宽5 m，上下游坝坡均为1∶2.5；尾矿堆积坝坝高30 m，外坡坡度为1∶5；尾矿库库区采用1 m厚黏土层防渗。尾矿库平面图如图1所示。

1.2 地质概况

详细工程勘察后，发现地质情况与前期勘察结果相差较大，拟建场地内分布的地层主要有人工堆积层、第四系冲洪积层、第四系坡洪积层、第四系残积层和侏罗系侵入岩。库区覆盖层性质及厚度变化较大，且存在不利于坝体稳定的可塑状态的粉质黏土夹卵石层和较大厚度的粉质黏土层，主要物理力学性质指标见表1。

图1 尾矿库平面图

地层天然含水率/%天然重度/kN·m-3饱和重度/kN·m-3饱和度/%孔隙比液性指数压缩模量/MPa标准贯入试验锤击数/击直剪快剪直剪固快内摩擦角/(°)凝聚力/kPa内摩擦角/(°)凝聚力/kPa粉质黏土夹卵石层35.5118.0018.300.9993.940.744.725.3014.0017.0016.0014.00粉质黏土层33.3318.2018.500.9193.770.514.8910.2015.0021.0018.0018.00

1)粉质黏土夹卵石层。颜色为黑色- 灰黑- 灰色，厚度为0.50～16.90 m。该层含铁锰氧化物和腐殖物，局部为黏土，还含有少量卵石、砾石、中粗砂和粉细砂，部分地段夹厚度不一的腐殖质。整体呈饱和、可塑状态，局部呈软塑状态，属于强度较低、不甚均匀的中等偏高压缩性土层，且厚薄分布不均匀，变化较大，为相对软弱的天然地基持力层。另外，该层有机质含量为2%～11%，部分地段大于5%，水泥与土层可能不凝固或发生后期崩解。

2)粉质黏土层。颜色为黄褐色- 棕红色- 灰褐- 灰绿色，厚度为2.00～40.00 m。该层中含铁锰氧化物，局部为砂质黏性土和黏土，含少量(5%～10%)碎石，碎石主要成分为花岗闪长岩和石英砂岩。整体呈湿的、可塑状态，局部呈硬塑状态，属于强度中等、不甚均匀的中等偏高压缩性土层。

2 稳定性加固措施

2.1 常用稳定性加固措施

为了满足在复杂软土或黏性土地层上修筑尾矿坝的稳定性要求，通常可采用以下措施增强坝体及地基的稳定性[6]：

1)换土法。挖除全部或部分软土，换填以强度较高的土、砂、石料，可从根本上改善地基，是最彻底的处理方法。这种方法只适用于软土层位于地表、厚度较薄且便于施工的情况。

2)压重法。在坝体的上、下游坡脚外填筑重力平台，在此附加荷载的作用下，坝侧地基被挤出和隆起之势得到平衡，从而增强地基的稳定性。此法虽然施工简便，但土方量大，占地面积大，适用于较低的初期坝。

3)排水固结法。在坝基中设置一系列的砂井或者塑料排水板，使孔隙水压力能较快地消散，从而加速地基抗剪强度的增长，同时也缩短了地基最终沉陷时间，适用于软基较厚的情况，常与预压加载相结合使用。

4)预压加载法。在坝体填筑之前预先在坝基加荷载使坝基固结，然后去掉荷载再筑坝。由于土石坝自身对沉陷的适应性较大，而且预压荷重也就是填土石，因此极少另用预压法加固地基，可用土石坝自身作为预压，但需保证预压过程中土石坝不发生不允许的裂缝，否则应把预压土料除去后重新筑坝。

5)控制填土速率。地基土的强度，随着加荷后时间的进展而逐渐因固结而增大，适当控制填土速率，可以使地基土强度的增长与填土荷重的增长相适应。控制填土速率是很重要的措施，无论用何种方法来处理坝基，都是必要的。

6)抽水加固法。在坝基打孔抽水降低地下水位，促进坝基土固结。

7)填土挤淤法。对于很软弱的淤泥，可以在填土过程中，由坝体荷载将其从坝趾挤出。通常只适用于稠度很大的薄层淤泥。

8)采用复合地基。包括水泥搅拌桩、碎石桩、灰土桩、旋喷桩和小断面预制桩等。

2.2 稳定性加固措施的选择

本工程相对软弱的粉质黏土夹卵石层和粉质黏土层厚度较大，换土法和填土挤淤法不适用；坝址附近(100 m处)有河流，抽水加固不易实施；粉质黏土夹卵石层有机质含量为2%～11%，水泥与土层可能不凝固或发生后期崩解，水泥搅拌桩复合地基效果不能保证，且采用复合地基造价较高；压重法是最常用的方法，施工简便，但单独采用压重法占地面积较大；塑料排水板排水固结也是常用的易于实施的方法之一，需与预压加载相结合采用，本工程软弱地层为夹层，周边还有卵石、砾砂层等透水性较强的土层，尾矿坝亦可用坝体自身作为预压；而无论用何种方法来处理坝基，都必须控制填土速率。

综上，结合工程地质和项目实际情况，本工程采用压重法、排水固结与预压加载相结合，并控制加载速率的方法来增强尾矿坝稳定性，以满足规范[2]要求。

2.3 工程稳定性加固方案

本工程初期坝坝顶标高810 m，坝高30 m，坝顶宽5 m，上游坡面在标高790 m及785 m处设置压重平台，平台宽度20 m；下游坡面在标高800 m及795 m处设置压重平台，平台宽度20 m，在标高790 m设置排水棱体，宽度10 m，各平台间坡度均为1∶2.5。堆积坝采用上游式筑坝工艺，最终堆积坝顶标高840 m，堆积坝高30 m，堆积坝总外坡坡比控制在1∶5。

排水固结与预压地基采用塑料排水带双面排水，宽度为100 mm，厚度为5 mm，深度为20 m，三角形布置，间距为1.5 m，预压范围为西南侧坝段，设计利用初期坝自身作为预压，即荷载分级与堆坝施工统一考虑，利用初期坝坝基3 m厚堆石作为排水层，预压时间即整个初期坝施工期，通过控制加载速率(即施工速度)达到预压效果。土层平均固结度按照90%设计，加载时间控制在1年。

3 稳定性分析

该工程采用简化毕肖普总应力法对尾矿坝进行空库(初期坝顶标高810 m)、初期(初期坝顶标高810 m)、终期(最终坝顶标高840 m)三个阶段的稳定性进行分析，每个阶段分别计算正常运行、洪水运行、特殊运行三种工况的稳定性。

3.1 模型及材料参数

根据工程地质勘查报告，将坝基地层概化为粉质黏土夹卵石层、粉质黏土层、砂质黏性土层、全风化基岩、基岩。根据筑坝材料及上游尾矿堆坝沉积特点，参照类似工程经验，将库区尾砂分成尾细砂、尾粉砂、尾粉土、尾黏土。

工程设计方案的最不利断面如图2所示，计算边界条件见表2，主要计算参数见表3。

3.2 稳定性计算结果

尾矿库各运行期的坝坡抗滑稳定计算结果见表4，各期典型工况的稳定计算最危险滑弧位置如图 3～5所示。

由表4可知，本工程尾矿库在正常运行、洪水运行和特殊运行条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范规定值，表明在采取各种措施后，尾矿坝能够满足各运行条件下的坝坡抗滑稳定要求。

1-初期坝主堆石区; 2-黏土斜墙; 3-上游排水堆石区; 4-下游排水棱体; 5-库区粉质黏土防渗层; 6-粉质黏土夹卵石层; 7-粉质黏土层; 8-砂质黏性土; 9-全风化基岩; 10-基岩图2 初期坝坝体最不利断面

表2 稳定性计算边界条件 m

表3 空库、初期和终期各土层物理力学指标

注：空库期采用快剪指标；初期采用快剪指标；终期采用固结快剪指标。

表4 尾矿坝稳定性分析计算结果

注：表中稳定性分析计算结果为最不利断面的计算结果。

1-初期坝主堆石区; 2-黏土斜墙; 3-上游排水堆石区; 4-下游排水棱体; 5-库区粉质黏土防渗层; 6-粉质黏土夹卵石层; 7-粉质黏土层; 8-砂质黏性土; 9-全风化基岩; 10-基岩图3 空库(下游坡)尾矿坝稳定计算结果

1-初期坝主堆石区; 2-黏土斜墙; 3-上游排水堆石区; 4-下游排水棱体; 5-尾细砂; 6-尾粉砂; 7-尾粉土; 8-尾黏土; 9-库区粉质黏土防渗层; 10-粉质黏土夹卵石层; 11-粉质黏土层; 12-砂质黏性土; 13-全风化基岩; 14-基岩图4 初期尾矿坝稳定计算结果(洪水运行)

1-初期坝主堆石区; 2-黏土斜墙; 3-上游排水堆石区; 4-下游排水棱体; 5-尾细砂; 6-尾粉砂; 7-尾粉土; 8-尾黏土; 9-库区粉质黏土防渗层; 10-粉质黏土夹卵石层; 11-粉质黏土层; 12-砂质黏性土; 13-全风化基岩; 14-基岩图5 终期尾矿坝稳定计算结果(洪水运行)

4 结束语

对尾矿库复杂地基及软弱地基的处理方法有多种，在实际中可结合项目具体情况，在设计、施工及运行管理方面采取多种措施，解决复杂地基条件下尾矿坝的稳定性不足问题。对于存在复杂软土或黏性土地层的尾矿库工程，建议在整个加荷过程中设置地基水平位移、垂向位移和孔隙水压力等监测设施，不断通过实测数据验证和修改设计及施工。运行过程中也应更为重视尾矿库的监测工作。