河南嵩县小南沟尾矿库堆坝稳定性分析

陈素玲

(河南省地矿局第三地质勘查院，河南 洛阳 471023)

0 前 言

尾矿库坝体是重大危险源之一，国际灾害事故排名中位列第18位。加强尾矿库坝安全监管和监控，对于保证尾矿库安全运行极其重要[1]。河南嵩县柿树底金矿小南沟尾矿库位于嵩县大章乡罗岔沟内赵家庄至贾家庄一线南侧境内，西北距嵩县县城36 km。坝址建在小南沟沟口上游约80 m左右最窄处，库区汇水面积约1.22 km2，尾矿库属山谷型尾矿库，沟口筑坝[2]。为了保证矿山生产可持续发展和尾矿库的安全管理工作，做好尾矿库抢险应急救援预案的补充完善，对尾矿坝体稳定性及安全管理方面的研究十分必要[3]。

本次研究工作在收集场地已有资料的基础上，通过实地调查，查明场地地形地貌、地质界线，查明库区、坝体及其附近有无影响其稳定性的不良地质作用，分析尾矿堆积坝排渗、排洪状况和堆积坝体渗流特征，选择代表性的断面开展浸润曲线分析和稳定性验算分析，综合分析评价堆积坝坝体进行稳定性。该研究有助于柿树底金矿堆积坝区及时发现和消除尾矿库安全隐患，确保尾矿库安全。

1 小南沟尾矿库现状

尾矿库位于嵩县大章乡罗岔沟内赵家庄至贾家庄一线南侧境内有小南沟内，属于山谷型尾矿库，沟口筑坝。小南沟为一走向南北狭长山谷，小南沟尾矿库堆积坝采用上游式堆积、冲积法充填筑坝。由选矿厂排出的尾矿浆通过管道向库内均匀放矿，自初期坝开始依次向库区的上游坝堆筑子坝。

初期坝坝址建在小南沟沟口上游约80 m左右最窄处，库区汇水面积约1.2 km2。初期坝采用透水堆石坝，坝外坡脚标高为757.7 m，坝顶标高784.6 m，初期坝高22.0 m，坝顶长58.5 m，坝顶宽度为4.7 m。内外坡坡比均为1∶2。初期坝坝体未发现沉陷、裂缝、坍塌、滑坡现象，坝体无纵、横裂缝和变形[4]。初期坝及堆积坝现状见图1。

图1 小南沟尾矿库照片

目前尾矿库堆积坝已堆至846.0 m，库内滩面标高为845.0 m，现堆积坝高61.44 m，终期总坝高为89.44 m，设计终期总库容为352.55万m3。堆筑12级子坝，尾砂堆积坝每级子坝顶宽2.56～6.0 m，高度3.32～6.0 m，子坡外比1∶2～1∶5.6，堆积坝总体外坡比这1∶4.03，分层夯实。每级子坝均垂直沟谷方向规范堆筑子坝，在堆积坝除第2级子坝顶未设水平排渗管外，其余每级子坝均设置有水平排渗管，排渗管间距4.0 m，单根长40.0 m。且每级子坝顶均设置有坝面排水沟，在堆积坝两铡筑有坝肩截水沟，现场观测。目前，除第12级子坝外，其余子坝外坡面均采用覆土植草护坡，覆土厚度平均为300 mm。

2 堆场工程地质条件

研究区大地构造单元属中朝准地台—华熊台隆，伏牛山台缘隆褶区(见图2)，嵩县小南沟尾矿库堆场位于华北板块南缘熊耳山断隆的鹰嘴山短轴背斜南翼，发育北西西—近东西向的3条压扭性断裂，断裂长度在500 m以上，走向呈舒波状弯曲。褶皱不发育，为向斜缓倾的单斜层状产出。库区出露地层主要为第四系残坡积覆盖层与库区尾矿砂和中古界熊耳群张合庙组(Pt2ch2)。库区内没有滑坡、崩塌、泥石流、岩溶和活动性断层等的不良地质作用。坝址区域内无溶洞、人工洞穴及泉孔。

图2 河南嵩县柿树底金矿小南沟尾矿库综合平面

尾矿库区属中低山区，小南沟为一走向南北的狭长山谷，地势南高北低，地形呈火炬形，中间主沟狭长，长约2 000 m，两侧偏沟偏短，长约200～300 m。库区三面环山，构成良好封闭型天然库盆。库区内水文地质条件简单，无常年地表水体，地下水属浅层裂隙水，大气降水为主要补给来源。基底及边坡岩层为安山岩，各岩层除浅部裂隙较发育外，深部岩体均较完整，是良好的隔水岩体[5]。

3 尾矿堆坝现状稳定性

3.1 尾矿堆积坝排渗、排洪情况

初期坝为透水堆石坝，在堆积坝除第2级子坝顶未设水平排渗管外，其余每级子坝均设置有水平排渗管，经查看，排渗良好。每一级子坝顶均设置有坝面排水沟，尺寸为0.4 m×0.5 m；堆积坝最上几级修筑有纵向排水沟，尺寸为0.4 m×0.6 m×0.55 m；堆积坝两侧修筑有坝肩截水沟，截水沟为浆砌石结构，其中右侧断面尺寸为1.6 m×1.8 m，左侧断面尺寸为0.8 m×0.5 m×0.7 m。尾矿库排水系统采用排水井+排水隧道型式，钢筋砼结构。尾矿堆积坝顶东侧附近的叉沟设置拦洪坝，为浆砌石结构，坝高5.0 m，坝顶宽为1.5 m，上游坡比为1∶0.1，下游坡比为1∶0.5，坝下接排洪渠；排洪渠长430 m同，上游延伸至拦洪坝内，渠底最缓外平均坡降为4%，矩形断面规格为宽×深=1.6 m×1.8 m，浆砌石结构。目前坝体无垂直、横向位移，坝体无变形。尾矿库无坡面冲蚀，无管涌、流土等坝面渗流破坏情况，尾矿堆积坝处于稳定状态(见图2)[6]。

3.2 堆积坝体渗流特征

尾矿库矿水渗流状态的可靠分析与评价是尾矿库工程研究的关键。本尾矿坝在尾细砂夹尾中砂、尾粉砂夹尾细砂、尾粉土夹尾粉砂及尾粉土夹尾粉质粘土堆积层中的渗流主要表现为受重力流动的梯度控制。影响渗流状态的因素主要有：所排放尾矿的横向和垂直渗透性变化、尾矿沉积层的各向异性、库区边界条件。根据本次勘察，本库区第四系覆盖层较薄，主要为含粉质粘土碎石，第四系下部的基岩为强—中风化安山岩，透水性相对较弱，对降低坝体渗流水位相对较弱。

3.3 浸润曲线分析

在本勘察中，为了测得库内坝体内矿水浸润浅位置，对施工的主要勘探孔均进行了水位测量，从工程地质剖面图反映，坝体内的浸润浅在垂直坝轴线方向上，自尾矿坝坡顶至坡底，浸润浅近乎平行于坝底地形坡底线，中间主剖面(9-9′)线上浸润线，堆积坝水位埋深相对于坡面水位埋深为19.0～23.5 m，稳定水位标高在771.84～825.52 m，在勘察期间仅在第1级子坝马道见有清水流出，上游各级子坝马道均未见清水流出(见图2)。该浸润线是在勘察期间测得的，观测时间较短，且稳定时间短，受天气、钻探工艺等因素所限，所测的浸润线受到一定的影响[7]。

3.4 堆积坝稳定性计算

堆积坝现状稳定性评价按《尾矿库安全技术规程》(AQ2016-2016)5.3.18规定，采用瑞典圆弧法，利用理正软件进行计算。在充分考虑野外原位测试、室内常规试验和直剪试验等各种试验条件的基础上，参考其它尾矿库地层参数和有关规范综合确定计算剖面上各层岩土的天然重度、饱和重度、粘聚力和内摩擦角(见表1)。计算工期采用稳定渗流期，规范采用碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)。水面信息采用有效应力法，孔隙水压力采用近似方法计算，考虑渗透力作用，不考虑边坡外侧静水压力。

表1 稳定性计算参数

堆积坝稳定性计算分为正常情况下和洪水期计算。按照现行规范，根据9-9′剖面绘出堆积坝的边坡，洪水运行时浸润线埋深按照正常运行时向上2 m选取。尾矿库正常运行时计算，目前干滩长度为267.0 m，沉积滩坡度为2.62%。正常运行条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.897。尾矿洪水运行时计算，干滩长度按照堆积规范要求取70.0 m，沉积滩坡度为2.62%，洪水水位水位向上取2.0 m。经计算，现状情况下，正常运行时坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.897，洪水运行时坝坡抗滑稳定最小安全系数1.841，能满足三等库坝坡抗滑稳定最小安全系数的要求。综合以上稳定性分析可看出，坝体在现状条件下稳定性较好，在洪水运行条件下坝体处于稳定状态。

4 尾矿库运行中后期应注意的问题

期坝坝面块石层较均匀，无塌落现象，建议后期仍加强管理。目前坝顶标高846.0 m，坝初期坝坝高22.0 m，堆积坝坝高61.44 m，现状总坝高约为83.44 m，该尾矿库设计总坝高89.44 m，设计总库容352.55×104m3。外坡平均坡比1∶4.03，满足安全要求。目前，除第12级子坝外，其余子坝外坡面均采用覆土植草护坡，覆土厚度平均为300 mm，后期运行中，坝外坡面用应覆土植草护坡。

库区排渗及排洪设施完善，在今后的运行过程中，要重视对排渗设施的管理工作，掌握渗水规律，发现问题应查明原因并及时处理。目前尾矿坝的浸润线埋深相对较深，这种现象对尾矿坝的稳定是比较有利的，在尾矿库运行中应控制干滩长度及安全超高，采用合理的放矿方式，并应增加相应的排渗设施，以降低浸润线的高度。

5 结 语

1)坝体无沉降、塌陷迹象，无纵横向裂缝、变形现象，无明显位移，坝肩与岸坡结合良好，坝运行工况正常，未见渗水，坝区排渗及防洪设施完善。坝体无松动，塌陷，架空现象，目前状态下坝体是稳定的。

2)现状情况下正常运行时坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.897，洪水运行时坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.841，满足三等库坝坡抗滑稳定最小安全系数的要求。坝体在现状条件下稳定性较好，在洪水运行条件下坝体处于稳定状态，目前尾矿库运行符合安全生产条件。