某矿尾矿库稳定性分析

程严玲

（新疆国安建设安全评价中心（有限公司）乌鲁木齐 830000）

1 概述

某金矿选矿厂于2005 年建设，2006 年投产，规模为450t/d，目前扩建后规模为900t/d，产生尾矿量20 万t/a。现有尾矿库2005 年由S 设计院设计，初期坝高14.5m，库容12.15 万m3，服务年限为1.18 年，尾矿堆积坝总高34.5m，坝顶标高674.0m，总库容141.4万m3，服务年限10.18 年。尾矿库建成投入运行至今，排放的尾矿约111.5 万m3。初期坝标高654.0m，顶宽6m，坝高14.5m。堆积坝顶为671.0m，堆积外坡比约为1：4.0。尾矿设施比较齐全，运行中按设计要求进行了放矿、尾矿堆坝，设置排渗层、排渗管，操作规范，管理良好。

2 尾矿库工程地质条件

工程区出露地层下—中泥盆统托克萨雷组（D1-2t）：主要岩性为片理化泥质粉砂岩、千枚岩、石英杂砂岩夹灰岩，凝灰岩等。②层角砾，黄褐色，中密，稍湿，层厚1.4～17.0m，颗粒成次棱角状，母岩成分为砂岩，粉土细砂充填强风化层厚3～5m，颗粒的最大粒径100mm，一般粒径5～20mm，渗透系数1.0×10-1cm/s，重型动力触探锤击数修正值4.8～27.8 击。承载力特征值250kPa。③层强风化砂岩，黄褐色，埋深1.4～17.0m，层厚5.0～12.0m，碎屑结构，节理发育，厚层状构造，矿物成分主要为石英、长石，硅质胶结，胶结致密，重型动力触探锤击数修正值6.8～28.6击。承载力特征值350kPa。④层中风化砂岩，黄褐色，埋深8.0～16.0m，未揭穿，揭露厚度3.0～5.0m。块状结构，厚层状构造，矿物成分主要为石英、长石，硅质胶结，胶结致密。单轴饱和抗压强度8.44～56.00Mpa承载力特征值500kPa。

区域位于阿勒泰山脉西段南麓与额尔齐斯河谷平原过渡地带，冲乎盆地西缘。海拔577-803m，相对高差10-120m，属低山丘陵地貌。地形切割很弱，北东——南西向水系相对较发育，多为干谷，仅有喀腊苏和布哈依塔勒德两条溪流。前者为季节性流水，后者为常年流水，自北东向南西流贯全区，注入也勒克巴依戈壁消失。当地除降雨、融雪时有短暂地表径流外，无常年地表水。场地冻土层厚度为1.8m。地下水埋藏深，基础埋深范围内无地下水，可不考虑地下水对工程的影响。场地土对混凝土结构具微腐蚀性，对钢混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区震动峰值加速度为0.15g，基本地震烈度为7 度，反应谱特征周期0.40s，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，属于抗震一般地段。

3 尾矿坝体现状

初期坝：坝体结构为碾压式土石坝，顶宽6m，最大高度6.8m，内坡坡比1:1.75，外坡坡比1:2。筑坝材料采用库区内土石风化料或采场剥离废石筑坝，逐层碾压，每层上料厚度300～600mm。坝体填筑料采用削坡料及库区内开采的土石料混合而成，角砾（渗透系数k=1.2×10-2cm/s，承载力特征值fak=200Kpa，动力触探锤击数N63.5=8.8 击，粘聚力C=5.0Kpa，内摩擦角φ=34.5°，不均匀系数Cu=34.8，曲率系数Cc=0.315，有效粒径d10=0.20mm），黄褐色，中密，稍湿，颗粒成次棱角状，母岩成分为砂岩，粉土细砂充填，强风化层厚3～5m，颗粒的最大粒径100mm，一般粒径5～20mm，渗透系数1.2×10-1cm/s，重型动力触探锤击数修正值3.9～12.5 击。承载力特征值200kPa。工程质量评价：勘察期间尾矿坝现状坝体完好，无不均匀沉降及渗漏现象；坝体碎石渗透系数1.2×10-1cm/s，具中等透水性，符合要求；坝壳料内摩擦角34.5°；坝体土岩性为碎石，级配不良，透水性好，粒径＜5mm颗粒含量23.8%～26.3%，＜30%，坝体土属不液化土。

堆积坝：尾矿堆积标高为671.0m，堆积外坡比为1:4.0。尾矿砂室内定名为细砂，青灰色、稍密～中密，湿～饱和，其主要成分为矿粉堆积物，颗粒的最大粒径2.5mm，一般粒径0.25～0.075mm，渗透系数6.97×10-5cm/s～4.28×10-4cm/s，标准贯入锤击8.0～21.0击，承载力特征值120kPa。坝基岩土性质：本次勘察在9 个钻孔中对第②层天然角砾及第③层强风化砂岩进行了9.9m重型动力触探试验。现场重型动力触探试验锤击数详见附表“重型动力触探试验成果表1。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），结合现场原位测试及地区建筑经验综合确定：第②层角砾地基土承载力特征值250kPa，变形模量为28.6MPa；第③层强风化砂岩地基土承载力特征值350kPa，变形模量为38.4MPa；第④层中风化砂岩地基土承载力特征值500kPa，地基土物理力学性质指标及承载力特征值见下表2。

表1 重型动力触探试验成果表

表2 坝基土物理力学性质指标及承载力特征值一览表

4 坝体稳定性分析

该尾矿库勘察前没有浸润线观测资料。据本次勘察ZK10、ZK13、ZK14和ZK15的水位情况来看，浸润线埋深在18～21m左右，基本位于沟底。但为从安全考虑，本次稳定性分析尾矿坝浸润线采用洪水工况下8m，正常工况下10m来计算，以便为后续尾矿坝体进行扩容加高提供参考。

本次计算的坝体各层物理力学参数按照本次工勘结果取值，计算中采用的指标见下表：

表3 尾矿坝各土层物理力学信息表

（1）各工况计算简况

表4 各工况计算简况表

表续

（2）计算结果

表5 坝体稳定计算汇总表

5 坝体液化分析

由于本次工勘勘探结果表明，尾砂内水位很低，埋深接近20m，根据相关规范可知，尾砂不会液化。但从安全角度考虑，本次坝体稳定性分析正常工况下浸润线埋深为10m，因此，下面将验算尾砂内水位在坝面10m 时，尾砂是否液化。根据工勘实测的标贯击数，判断是按实测的标贯击数（N）与临界标贯击数（Ncr）比较，若N＞Ncr则不会液化，若N＜Ncr则将液化。临界标贯击数（Ncr）计算按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的以下公式：

（式中：N0－基准值，当设计地震加速度为0.15g 时N0＝10；β－地震分组的影响系数；第二组为0.95；ds-标准贯入点深度(m)；dw-地下水位（m）；p-粘粒含量百分率，当小于3时取3，判别土类均小于3。）实测的标贯击数N、ds、dw依据《A 矿库改扩建工程勘察报告》，工程勘察从现状沉积滩面到初期坝顶选取ZK13、ZK15两个孔号对现状湿排尾矿砂进行了20点次标准贯入试验，以工勘标准贯入试验为依据判别地震液化结果，其中以孔号ZK13为例进行计算，结果见下表。

通过标贯击数对尾矿库堆积坝发生液化可能的判断是：当7 度地震出现时，同时当坝体内浸润线上升至10m 时，孔号ZK13、和ZK15 的勘探孔14m 以下的尾砂才会发生轻微地震液化。实际上，本次工勘勘探的尾砂水位远远低于本次计算的情况，而且尾矿经过技改扩建后，采用干堆工艺筑坝，库内无水排入，浸润线埋深是进一步降低的，因此，本次坝体稳定性分析认为，该库在技改扩建后可不考虑地震液化的影响。

表6 单孔地震液化判别表

6 结论

按照科学、严谨、客观、公正的原则，本着对工作高度负责的精神，依据国家及地方政府的相关法律法规、规范规程的要求，根据某矿尾矿库岩土工程勘察报告的勘察数据以及现场踏勘、与企业沟通的情况，本次现状坝体稳定性分析认为某矿尾矿库现状尾矿坝体稳定性系数满足规范要求。