内蒙古阿尔哈达铅锌矿尾矿库坝体稳定性研究

刘淑芹，魏新力，邓 忠，张凤娟

(山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 210014)

0 前 言

阿尔哈达铅锌矿尾矿库位于内蒙古锡林郭勒盟东乌旗满都胡宝拉格苏木境内，尾矿库于2006年由西北矿冶研究院进行设计。尾矿库建在距离选厂西南约800 m的低洼处，库区为低山丘陵区，地势平坦，地形切割不明显，地势东南略高于西北，地表无水体，库区附近无牧户居住，尾矿坝采用三面环山一面筑坝的形式，为土石坝，设计规模为1 500 t/d，年尾矿排放量39.36万m3。本文主要研究内蒙古阿尔哈达铅锌矿尾矿库坝体稳定性，以期对该地区矿山建设有一定的启发。

1 地质环境特征

1.1 自然地理

东乌旗位于内蒙古自治区中北部，处于锡林郭勒盟大草原腹部，面积4.7万km2，人口约7万人，是我国重要的草原畜牧业基地，该旗内的煤炭、石油、金属矿产资源丰富，本地区地处边陲，人眼稀少，劳动力缺乏。当地主要以牧业为主，工业生产不发达，库区属高纬度地带，属于寒温带干旱性气候，冬季寒冷，有暴风雪，风季长，最大风力8级以上，风向多为西南或东南风，年平均气温2.5℃，最低气温-37.4℃，最高气温38℃。年平均降水量为242.9 mm，历史最大降水量457.3 mm(1998年)，库区附近无河流和地表水体，但地下水较充沛，生产和生活用水依靠抽取地下水解决。

1.2 地质特征

尾矿库场区为第四系覆盖，其岩性主要为耕植土和砂、粉质黏土、黏土，透水性较强，其下为泥盆系安格尔音乌拉组凝灰岩和硅质板岩，坝基坐落在第四系松散岩层之上。

尾矿库位于东乌旗褶皱束额仁高毕复式向斜的东南翼，受多期构造运动影响，区内褶皱、断裂以及节理、劈理构造发育，后期(成矿期)构造对早期断裂构造的叠加改造作用强烈，但区内断裂构造均为非全新世活动性断裂，对场地无其它不良影响，详见东乌旗地区区域地质略图[1-2](见图1)。

图1 乌旗地区区域地质

1.3 区域地壳稳定性

区内断裂构造均为非全新世活动性断裂，对场地无其他不良影响。

2 工程地质特征

2.1 地层结构

根据本次勘察资料及室内试验结果，库区地层大体可分为6层(按成因和物理力学性质划分)，具体描述如下：

碎石素填土：灰色，稍密—中密，稍湿，主要由硅质板岩质碎石组成，充填风化砂颗粒，粒径在200～600 mm的含量大于60%，棱角状，颗粒级配较好，该层主要为新近堆积形成，是主要的坝体材料，厚度变化较大，厚度6.30～14.30 m，平均10.31 m，并随坝高加高不断加厚；层底标高约在973.59～990.46 m之间，平均983.08 m；层底埋深6.30～14.30 m，平均10.31 m，该层进行重型动力触探4.5 m，其修正击数最小值7.8击，最大值30.7击，平均值20.6击，标准差6.8，变异系数0.33，标准值18.9击。

尾粉砂：灰黑色，中密—密实，湿—饱和[3]，主要由矿体粉碎后形成的细颗粒组成，颗粒均匀，由水力冲积作用而成，具微层理，该层分布于库区内，该层厚度变化较大，厚度8.00～12.40 m，平均10.83 m；层底标高约在974.16～982.46 m之间，平均976.86 m；层底埋深18.00～26.30 m，平均23.63 m，基本为稍密—中密状态，就物理力学参数而言，该层差别不大。

耕植土：灰褐色，稍密—密实，摇震反应迅速，干强度低、韧性低，见植物根系，该层为草原表层，主要成份为粉砂，该层普遍分布，厚度0.60～2.80 m，平均1.93 m；层底标高约在971.36～991.79 m之间，平均976.67 m；层底埋深0.60～29.10 m，平均9.79 m。

中细砂：灰褐色—灰白色，中密—密实，湿—饱和，颗粒级配良好，由水力冲积作用而成，具微层理，该层普遍分布，厚度2.10～7.70 m，平均4.19 m；层底标高约在965.41～984.09 m之间，平均972.40 m；层底埋深3.90～31.20 m，平均12.92 m。

粉质黏土：黄褐色，可塑—硬塑，含铁锰氧化物，含白色钙质条纹和少量姜石及零星碎石、砾石，主要成分为硅质板岩，该层部分钻孔分布，厚度1.70～6.80 m，平均3.60 m；层底标高约在962.46～968.31 m之间，平均966.29 m；层底埋深7.90～38.00 m，平均20.43 m。

强风化硅质板岩：灰黄色，泥质结构，板状构造，矿物成分主要为云母、石英，风化裂隙较发育，岩芯一般呈短柱状—柱状，采取率80%～90%，岩石质量指标(RQD)为 30～40，该层仅在库区东侧部分钻孔揭露，厚度较大，本次勘察未穿透，本次最大揭露厚度为34.90 m。

2.2 坝体的材料组成

坝体主要填筑材料为石料、碾压风化料、砂性土，块石料新鲜完整，无明显的节理裂隙，抗压强度不小于30 MPa，软化系数不小于0.75，最大边长与最小边长之比大于3，较大粒径(200～600 mm)的块石含量在60%以上，用于堆砌坝体及坝前干砌毛石部分；砂性土及板岩风化料主要为就地取材，未使用耕植土及有机混合物大于5%的土，填筑土料经过分层碾压。

2.3 尾粉砂及坝体材料的物理力学性质

本次勘察岩土的分类依据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)，并参考了《选矿厂尾矿设施设计规范》(ZBJ1-90)。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009年版)和本次钻探结果，结合室内土工试验和原位测试结果，本区尾矿砂主要为尾粉砂，坝体材料主要为碎石素填土和尾粉砂。

2.3.1 重度及天然坡角测试

为了确定①层碎石素填土及②层尾粉砂的重度，于坝内及坝体中挖探井34.00 m/10个，并进行重度测定，结果如下表。为了确定①层碎石素填土及②层尾粉砂的天然坡角，于有代表性的地点进行现场天然坡角测量6次，结果如下表1。

表1 重度和天然坡角

2.3.2 室内土工试验

1)直接剪切试验

土样直径61.8 mm，高20 mm。试验结果见表2。

表2 直接剪切试验指标统计

2)三轴剪切试验

三轴剪切试验包括固结不排水(CU)及固结排水(CD)，采用的仪器为北京华勘科技有限公司生产的KTG-DS-B型全自动三轴压缩仪[4]，该项工作由研究组在符合资质的实验室完成，试验结果见表3。

3 坝体浸润线条件

3.1 地下水的排泄条件

影响地面蒸发的主要因素是气候、地下水埋藏深度及地层岩性等；该尾矿坝设计时是按水库坝设计，因此坝体除了排水棱体外均取了防渗措施，透水性较差，对该坝来说，渗流不是最主要的排泄方法，因此，要保障坝体排水沟、涵洞的畅通，同时坝体表面应整平以利于降水排泄。

3.2 坝体地下水类型及坝体材料的透水性

3.2.1 坝体地下水类型

按照地下水的埋藏条件，坝体地下水主要为潜水和上层滞水，按含水介质类型，坝体地下水属孔隙水的范畴[5]。

3.2.2 坝体材料的透水性

根据ZK1、ZK2及ZK3钻孔注水试验结果，坝体②层尾粉砂的垂直渗透系数为6.61×10-4～1.11×10-3cm/s，属于弱透水性岩土。

表3 三轴剪切试验指标统计

3.3 坝体地下水腐蚀性评价

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009版)附录G，结合场地实际情况，拟建工程场地环境类别可按Ⅱ类考虑，地下水对混凝土结构及其中的钢筋的腐蚀性评价。

根据表4，综合评价拟建场区地表水和地下水腐蚀性等级为：对混凝土结构具微腐蚀性，在长期浸水的条件下对混凝土结构的钢筋具微腐蚀性，在干湿交替的条件下对混凝土结构的钢筋具微腐蚀性。

表4 按环境类型地下水对混凝土结构的腐蚀性评价

3.4 勘察期间浸润线位置

坝体中的渗流自由水面线称为浸润线，浸润线以下的坝体浸没在水中，勘察结束后测得各孔地下水水位埋深[6]，见表5。

表5 坝体各孔水位埋深及相应标高

4 稳定性分析

4.1 定性分析

根据现场调查，该尾矿库现尾矿坝总高度(平均)22.5 m，坝顶标高(平均)1 000.50 m，现堆积尾矿面标高在998.00 m左右，全库容约393.5 m3万，其中尾矿堆积坝高度(平均)12 m，后期每期尾矿筑坝高度4 m(已进行过3次筑子坝)，尾矿库长约585.50 m，坝顶宽度约13.00 m。根据调查资料显示尾矿坝整个坝体未见渗水处，仅在初期坝基础外侧低洼处见积水，但尚未形成径流，现场勘查，尾矿库坝体外坡面未发生变形破坏，未见坡面出现凹陷、坍塌等，坝体基底及两侧土体物理力学性质较好，尾矿库内干滩大于100 m，综合分析，从定性的角度来看该尾矿坝在整体上是稳定的。

4.2 定量分析

本次计算考虑尾矿坝正常运行、洪水运行及地震(特殊运行)3种情况，荷载按坝体自重、渗透压力和地震荷载在3种不同运行情况下进行组合，采用极限平衡法和有限单元法对坝体的稳定性进行了分析(具体计算过程见附件)，本次选用四条剖面进行计算，现有坝高条件下分析结果如下表6。坝体加高到最终标高(本次按坝体加高10 m考虑)分析结果如下表7。

表6 现有坝高各工况下不同部位稳定性系数

计算结果表明：本尾矿坝在正常和洪水条件下稳定性系数满足安全性要求(见表6)，但安全储备很低，在特殊工况下稳定性系数接近于临界状态。1-1剖面位置稳定性最差，其余剖面位置坝体基本稳定，满足规范要求。洪水和特殊工况下坝体接近极限平衡状态，坝体稳定性受地下水影响较大，当地下水位上升时，稳定性系数下降较快。计算结果表明，地下水对稳定性影响程度大于地震。

表7 坝体加高10 m各工况下不同部位稳定性系数

坝体加高10 m后，坝体在正常和洪水工况下稳定性均能满足规范规定的安全系数要求，坝体能够正常运营，总体上安全储备较低。本次计算对7度地震条件下的坝体稳定性进行了校核，计算结果表明在7度地震条件下，坝体稳定性不能满足安全性要求，但考虑到场地为6度区， 综合分析结果坝体在现有高度和加高后基本能安全运营要求。

5 结 论

本文从内蒙古阿尔哈达铅锌矿尾矿库所在区域的地质环境特征入手，在了解研究区的大致工程地质特征的基础上，通过土工试验，为研究区的稳定性计算提供了坚实的试验数据，通过对坝体侵润线条件的分析，从而得出以下结论：从定性分析尾矿坝整体上是稳定的；从定量角度分析，坝体在现有高度和加高后基本能安全运营要求。