劉來新

（北京愛地地質(zhì)工程技術(shù)有限公司，北京 100144）

0 引言

尾礦庫是通過筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以貯存尾礦的場(chǎng)所，當(dāng)其服務(wù)時(shí)間達(dá)到一定年限，或庫容量達(dá)到一定水平時(shí)，將會(huì)是重大危險(xiǎn)源和環(huán)境污染源，既對(duì)尾礦庫下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，又易造成環(huán)境污染事故[1]。眾多學(xué)者對(duì)尾礦庫的充填工藝、失穩(wěn)原因及穩(wěn)定性分析方法做了大量研究。李保健等[2]研究認(rèn)為全尾砂非膠結(jié)充填工藝充填尾砂粒級(jí)分布較好、級(jí)配較均勻，尾砂沉降速度較快。董賀偉等[3]、王 琢[4]、路平平[5]采用理論分析和數(shù)值模擬等研究方法綜合計(jì)算尾礦庫的抗滑穩(wěn)定性和滲流穩(wěn)定性。彭朝洪等[6]、曹榮國[7]揭示了尾礦壩浸潤線隨庫水位變化的規(guī)律及其與尾礦壩壩坡穩(wěn)定性關(guān)系，模擬尾礦庫的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。時(shí)悅琪[8]通過室內(nèi)滲透破壞試驗(yàn)總結(jié)了不同細(xì)粒含量的尾礦砂試樣發(fā)生滲透破壞時(shí)的現(xiàn)象和規(guī)律。海 龍等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)得出固結(jié)壓力-孔隙比-滲透系數(shù)的定量變化規(guī)律。楊青峰[10]總結(jié)了尾礦壩壩體內(nèi)的滲流場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)不同條件下的浸潤線位置。

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)上游式尾礦壩堆積至一定高度時(shí)，應(yīng)對(duì)壩體進(jìn)行全面勘察并復(fù)核安全性，而尾礦庫庫區(qū)的地貌特征、尾礦堆積體的組成、密實(shí)程度及其沉積規(guī)律、尾礦堆積材料的物理力學(xué)性質(zhì)、尾礦庫的滲流特征等對(duì)壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)起到至關(guān)重要的作用。肖 霄等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為堆積體粒徑隨深度及沿水平方向有一定的沉積規(guī)律，但僅僅通過顆粒分析試驗(yàn)只能得到粒徑的大小分布。本文通過對(duì)某尾礦庫的詳細(xì)勘察，采用勘探、取樣、原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了該尾礦堆積體的沉積規(guī)律，為尾礦庫的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供技術(shù)資料。

1 項(xiàng)目概況

某山谷型尾礦庫用于堆存鐵礦石尾礦，由初期壩及尾礦堆積組成。堆積壩采用上游法筑壩工藝，由尾礦砂堆積而成，設(shè)計(jì)最終堆積壩標(biāo)高為230 m，總壩高114 m，總庫容8.89×107m3，為二等尾礦庫。目前尾礦堆積壩頂標(biāo)高已達(dá)210 m，沉積灘頂標(biāo)高約208 m。為滿足尾礦庫加高擴(kuò)容需要，應(yīng)進(jìn)行全面勘察并進(jìn)行穩(wěn)定性專項(xiàng)評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證壩體的穩(wěn)定性和確定后期的處理措施，全面勘察應(yīng)查明尾礦堆積體的組成、密實(shí)程度及其沉積規(guī)律。

2 研究方法

研究采用勘探、原位測(cè)試（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、波速試驗(yàn)）與室內(nèi)試驗(yàn)（常規(guī)土工試驗(yàn)、加壓滲透試驗(yàn)）相結(jié)合的方法。勘察共布置3 條勘探線，其中主勘探線下游端達(dá)到初期壩趾下游，上游端達(dá)到尾礦庫水位線，勘探點(diǎn)間距30～60 m，勘探孔深度進(jìn)入原天然地面下1～2 m，沉積灘內(nèi)控制性勘探孔深度進(jìn)入原天然地面下5～8 m，堆積壩上控制性勘探孔深度進(jìn)入原天然地面下15～20 m。所有鉆孔均測(cè)定地下水位，均取樣，所有標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)均采取擾動(dòng)樣。在主要勘探線上布置不少于1/2 勘探點(diǎn)進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，在不少于1/2 的鉆孔中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

在地下水位以上采用干鉆，查明地下水位，并與尾礦庫浸潤線監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。

采用鉆孔中內(nèi)置環(huán)刀的原狀取砂器及沉積灘探槽內(nèi)環(huán)刀法采取原狀尾礦砂試樣，從標(biāo)準(zhǔn)貫入器中采取擾動(dòng)尾礦砂試樣，取樣的豎向間距1～3 m。

在鉆孔中進(jìn)行波速測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，在鉆孔旁進(jìn)行雙橋靜力觸探試驗(yàn)。

對(duì)尾礦砂進(jìn)行有關(guān)項(xiàng)目的室內(nèi)土工試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其物理力學(xué)性質(zhì)。

3 尾礦堆積沉積規(guī)律

3.1 尾礦堆積壩筑壩工藝

堆積壩采用上游法堆筑，用推土機(jī)筑子堤。在子壩頂均勻放礦，尾礦顆粒通過水力輸送管道從選礦廠輸送到壩頂，然后通過與輸送管道相連接的放礦支管分散排放到尾礦池內(nèi)，形成由壩頂向池內(nèi)傾斜的尾礦沉積灘，沉積灘坡度自壩頂向池內(nèi)逐漸變緩，這樣形成了由初期壩壩頂向上游逐級(jí)堆積的呈階梯狀的尾礦堆積壩。

3.2 尾礦成分

選礦廠礦石為含鐵石英巖，尾礦中所含礦物主要有：磁鐵礦、黃鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、長(zhǎng)石、石英、云母、輝石、角閃石等。

入庫尾礦-200 目粒度含量為69.2%，粒徑范圍0～0.85 mm 之間，平均粒徑0.075 mm，尾礦干密度為1.60 g/cm3。

根據(jù)勘探揭露結(jié)果，尾礦堆積材料主要由尾中砂及尾粉細(xì)砂組成，局部夾互層狀尾礦土薄層，具傾向庫內(nèi)的細(xì)微交錯(cuò)層理。

3.3 尾礦堆積體沉積規(guī)律

尾礦排放時(shí)，礦漿通過放礦支管由沉積灘頂向庫內(nèi)排放，形成由灘頂向庫內(nèi)傾斜的沉積灘面，放礦管的直徑將直接影響到沉積灘的縱坡，放礦管細(xì)時(shí)，粗粒尾礦多集中在放礦口附近，沉積縱坡比較陡，增大放礦管可降低沉積灘坡度，增加干灘長(zhǎng)度。此外，放礦管間距、開啟的順序與位置、持續(xù)時(shí)間、漿液的濃度等都影響著沉積灘的縱坡度及干灘的長(zhǎng)度。漿液的粒度、尾礦庫的排水系統(tǒng)直接影響著庫內(nèi)水位的高低，又反過來影響尾礦的沉積速率。

在礦漿的沖擊下，沉積灘面形成樹枝狀沖溝，尾礦在沉積過程中，水流沿沖溝方向形成傾向庫內(nèi)的沖積扇，一般在放礦口附近及主流方向上，流速大，粗顆粒礦物先沉積，向兩側(cè)及下游方向，水流變慢，細(xì)顆粒礦物慢慢沉積，直到庫水位內(nèi)沉積尾礦泥。在同一級(jí)堆積壩上大體上形成了自壩頂向庫內(nèi)顆粒逐漸由粗變細(xì)，自壩頂向下顆粒逐漸由粗變細(xì)的沉積規(guī)律。同時(shí)，由于放礦管的交替打開，往往新開放礦管的尾礦又覆蓋了先沉積尾礦，如此重復(fù)交叉的沉積在微觀上形成了尾礦粒度粗細(xì)交錯(cuò)的層理。由于上述放礦規(guī)律，尾礦成層狀向壩內(nèi)延伸，顆粒分配大體上與壩面以及堆積壩外坡面平行。

從尾礦庫干灘內(nèi)按一定距離采取表層尾礦砂試樣，通過顆粒分析試驗(yàn)研究尾礦砂沿沉積灘表層的沉積規(guī)律。從干灘內(nèi)鉆孔中采取不同深度的尾礦砂試樣，通過顆分試驗(yàn)研究尾礦砂的豎向沉積規(guī)律。根據(jù)顆分試驗(yàn)得到尾礦砂平均粒徑指標(biāo)的變化特征曲線（見圖1、圖2）。

圖1 沉積灘表層尾礦砂平均粒徑d50 變化特征曲線

圖2 尾礦砂平均粒徑d50 沿深度變化曲線

通過沉積灘表層尾礦砂平均粒徑d50變化特征曲線（見圖1）可知：自沉積灘頂向庫內(nèi)方向，尾礦砂的粒徑逐漸由粗變細(xì)。通過尾礦砂平均粒徑d50沿深度變化曲線（見圖2）可知：自沉積灘面向下，尾礦砂沿深度方向的粒徑總體上由粗變細(xì)。

4 尾礦堆積材料的物理力學(xué)性質(zhì)

4.1 尾礦堆積材料的原位測(cè)試結(jié)果分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

在鉆孔中對(duì)尾礦堆積體自上而下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)并劃分尾礦砂密實(shí)度。圖3 為尾礦砂標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)隨深度的變化曲線。

圖3 尾礦砂標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)隨深度變化曲線

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，沉積灘內(nèi)松散-稍密狀態(tài)的尾礦砂深度一般不超過12 m，多數(shù)在7～8 m 以內(nèi)，20 m 以下的尾礦砂均處于密實(shí)狀態(tài)。除局部尾礦土夾層的影響鉆孔外，尾礦砂的密實(shí)度總體上隨深度的增大而增大。

（2）雙橋靜力觸探試驗(yàn)

在鉆孔附近進(jìn)行了雙橋靜力觸探對(duì)比試驗(yàn)，錐頭阻力及側(cè)壁摩阻力數(shù)值開始隨深度增加很快，反映出庫區(qū)尾礦砂層由上部的松散-稍密層漸變?yōu)橄虏恐忻?密實(shí)層的過程，然后錐頭阻力及側(cè)壁摩阻力數(shù)值增加，曲線變陡，但依然呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。總體來說，整個(gè)尾礦砂層的密實(shí)度是隨深度逐漸增大的，同一尾礦砂層在不同觸探孔位置上，水平方向存在一定差異性，局部尾礦砂層中夾有尾礦土薄層。隨著深度的增大，當(dāng)觸探至尾黏性土與尾粉細(xì)砂交互層時(shí)錐頭阻力及側(cè)壁摩阻力及曲線波動(dòng)性大，且錐頭阻力及側(cè)壁摩阻力數(shù)值明顯減小，但土的密實(shí)趨勢(shì)保持不變。尾礦砂典型靜力觸探曲線見圖4。

圖4 尾礦砂典型靜力觸探曲線

（3）鉆孔波速測(cè)試

采用人工激震單孔檢層法進(jìn)行了鉆孔波速測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果和波速曲線(見圖5）可見，排除局部尾礦土夾層的影響，尾礦堆積體的剪切波速值總體上隨著深度的增加而增大，這與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)和雙橋靜力觸探試驗(yàn)曲線隨深度的變化的趨勢(shì)是一致的。

圖5 剪切波速隨深度變化曲線

4.2 尾礦堆積材料的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）一般物性試驗(yàn)

對(duì)鉆孔及探槽內(nèi)采取的原狀尾礦砂試樣進(jìn)行了一般物性試驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 尾礦砂一般物性試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表1，結(jié)合堆積體沉積規(guī)律，天然狀態(tài)下尾粉細(xì)砂在含水量、飽和度、密度方面普遍比尾中砂高，而孔隙比低，反映出尾礦砂密實(shí)度自上而下逐漸增大的趨勢(shì)。

（2）相對(duì)密度試驗(yàn)

為了獲取各層尾礦砂的相對(duì)密度Dr，室內(nèi)分別對(duì)尾中砂和尾粉細(xì)砂進(jìn)行了相對(duì)密度試驗(yàn)，最小干密度（ρd,min）試驗(yàn)采用量筒法，最大干密度（ρd,max）試驗(yàn)采用振動(dòng)錘擊法，各層尾礦砂的相對(duì)密度Dr計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 尾礦砂相對(duì)密度Dr 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2，結(jié)合堆積體沉積規(guī)律，天然狀態(tài)下尾粉細(xì)砂的相對(duì)密度普遍高于尾中砂，反映出尾礦砂密實(shí)度自上而下逐漸增大的趨勢(shì)。

（3）顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法對(duì)尾礦砂試樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，對(duì)尾礦砂進(jìn)行定名并獲得各項(xiàng)級(jí)配指標(biāo)，圖6-圖8分別為現(xiàn)狀沉積灘內(nèi)尾礦砂的有效粒徑d10、平均粒徑d50和不均勻系數(shù)Cu的分布特征散點(diǎn)圖。

圖6 尾礦砂有效粒徑d10 分布特征散點(diǎn)圖

圖7 尾礦砂平均粒徑d50 分布特征散點(diǎn)圖

圖8 尾礦砂不均勻系數(shù)Cu 變化特征散點(diǎn)圖

由圖6-圖8 可見，沉積灘內(nèi)尾礦砂的有效粒徑d10變化區(qū)間為0.075～0.190 mm，平均值為0.089 mm，大部分尾礦砂的有效粒徑d10集中于0.075～0.100 mm；尾礦砂的平均粒徑d50變化區(qū)間為0.077～0.691 mm，平均值為0.271 mm，大部分尾礦砂的平均粒徑d50集中于0.077～0.40 mm；尾礦砂的不均勻系數(shù)Cu變化區(qū)間為2.77～10.47，平均值為4.87，大部分尾礦砂的不均勻系數(shù)Cu集中于3.47～6.00。

（4）室內(nèi)加壓滲透試驗(yàn)

采用室內(nèi)加壓滲透試驗(yàn)，獲得尾礦砂在不同上覆有效壓力作用下的豎向滲透系數(shù)kv，繪制尾中砂和尾細(xì)砂的孔隙比e隨壓強(qiáng)P的變化關(guān)系曲線和豎向滲透系數(shù)kv隨壓強(qiáng)P的變化關(guān)系曲線（見圖9、圖10）。

圖9 尾礦砂孔隙比e 隨壓強(qiáng)P 的變化關(guān)系曲線

圖10 尾礦砂豎向滲透系數(shù)kv 隨壓強(qiáng)P 的變化關(guān)系曲線

由圖9、圖10 可以看出，尾礦砂孔隙比e和豎向滲透系數(shù)kv均隨著壓強(qiáng)P的增大而減小，但減小的幅度逐漸降低。隨著深度增加，尾礦砂的密實(shí)度逐漸增加，而豎向滲透系數(shù)kv逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。

5 尾礦庫的滲流特征

由于尾礦堆積過程中粒徑具有縱向及垂向上從粗到細(xì)的宏觀沉積規(guī)律，又具有尾礦無規(guī)律排放導(dǎo)致的粗細(xì)交錯(cuò)互層的微觀沉積規(guī)律，導(dǎo)致了尾礦堆積體內(nèi)水位的復(fù)雜性；受到多個(gè)沉積韻律中尾礦土的影響，鉆孔中淺部經(jīng)常可觀測(cè)到多個(gè)初見水位，穩(wěn)定水位遠(yuǎn)低于初見水位，在庫區(qū)水位線以下也是如此，造成水位以下的部分尾礦砂并非處于飽和狀態(tài)。由于交錯(cuò)層理的存在，含水層的豎向滲透性一般小于水平滲透性，水的下滲較慢，特別是在放礦期間，尾礦堆積體內(nèi)觀測(cè)到的初見水位往往較高，常以層流的形式流動(dòng)。另外由于放礦量的大小、礦漿濃度高低、排回水系統(tǒng)的有效性、季節(jié)性雨水等因素的影響，導(dǎo)致尾礦堆積體內(nèi)的水位變化較大，使得水的滲透途徑極其復(fù)雜。

壩體浸潤線的總體狀態(tài)是：從沉積灘內(nèi)到初期壩，浸潤線的坡度隨尾礦沉積層堆積地形變化而變化，從緩傾斜逐漸變?yōu)槎竷A斜，一般在尾礦沉積灘內(nèi)的浸潤線平均水力坡度較緩，在灘頂附近坡度變陡。

6 結(jié)論

（1）受筑壩工藝影響，尾礦在沉積過程中，沿水流方向形成傾向庫內(nèi)的微細(xì)交錯(cuò)層理；自沉積灘頂向庫內(nèi)方向，自灘面向下，尾礦砂的粒徑總體上呈由粗變細(xì)的規(guī)律。

（2）從原位測(cè)試數(shù)據(jù)反映，尾礦砂密實(shí)度在上部增長(zhǎng)很快，中下部增長(zhǎng)緩慢，總體上整個(gè)尾礦砂層的密實(shí)度是隨深度逐漸增大的；同一尾礦砂層在不同位置局部夾有尾礦土薄層，水平方向存在一定差異性。

（3）從室內(nèi)一般物性試驗(yàn)及相對(duì)密度試驗(yàn)反映，尾中砂的密實(shí)度指標(biāo)普遍低于尾粉細(xì)砂，反映出尾礦砂密實(shí)度自上而下逐漸增大的趨勢(shì)。

（4）根據(jù)室內(nèi)加壓滲透試驗(yàn)，尾礦砂孔隙比e和豎向滲透系數(shù)kv均隨著壓強(qiáng)P的增大而減小，并最終趨于穩(wěn)定，即密實(shí)度不再增加。

（5）由于尾礦的特殊沉積規(guī)律，導(dǎo)致了尾礦沉積層中水位和滲流的復(fù)雜性，但總體浸潤線坡度從沉積灘內(nèi)到初期壩由緩傾斜逐漸變?yōu)槎竷A斜。