德兴铜矿4#尾矿坝高坝稳定性分析

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  【摘 要】在系统分析德兴铜矿4#尾矿坝工程地质特性和水文地质特性的基础上,采用极限平衡分析法对该尾矿坝高坝稳定性进行综合评价。分析结果表明,不考虑地震荷载作用,尾矿坝处于正常和洪水工况时,坝体在现有高度和筑坝条件下,尾矿坝是稳定的;但在全饱和工况下,尾矿坝可能会产生滑移破坏。假定发生Ⅶ度地震时,在地震荷载作用下,尾矿坝在正常、洪水和全饱和等三种工况运行时都不稳定。
  【关键词】尾矿坝;高坝;稳定性分析;极限平衡分析法
  Analysis of No. 4 Dexing copper mine tailings dam stability
  Yu Ke-jing Liu Jin-bao
  (Jiangxi Nuclear Industry 268 Geological Survey Institute Yushan Jiangxi 334700)
  【Abstract】Dexing Copper Mine in the analyst No. 4 dam engineering geological characteristics and hydrogeological characteristics, based on analysis using limit equilibrium stability of the tailings dam evaluation. The results show that, without regard to earthquake loading, tailings dam at the normal and flood conditions, the dam and the dam height in the existing conditions, the dam is stable; but in the whole saturation condition, the tailings dam may have slip failure. Assume VII degree earthquake, seismic loads, the dam under normal, flood and full saturation of three run-time conditions are not stable.
  【Key words】Mine end dam; High dam; Stability analysis; Limit equilibrium analysis
  1. 引言
  尾矿库是矿山生产中的重要设施,它是保证选矿厂正常作业、持续生产的必要条件,同时它又集安全、环保、资源储备于一身,是矿山经营管理中的一个重要课题。若发生溃坝事故,必将对下游地区人民生命财产造成巨大危害,环境遭受污染,矿山被迫停产,经济损失和政治影响均很严重。德兴铜矿4#尾矿坝是国内乃至亚洲最大的尾矿坝,鉴于近几年国内外尾矿坝溃坝事故频发,因此,对该尾矿坝高坝稳定性分析评价更显必要,一方面为该尾矿坝的防治提供依据,另一方面可为类似的尾矿坝稳定性分析提供借鉴。
  2. 工程概况
  4#尾矿坝位于德兴铜矿大山选矿厂以北的西源沟内。库内沟壑纵横,山林密布,主沟平均纵坡约0.01,沟底宽约200m,沟上游较开阔,坝址以上主沟长约5Km,汇水面积15Km2。尾矿坝址处地面标高72m,初期坝为粘土斜墙堆石坝,坝顶标高110m,后期坝采用两段旋流器分级尾矿中线法堆筑,设计最终拟堆坝标高280m,最大坝高208m,下游堆筑边坡为1:3,总库容约8亿m3,属一等尾矿库。
  该尾矿库尚在堆存,截至目前坝顶标高最高处已至218m,堆筑高度已达146m。
  3. 尾矿坝工程地质条件特征分析
  3.1 地形地貌特征。
  场区属丘陵地貌,地形较平缓,地形坡度10°~25°。尾矿库呈南北向展布,坝轴线呈东西向,尾矿坝地段地势南高北低。坝两侧小山岭呈NNE走向,山顶标高300~500m,中间主沟标高71~116m。目前南部为库区,中部为尾矿堆积坝,北部坝下游为农田及村庄,下游一带地势平缓开阔。这种平缓开阔地形有利于尾矿坝的稳定。
  3.2地层岩性特征
  尾矿堆积坝基底地层为震旦系双桥山群第四段(Z4sh)变质岩,其岩性为千枚岩,因初期坝施工前做过清基,因此,岩石风化程度较弱,岩体较完整。岩层走向260°~270°,倾向南(上游),倾角70°~75°,同时岩层表面波状起伏,但总体平缓,岩体的上述特征对尾矿坝的稳定十分有利。
  3.3 地质构造与地震。
  根据勘察成果,场区内存在两条断层:①F5断层,位于沟谷坝基,产状265°~275°∠50°~65°,属正断层。断层破碎带由碎裂岩和角砾岩组成,(Z4sh)变质岩,其岩性为千枚岩,因初期坝施工前做过清基,因此,岩石风化程度较弱,岩体较完整。岩层走向260°~270°,倾向南(上游),倾角70°~75°,同时岩层表面波状起伏,但总体平缓,岩体的上述特征对尾矿坝的稳定十分有利。
  3.4 地质构造与地震。
  根据勘察成果,场区内存在两条断层:①F5断层,位于沟谷坝基,产状265°~275°∠50°~65°,属正断层。断层破碎带由碎裂岩和角砾岩组成,挤压破碎剧烈,角砾呈棱角状,常见擦痕;胶结物为断层泥和氧化铁,胶结不紧密,破碎带铅直厚度1.40~2.30m。②F6断层,出露于西坝肩,产状110°~115°∠70°~80°,为平移断层,破碎带宽1.50~2.00m,带内岩石破碎,夹有断层泥。断层破碎带对尾矿坝的稳定性有一定影响。
  本区地震基本烈度小于Ⅵ度。
  3.5 尾矿坝沉积特征。
  该尾矿坝采用中线法堆积,根据勘察成果尾矿具有以下沉积特征:(1)从坝区至库内,尾矿由粗变细的趋势非常明显;从上到下,尾矿由粗变细的趋势不明显;(2)沉积滩形态舒缓,坡度较小;(3)以初期坝为界,标高130m以下的尾矿堆积体以尾粉土、尾粉质粘土及尾粘土为主,沉积颗粒相对较细,少见尾细砂;而标高在130m以上的尾矿堆积体主要为尾细砂、尾粉砂及尾粉土,少见尾粉质粘土;(4)原始地形为凹形地段中,易沉积颗粒较细的尾粉质粘土及尾粘土;(5)在尾矿库底部存在一层尾粉质粘土与尾粘土,厚度一般约10m,局部地段可达50m,由于该层位于尾矿堆积体底部,在上部压力作用下变得较密实。以上沉积特征有利于提高坝体的稳定性。
  4. 水文地质条件特征分析
  4.1 地下水类型及补给排泄特征。
  尾矿库地下水主要赋存于尾矿(包括尾矿砂和尾矿土)中,尾矿为强透水层,下伏千枚岩可视为隔水层。地下水类型为孔隙潜水,地下水主要由放矿水和大气降水补给。
  场地属丘陵地貌,沟壑纵横,尾矿库内及周边设置有完善的防洪排水设施,因此,4#尾矿库迳流排泄条件良好,有利于尾矿坝的稳定。
  4.2 浸润线特征。
  根据勘察成果,尾矿库浸润线总体埋深24.00~99.80m,其中库区41.70~52.00m,坝区24.00~99.80m。库区干滩长、浸润线较平缓,跨过尾矿堆积坝轴线后急剧下跌,呈陡曲线出现,且浸润线普遍低位运行,对尾矿坝的稳定十分有利,东岸局部坝段浸润线偏高,是坝坡稳定的薄弱坝段。
  5. 尾矿坝稳定性分析
  5.1 计算条件。
  根据中国地震烈度区划图(1990年),德兴铜矿区地震基本烈度小于Ⅵ。而据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)总则规定,设计烈度为Ⅵ度时,可不进行抗震计算分析,但考虑该尾矿坝堆积高度已达146m,基于安全此处地震基本烈度按Ⅶ度考虑,水平方向地震系数取0.1,垂直方向地震系数取0.067。
  在该尾矿坝稳定性分析中,考虑四种运行情况:(1)尾矿库处于正常工作状态,采用实测浸润线位置;(2)在洪水运行条件下,按一级尾矿坝最小安全超高(1.5m)考虑,采用计算的浸润线位置,其中1-1剖面实际坝高浸润线计算结果见图1,其他剖面洪水运行条件下浸润线计算结果不再重复给出;(3)考虑全饱和情况下;(4)考虑地震烈度为Ⅶ时,地震力作用下的上述三种运行情况。
  室内土工试验结果表明,尾矿坝主要材料为尾粉土和尾粉砂。高压三轴实验结果显示,该尾矿坝在埋深58m附近尾矿的力学强度指标产生拐点,因此认为:埋深在0~58m时,尾粉土和尾粉砂抗剪强度取上部值;当埋深大于58m时,尾粉土和尾粉砂抗剪强度取下部值。本次稳定性分析采用的土性参数指标见表1,动强度参数取值参照表2。
  综合系统分析4#尾矿坝勘察获得的3个工程地质剖面资料,本次尾矿坝稳定性分析计算剖面采用实际工程地质剖面图(见图2),它可以反映坝体的真实情况。
  5.2 分析方法。
  极限平衡分析法是尾矿坝稳定性分析最常用的方法,因考虑条块间力的假定条块及破坏面形状的不同,极限平衡法形成了分析圆弧滑动面的Bishop法、分析任意形状滑动面的Sarma法、Janbu法、余推力法和Gle/morgenstern-price法。各计算方法假设条件不同,决定了这些方法的计算精度及适用范围的不同。本次4#尾矿坝稳定性分析采用了Bishop、Janbu及Gle/morgenstern-price法。
  5.3 计算结果及分析评价。
  根据确定的分析方法、计算剖面、计算参数与运行情况,在不考虑地震作用和考虑地震作用对坝体的影响情况下,其计算结果分别见表3和表4。
  依据表3表4所示的极限平衡法计算成果,对德兴铜矿4#尾矿坝稳定性评价如下:
  5.3.1 静力条件,不考虑发生地震情况下:(1)尾矿坝正常运行时,三个剖面的坝体抗滑安全系数大于1.3,基本能满足设计规范要求,坝体处于稳定状态;(2)尾矿坝在洪水期运行时,三个剖面的坝体抗滑安全系数均大于1.2,可满足设计规范要求,坝体处于稳定状态;(3)尾矿坝全饱和运行时,1-1和3-3剖面上部安全系数大于1.1,基本能满足特殊情况下设计规范要求,但其中、下部安全系数非常小,不能满足设计规范要求;2-2剖面上部和下部坝体的抗滑安全系数均不能满足设计规范要求,可能会产生滑移破坏。
  5.3.2 假定发生Ⅶ度地震时,不同工况时,由于地震荷载的作用,坝体稳定性降低,具体表现在:(1)尾矿坝正常运行时,三个剖面上部安全系数能满足设计规范要求,但其中、下部安全系数小于1.3,坝体处于不稳定状态;(2)尾矿坝处于洪水运行工况时,1-1和2-2剖面上部安全系数大于1.2,能满足设计规范要求;但其中下部安全系数小于1.2,此时坝体不能满足设计规范要求;3-3剖面上、下部坝体抗滑安全系数都大于1.2,能满足设计规范要求;(3)尾矿坝处于全饱和工况时,三个剖面坝体安全系数均小于1.1,不能满足设计规范要求。
  6. 结论
  6.1 尾矿库地处丘陵地貌,坝址主沟段地基地势平缓开阔;尾矿坝地基基岩为千枚岩,风化程度弱,岩体较完整,强度高。它们为尾矿坝的安全稳定提供了良好的地基地形和地基岩性条件。地基基岩岩层倾向南,倾角陡,且与主沟坡向相反,有利于尾矿坝的稳定;场区内发育两条断裂带,带内岩石破碎,夹有断层泥,对尾矿坝的稳定有一定影响。
  6.2 由于该尾矿坝采用旋流器分级尾矿中线法堆筑工艺,坝体尾矿材料主要是尾粉砂,而库内沉积尾矿则含有大量的尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土等,坝体的堆筑尾矿粒度大于库内的沉积尾矿,排渗条件较好,有利于坝体的稳定。
  6.3 由于尾矿坝主 沟段初期坝下游坝基上设置了排渗褥垫,且目前工作状况良好,其它防洪排渗设施完善,因此,尾矿库目前具有库水位低、干滩长等特点,这些均有利于尾矿坝的稳定。
  6.4 综合极限平衡分析法的计算分析评价成果,它表明在目前堆筑条件下,只要浸润线不超过洪水高度,不出现突发超常事故,尾矿坝是稳定的;在假定发生Ⅶ度地震时,尾矿坝在正常、洪水和全饱和状态下运行都处于不稳定状态。
  参考文献
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  [文章编号]1006-7619(2010)05-25-460
  [基金项目]江西省核工业地质局科技创新基金项目
  [作者简介] 余克井,(1964-),男,地调院副院长、总工程师,主要从事地质勘查、岩土工程勘察、地质灾害评估和水工环地质调查研究工作。
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