2009-07-29 16:02 【大 中 小】【打印】【我要糾錯】
摘要:受尾礦物理力學性質(zhì)以及上游式尾礦堆積壩所處地理位置、特殊的水文地質(zhì)環(huán)境的控制,上游式尾礦堆積壩的變形(包括沉降與水平位移)是一個比較復雜的過程,但從沉降觀測的角度上看,還是有其規(guī)律性的,文章利用柿竹園煙沖溝尾礦庫的工程地質(zhì)勘察資料以及變形觀測資料對上游式上游式尾礦堆積壩的變形規(guī)律進行了分析,以期對該類壩型的管理工作以及安全穩(wěn)定性評價增添便利。
關(guān)鍵詞:尾礦庫;壩體變形規(guī)律;水平變形;時間演化特征;穩(wěn)定性
上游式尾礦堆積壩的變形觀測作為壩體穩(wěn)定性監(jiān)測的一個重要手段,通過對壩體在垂直與水平兩個方向的變形觀測,能夠及時發(fā)現(xiàn)壩體異動,及早采取措施,保證上游式尾礦堆積壩的安全。但上游式尾礦堆積壩的變形觀測數(shù)據(jù)往往比較凌亂,只憑單個的監(jiān)測數(shù)據(jù)很難作出準確的判斷,尤其是在安全評價時對上游式尾礦堆積壩作穩(wěn)定性分析的時候,面對大量的觀測數(shù)據(jù),或者是不連續(xù)的,或者是規(guī)律性不強的,怎么去判斷壩體是否趨于穩(wěn)定,就必須對上游式尾礦堆積壩沉降變形的一般規(guī)律有所了解,下面以柿竹園礦煙沖溝尾礦庫為例對上游尾礦庫壩體變形規(guī)律進行探討。
一、尾礦庫簡介
煙沖溝尾礦庫位于南嶺山脈中段北緣的低山區(qū)域,地勢為南高北低,兩岸多為陡峭的巖壁,部分為坡地,坡地植被發(fā)育。
該庫初期壩為粘土斜墻堆石壩,壩高24m,后期采用尾礦上游法堆壩,堆積邊坡1:4,設(shè)計尾礦最終堆積標高為600m,相應最大壩高102m。總庫容750萬立方米。該庫目前已堆筑至583米標高,總壩高85米,共堆積尾礦約430萬立方米。
。ㄒ唬⿴靺^(qū)地層條件
根據(jù)野外鉆探所揭露的地層為第四系坡積+洪積(Qdl+pl)層和泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(Dx2+3)中段石灰?guī)r。
庫區(qū)內(nèi)地下水分為上部水和喀斯特裂隙水兩種類型。
(二)尾礦堆積體
庫內(nèi)尾礦可分為松散尾粉砂、稍密尾粉砂、稍密尾亞砂,軟塑~流塑狀態(tài)尾輕亞粘、軟塑~流塑狀態(tài)尾重亞粘等5層。
二、變形觀測成果
從1990年開始,煙沖溝尾礦庫大壩上陸續(xù)設(shè)置了12個壩體變形觀測點,共分為三排,連續(xù)進行觀測,其記錄為22期,后在2004年又重新設(shè)置了四排17個觀測孔,具體為:A排與B排設(shè)置于初期堆石位置,其標高為539.00m左右,C排利用1990年設(shè)置的五個觀測點,其標高為555.00m,D排設(shè)置于569.00m標高位置,到2007年5月止,共進行了8期變形觀測,其間隔周期從半個月到6個月不等。
三、上游式尾礦堆積壩變形規(guī)律
上游式尾礦堆積壩為人工邊坡,受地形、堆積時間、放礦方式、滲流壓力、尾礦自重等影響,其變形較為復雜,為了方便,一般將其分為垂直沉降與水平位移兩大類,其變形存在以下規(guī)律:
。ㄒ唬┛臻g分布特征
水平位移。水平位移變形規(guī)律為:
。1)垂直壩軸方向上,從下至上,水平位移量與變形速率逐漸加大;
。2)在平行壩軸方向上,壩中間觀測點水平位移與變形速率比兩側(cè)觀測點大;
。3)D排點受壩頂放礦控制,局部出現(xiàn)水平位移負值。
說明尾礦壩受坡面效應的影響,產(chǎn)生水平力,導致了尾礦壩逐漸向下游方向變形;同時,在上部荷載改變時,尾礦壩體現(xiàn)出其適應應力變化的特性,在局部產(chǎn)生扭曲變形,也說明了此時期該處的垂直沉降占據(jù)主要地位,水平位移只是垂直沉降的附加效應。
。ǘ⿻r間演化特征
1.沉降變形。
。1)沉降大小與尾礦沉積的時間有很大的關(guān)系,沉積時間越長,其沉降值越小,速度越慢,反之,其沉降值越大,速度也越大,如C排與D排,其尾礦堆積厚度相差不大,但在沉降量上D排比C排大一倍多;
。2)在同一觀測點上,隨時間的推移,其沉降速率逐漸降低。
隨時間的推移與壩體逐漸加高,壩體沉降中心逐漸隨壩軸向上游推移,下游壩體則由于其上部荷載趨于穩(wěn)定,因而垂直沉降速率逐年減小。
2.水平位移。尾礦壩的水平位移隨時間的推移逐步加大,其變形速率為0.2~0.6mm/月,受雨季降水的影響:在雨季中后期由于地下水滲流壓力加大,各點的水平位移速率有加大趨勢,而在雨季過后,尾礦庫壩體內(nèi)浸潤線下降,滲流壓力減小,各點的水平位移速率回落,說明壩體水平位移主要受邊坡不均勻應力的影響,而地下水的滲流壓力的變化則會引起變形速率的振蕩。
。ㄈ┨厥馇闆r下的變形
由于該尾礦庫位于喀斯特地區(qū),壩體在570.00m標高曾多次發(fā)生壩體塌陷,在塌陷區(qū)將產(chǎn)生環(huán)形的變形區(qū)域,導致其附近的觀測點發(fā)生較大的垂直沉降與水平位移,甚至水平方向上還發(fā)生了較大的向上游偏移的變形。
壩體排滲設(shè)施的正常與不正常導致的浸潤線上下變化,同樣也會加大壩體的沉降,如1998年前后540標高處的大口排滲井正常工作后,此處的浸潤線得以下降,也就在此時,B排點處的沉降變形速率與水平位移速率突然加大,但此后又逐漸恢復了原有速度。
四、變形機理分析
尾砂堆積物屬欠固結(jié)土層,在自重應力下仍要固結(jié)壓密,而使地面緩慢下沉。其主要特性為壓縮性與固結(jié)性以及其他特性。
(一)壓縮性
尾礦是三相體,在荷載作用下的壓縮包括尾礦顆粒的壓縮、孔隙中水的壓縮和孔隙的減小。在一般情況下,尾礦顆粒和水本身的壓縮是可以忽略不計的,因此,尾礦沉積層的壓縮變形主要是由于水和空氣從孔隙中排出引起的。
尾礦砂與尾礦泥之間的物理力學性質(zhì)差異是影響壓縮指數(shù)的最基本因素;另一重要因素是尾礦砂和尾礦泥在沉積層中的密度或孔隙比,初始狀態(tài)越疏松或越軟弱,在荷載作用下壓縮越大。由于尾礦處于松散沉積狀態(tài),具高棱角性和獨特的級配特性,它們的壓縮性都比類似的天然土大。尾輕亞粘與尾重亞粘中因粘粒含量較高,孔隙的連通性較差,透水性小,壓縮性強,是尾礦壩沉降的最主要地層。
。ǘ┕探Y(jié)
固結(jié)既引起壩體和基礎(chǔ)沉降,又控制壩體和基礎(chǔ)穩(wěn)定性,是尾礦庫工程中最重要工程性質(zhì)之一。
按照太沙基理論,材料固結(jié)的時率可分作主固結(jié)和次固結(jié)階段。
主固結(jié)控制常荷載下孔隙壓力消散的速度,尾礦砂主固結(jié)發(fā)生很迅速,尾礦泥的固結(jié)系數(shù)處于與天然土相同的量級。
大多數(shù)類型尾礦,在常荷載下,甚至在主固結(jié)引起的孔隙壓力消散基本完成之后,次壓縮常產(chǎn)生連續(xù)變形,是由于荷載作用下連續(xù)的顆粒重新排列和顆粒間滑動造成的。
。ㄈ┢渌
由于尾礦庫區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件發(fā)生突變,或由于不良工程地質(zhì)條件的影響等,都有可能使尾礦堆積壩產(chǎn)生異常的沉降與水平位移;就煙沖溝尾礦庫而言,影響最大的不良工程地質(zhì)條件就是巖溶造成的壩體塌陷導致異常變形。
另外可能導致異常變形的還有壩體排滲設(shè)施失效所導致的壩體浸潤線升高,地表水流的沖蝕,人為破壞,地震、洪水等自然災害的影響。
五、變形與穩(wěn)定性關(guān)系
1.尾礦的沉降與固結(jié)將使尾礦的物理力學性質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn),對增強上游式尾礦堆積壩的穩(wěn)定性非常有利。
2.在空間上,壩體下游比上游沉降小,壩體兩側(cè)比壩中間部分沉降量小,再者受尾礦堆積層的物理力學性質(zhì)控制,軟弱層厚度大的地點其絕對變形值與變形速度都會較大,這些變形規(guī)律是我們研究上游式尾礦堆積壩穩(wěn)定性的重要依據(jù)。
3.隨著時間的推移,上游式尾礦堆積壩的變形將逐步變緩,尾礦庫停用后,其變形也將逐步趨于穩(wěn)定,在此過程中,發(fā)生的任何異常變形都可能是尾礦壩失穩(wěn)或出現(xiàn)其他事故的預兆,應引起足夠的重視。
六、結(jié)語
上游式尾礦堆積壩的變形遵循一定的規(guī)律,其與尾礦堆積規(guī)律、堆積時間以及尾礦庫所在地的水文工程地質(zhì)條件等有密切的聯(lián)系。
要想在工作中搞清楚上游式尾礦堆積壩變形,為尾礦庫的管理與安全評價等提供準確的信息,就必須查明尾礦庫區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件,查明尾礦的沉積規(guī)律及沉積時間,這就要求在尾礦庫的日常管理中必須建立尾礦庫的動態(tài)管理數(shù)據(jù)庫,建立一個比較固定的評價模式,從而使分析工作簡單化、快速化。
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作者簡介:郭朝陽(1971-),男,廣東韶關(guān)人,湖南有色冶金勞動保護研究院水工環(huán)地質(zhì)工程師,注冊土木(巖土)工程師,注冊安全工程師,一級建造師,研究方向:尾礦庫、水文工程地質(zhì)。
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