尾矿堆积坝稳定性评价岩土工程勘察报告.docx
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尾矿堆积坝稳定性评价岩土工程勘察报告
×××××××××××××有限责任公司
×××尾矿堆积坝稳定性评价
岩土工程勘察报告
×××××××××××有限公司
2007年7月1日
文字部分
附件：
岩土工程勘察任务委托书
图表部分
序号
图表名称
张数
附录№
1
勘探点主要数据一览表
1
1
2
工程地质平面图
1
2
3
工程地质剖面图
3
3-1～3-3
4
土工试验成果报告
3
4-1～4-3
5
单环注水试验成果
3
5-1～5-3
6
水质分析报告
2
6-1～6-2
7
土易溶盐含量分析报告
2
7-1～7-2
8
渗流分析计算图
3
8-1～8-3
9
稳定性计算图
9
8-4～8-18
1前言
*************有限责任公司***尾矿堆积坝稳定性评价岩土工程勘察工作，是根据该公司提出的岩土工程勘察任务委托书技术要求，并受*********有限责任公司委托，由我院于2007年6月完成。
1.1工程概况
***银花钒矿位于***省***县银花镇梅子沟村，尾矿库位于梅子沟西侧的***，处于糜子沟主沟道。
原***坝80年代修建，现无设计资料，该坝原为水库。
根据现场踏勘及甲方提供资料知，***初期坝为重力砌石夹心不透水坝，坝高约22.0m，坝底宽约23.0m，坝顶宽3.0m。
坝顶轴线长62.0m，坝顶高程598.0m，坝下脚线高程为576.3m，库容约12万m3。
该矿从1998年开始向库内排放尾矿渣，采取坝后任意排放。
目前库内尾矿渣堆放高程595.51～598.62m，距坝顶平均高程约1.3m，整体呈坝前低，坝后高。
该坝于2006年停用，并进行了闭库设计。
目前新的尾矿库正在筹备修建之中，为保证矿山正常生产经营，拟将该库做为临时过渡尾矿库，据设计初步估算，坝体拟加高3～10m。
该尾矿库排洪系统采用排洪涵洞，排洪涵洞建设在西侧，防洪标准为100年一遇。
加高3～8.0m时，按《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）第4.1条划分，加高后的尾矿库为五等库。
加高＞8m时，按《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）第4.1条划分，加高后的尾矿库为四等库。
1.2勘察技术要求
1）查明尾矿库存在的不良地质作用，评价不良地质作用对堆场的影响，提出合理的防治措施；
２）查明尾矿库的地层、岩性，提供尾矿土常规物理力学指标、颗分、渗透系数及抗剪强度指标（C、Φ值）；
３）查明目前标高下尾矿库地下水位（浸润线）及变化规律；
４）提供尾矿库所在区域的地震烈度及地震动参数，评价堆场的地震效应；
5）分析评价已运行坝体的稳定性，继续加高坝体的适宜性和稳定性。
6）对尾矿库使用提出合理的工程措施或建议。
1.3勘察工作执行的主要技术标准
1）《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）；
2）《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）；
3）《岩土工程勘察技术规范》（YS5202-2004）；
4）《构筑物抗震设计规范》（GB50191-93）；
5）《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）；
6）《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）；
7）《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）。
报告书中引用上述标准时均以其编号简称。
1.4勘察方法及完成工作量
本次勘察采用工程地质测绘、钻探、原位测试和室内土工试验相结合的方法进行。
1.4.1工程地质测绘
在收集场地已有资料的基础上，通过实地调查，查明场地地形地貌、地质界线，查明库区、坝体及其附近有无影响其稳定性的不良地质作用，重点对坝体的稳定状况进行调查。
测绘精度1:
1000，成图精度1:
1000，采用仪器法及半仪器法进行，其成果反映在工程地质平面图上（见附录№2）。
1.4.2钻探
垂直于坝轴线布置勘探线3条，每条勘探线上布置不少于4个勘探点，共布置13个勘探点。
勘探点间距30～50m，钻探的目的是查明尾矿的沉积规律、胶结程度及其物理力学性质指标，查明坝体内浸润线位置，采取土试样和进行原位测试，获得堆场稳定性分析剖面。
钻探施工采用两台XY-1型钻机，采用套管护壁钻进，开孔直径130mm，终孔直径110mm。
共完成钻孔7个，孔深10～20m。
1.4.3取土试样
为取得尾矿土的物理力学性质指标，在6个钻孔中进行了岩土取样，共采取不扰动试样11件，扰动试样44件，取样间距为1.5~2.0m。
不扰动试样采用薄壁取土器静力压入法或重锤轻击法采取，土样质量为Ⅰ～Ⅱ级。
1.4.4原位测试
1）标准贯入试验
为评价尾矿砂的密实度，对尾矿进行分层，在所有勘探点均进行了标准贯入试验。
标贯间距1.5~2.0m。
标准贯入试验次数16次。
2）圆锥动力触探试验
在碎石土中进行了重型圆锥动力触探试验，锤重63.5kg，落距76cm，探头直径74mm，锥角60○，用球式自动抓脱钩装置。
3）现场试验
为查明废渣的渗透系数，进行现场注水试验。
为查明废渣的物理力学参数，现场进行天然重度试验和天然休止角试验。
4）室内土工试验和水质分析
本次勘察室内土工试验项目为常规土分析（含水量、孔隙比、密度等），此外还进行了直剪、颗分等特殊性试验。
为评价堆场水、土对建筑材料的腐蚀性，进行了堆场土的腐蚀性和水质分析试验。
土工试验和水质分析执行《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）规程。
完成的勘察工作量汇总于表1.4。
1.5有关说明
1）勘探点位置，是根据甲方提供的1：
500《封库平面布置图》中已有建筑物的相对位置，用钢尺量测施放的。
2）勘探点高程是以甲方提供的《封库平面布置图》初期坝顶面BM1标高（598.0m）为基准引测的。
各钻孔坐标是以BM1点坐标（X：
5000.00，Y：
5000.00）图解获得。
表1.4
序号
工作内容
单位
数量
1
工程地质测绘
km2
0.008
2
勘探点测放
个
13
3
钻探
m/孔
113/7
4
取土试样
扰动样
件
44
不扰动样
件
11
5
原位测试
标准贯入试验
次/孔
13/5
圆锥动力触探试验
m/孔
14/4
试坑单环注水试验
处
3
天然密度试验
处
4
6
室内土工试验
常规项目
件
48
直剪试验（饱和固结快剪）
组
7
颗粒分析
件
27
7
取水及水质分析
件
2
8
土易溶盐含量分析
件
2
2场地工程地质条件
2.1地形及地貌
尾矿库所在的梅子沟地形切割剧烈，坡度一般为25~35°,最大50°，地形总体上呈东北高西南低态势，沟谷形态呈“U”字形。
地表沟谷属季节性支流,干旱季节见断流现象。
地面标高介于575.00～619.00m，地貌单元属中低山区。
2.2区域地层
据本次地质调绘及勘探揭露结果，堆场底部地层为第四系全新统坡、洪积（Q4dl+pl）碎石类土，其下部为二叠系杂色千牧岩和泥质灰岩。
2.3区域地质构造
由收集到的1∶100000地质构造图及资料可知，场地地质构造单元属秦祁地槽东秦岭褶皱系之印支褶皱带，位于两河—凤镇—牛耳关—朱林关复活断裂带南侧，次级构造复杂，坝址及库区内无断层通过。
3堆场工程地质条件
3.1堆场形态
梅子沟***尾矿坝为重力砌石夹心坝，坝后堆积。
沟谷横断面呈“V”字型。
堆积坝呈西南—东北走向，南北长约90.0m，东西长约65.0m，坝顶标高为598.0m。
库内滩面呈南高北低，滩面标高约595.51m～598.62m。
3.2堆积方式
尾矿的堆积方式为坝后堆筑，尾矿和水的混合物通过坝内水沟向堆场内排放，尾矿经过沉淀后自然沉积在堆场内，水经卧式排渗管排出，流入坝下游排水渠。
3.3堆场地层
据勘探揭露，场地内尾矿堆积物总体规律是：
颗粒组成自坝体附近向尾矿库内由细变粗。
上部颗粒较粗，为尾矿砂，中间夹有碎石，下部颗粒变细，为尾矿土，薄层互层现象较为普遍。
各层尾矿土野外特征描述如下：
①层尾矿泥（Qml）：
红色，饱和，软～流塑状。
层厚1.60～7.00m，层底标高介于588.51～594.18m。
②层尾砾砂（Qml）：
红色，混粒结构，含20%～30%圆砾，含粘土少许，松散。
层厚3.0～6.2m，层底标高介于583.01～594.75m。
③层尾圆砾（Qml）：
青灰色，混粒结构，含30%碎石，一般粒径5～20㎜，最大粒径50㎜，稍密。
层厚1.5～8.50m，层底标高介于581.51～590.02m。
④层尾粉质粘土（Qml）：
红色，，夹粘土薄层，饱和，可塑。
层厚1.00～3.00m，层底标高介于578.51～583.75m。
④-1层尾细砂（Qml）：
黄色，混粒结构，含少量碎石，松散。
层厚2.00～2.70m，层底标高介于585.25～587.32m。
⑤层灰岩（D2X）：
青灰色～灰绿色，隐晶结构，坚硬，中风化。
本层未穿透。
坝体填土（Qml）：
黄色，土质较均，含有少量碎石，饱和，可塑。
上述各层尾矿土的层位组合及埋藏条件详见附录№3-1～3-5。
3.4不良地质作用
根据工程地质测绘，尾矿库及其附近地段未发现不良地质作用迹象，因而可不考虑不良地质作用的影响。
3.5地下水
堆场停止运营期间，库区内有沟道水补给，坝内西边有一定长度的水滩（勘察期间实测水滩长度约40m）。
勘察期间，实测堆积坝浸润线埋深介于0.3～3.3m，标高595.31～597.07m。
水位纵向变化不大，总体上呈上游高、下游低，库内高、坝前低的趋势。
堆体内地下水为赋存于尾矿土中的潜水。
其补给源为生产排放尾矿水及大气降水。
堆场内水的排泄主要为原水库卧式排渗管排出。
4拦洪坝场地工程地质条件
拟建拦洪坝位于尾矿库内西南方向，该场地地质条件主要为：
碎石（Q4dl+pl）：
主由千牧岩和灰岩碎块组成，呈圆角状，一般粒径10～50cm，最大粒径约120cm，充填约10％的中细砂，稍密～中密。
层厚约0.50m。
灰岩（D2X）:
青灰色，岩性完整，坚硬，隐晶质结构，块状构造。
5物理力学性质指标
5.1尾矿土的物理力学性质指标
根据室内土工试验成果和现场密度试验（见附录№4-1～4-3），将各层尾矿土的物理力学性质指标进行了统计，其结果列于表5.1。
5.2尾矿土的抗剪强度指标
本次勘察对④层尾粉质粘土和坝体土样进行固结快剪，试验结果经统计列入表5.2：
室内饱和固结快剪试验指标统计表5.2
地层
统计指标
统计值
范围值
m
④
粘聚力Cuu（kPa）
1
37
37
内摩擦角
uu（°）
1
24.8
24.8
初期坝
粘聚力Cuu（kPa）
2
27.0～50.0
39
内摩擦角
uu（°）
2
20.2～21.3
20.8
5.3标准贯入试验锤击数
根据标准贯入试验结果，经数理统计得尾矿砂的标准贯入试验击数指标统计值列于表5.3。
实测标准贯入试验击数
值统计 表5.3
（击）统计指标
地层编号
范围值
m
尾砾砂②
13
6～11
8.1
1.26
0.16
注：
---频数；
m---平均值；
---标准差；
---变异系数。
5.4重型动力触探试验代表值
根据动探试验结果，经数理统计得尾圆砾的动力触探试验击数指标统计值列于表5.4。
重型动力触探试验击数
值统计 表5.4
（击）统计指标
地层编号
范围值
m
尾圆砾③
14
8～11
9.0
1.17
0.13
注：
---频数；
m---平均值；
---标准差；
---变异系数。
5.5渗透性
为查明堆场内尾矿砂的渗透性，进行了现场单环注水试验（见附录№4-10～4-12），试验结果列于表5.5，。
现场单环注水试验渗透系数k（cm/s）表5.5
地层编号
统计值
渗透系数k
m
尾砾砂②
3
5.3×10-2～5.9×10-2
5.57×10-2
表5.54结果表明：
野外注水试验测得的垂直渗透系数k为5.3×10-2~5.9×10-2cm/s，尾矿砂属强透水土层。
6场地水、土对建材腐蚀性评价
按《GB50021-2001》规范附录G，场地环境类别属Ⅱ类。
根据场地2件水质分析报告（见附录№5-1～5-2），按上述规范表12.2.1、表12.2.4及表12.2.5-1判定：
场地地下水对混凝土结构无腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。
根据土易溶盐含量分析报告（见附录№5-3～5-4），按上述规范判定，尾矿土对混凝土结构无腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。
7场地地震效应
7.1尾矿坝分级及场地分类
根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）第4.1-4.2规定，该尾矿坝属4级构筑物。
根据堆场岩土工程地质特性，按《GB50191-93》规范附录F规定，该尾矿坝抗震等级为四级。
7.2地震动参数
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），堆场所在区域地震动峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度Ⅵ度，地震反应谱特征周期为0.45s。
7.3地震液化和震陷
按《构筑物抗震设计规范》（GB50191-93）4.3.1条及4.4.1条规定，本场地属Ⅵ度区，场地土层可不考虑液化及震陷的影响。
8堆场坝体稳定性分析与计算
***水库于80年代修建，原勘察资料不详。
从现场调查可知库区周边山体稳定，未发现断层、滑坡、崩塌等不良地质现象。
该库于1996年由水库改造为尾矿库，并对坝体上下游坡面进行约2.0m厚浆砌片石护面。
***尾矿库2006年停止使用，并进行了闭库设计。
由于目前新的尾矿库正在筹备修建之中，为保证矿山正常生产运营，拟将该库改造为临时过渡尾矿库。
本次勘察主要目的是对初期坝和坝高加高3m、5m、10m情况下的稳定性进行评价。
8.1尾矿坝现状分析
从现场实际调查可见：
）由于***坝体为重力砌石不透水坝，坝内沟道汇流有东西两条支沟。
勘察期间，东边支沟有小量流水不断补给流入坝内，西边支沟目前未设拦洪坝，在暴雨情况下有大量洪水进入坝内。
排渗设施为原水库卧式排渗管排水，排水量较小，尾矿坝经常处于饱和状态。
2）该尾矿坝矿渣采取坝后任意排放，由于该坝由原水库改造，坝体未作尾矿水渗漏导排措施，不利于库内浸润线的降低和沉积尾矿的排水固结。
3）初期坝坝面未出现裂缝、渗漏等现象。
4）设置在库区左岸的排洪涵洞，高2.1m、宽2.6m，面积为5.46m2。
根据甲方提供的《***尾矿库改造方案》，该排洪涵洞能满足100年一遇的洪水导排。
综合上述因素，按《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）规定，该尾矿库无排渗系统，继续使用时必须增加必要的工程措施。
8.2尾矿坝渗流分析
渗流分析利用理正岩土软件渗流分析计算模块，采用有限元法对尾矿坝加高3m、5m、10.0m分别进行渗流计算，获得洪水运行条件下尾矿坝的浸润线。
计算时按（AQ2006-2005）要求，加高3m、5m时，最小安全超高按0.4m，最小滩长为40.0m控制，化引滩长为24.4m；加高10m时最小安全超高按0.5m，最小滩长为50.0m控制，化引滩长为28.18m。
渗流分析计算图见附录8-1～8-3。
8.3尾矿坝稳定性评价
稳定性计算瑞典圆弧法，利用理正软件进行计算。
在充分考虑野外原位测试、室内常规试验、直剪试验等各种试验条件的基础上，参考其它尾矿库地层参数和有关规范综合确定计算剖面上各层岩土的天然重度γ、饱和重度γsat、粘聚力c和内摩擦角φ列于表8.1。
稳定性计算参数表8.1
地层编号
地层名称
天然重度
（kN/m3）
饱和重度
（kN/m3）
抗剪强度指标
粘聚力（kPa）
内摩擦角（°）
①
尾矿泥
14.0
14.0
4
10
②
尾砾砂
16.0
16.0
8
28
③
尾圆砾
17.0
17.0
0
30
④
尾粉质粘土
17.0
17.0
10
15
④-1
尾细砂
16.0
16.0
8
32
⑤
灰岩
20.0
20.0
2000
55
初期坝
22.0
22.0
30.0
25
加高部分
18.0
18.0
8
20
备注：
因勘察期间尾矿库地层趋于饱和，故计算时标采用饱和抗剪强度指标。
计算时考虑了地下水的渗透力，并采用总应力法进行计算。
由于勘察期间尾矿坝处于近似饱和状态，故取3条剖面对现状（饱和状态）、加高3m（标高601.0m）后正常运行和洪水运行状态、加高5m（标高603.0m）后正常运行和洪水运行状态、加高10m（标高608.0m）后正常运行和洪水运行状态进行计算。
加高时采用上游法筑坝，且在初期坝坝顶布置排渗管。
尚需说明，计算尾矿堆积坝加高情况时，按《AQ2006-2005》规程第5.3.14条规定，浸润线按渗流计算结果确定的。
加高时坡比为1：
3.5，加高10米时的子坝每阶5.0m高，共设两级子坝，马道宽3.0m。
稳定性计算图详见附录№8-4～8-15，稳定性评价按《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）5.3.18规定，采用瑞典圆弧法计算条件时坝坡抗滑稳定最小安全系数进行。
稳定性计算结果表8.2
断面号
计算条件
状态
圆心坐标
最危险半径R（m）
最小安全系数
稳定性评价
X（m）
Y（m）
1-1
现状
饱和
7.0
34.0
34.75
1.206
稳定
加高3m
正常运行
7.1
37.2
37.85
1.203
稳定
洪水运行
46.733
24.2
7.52
1.134
稳定
加高5m
正常运行
50.8
29.0
13.995
1.205
稳定
洪水运行
49.533
25.8
10.45
0.893
不稳定
加高10m
正常运行
58.0
39.6
26.33
1.112
不稳定
洪水运行
58.0
39.6
26.329
0.871
不稳定
2-2
现状
饱和
7.2
34.0
34.75
1.207
稳定
加高3m
正常运行
7
32.2
37.853
1.204
稳定
洪水运行
46.8
24.2
7.487
1.133
稳定
加高5m
正常运行
50.333
30.2
14.198
1.20
稳定
洪水运行
48.333
26.2
10.178
0.98
不稳定
加高10m
正常运行
55.6
47.6
30.69
1.146
不稳定
洪水运行
50.733
28.20
12.144
0.956
不稳定
3-3
现状
饱和
6.867
35.0
35.67
1.298
稳定
加高3m
正常运行
7
37.2
37.853
1.204
稳定
洪水运行
46.733
24.2
7.527
1.124
稳定
加高5m
正常运行
20.733
29.4
14.136
1.195
稳定
洪水运行
49.533
25.8
10.35
0.925
不稳定
加高10m
正常运行
58.40
44.40
29.76
1.120
不稳定
洪水运行
57.20
41.60
27.228
0.879
不稳定
8.2计算结果可以得到以下结论：
1）尾矿堆积坝在现状（饱水）运行条件下，3条剖面均为稳定状态，满足最小安全系数要求。
2）后期子坝加高3m，在正常运行和洪水运行条件下均为稳定状态，满足最小安全系数要求。
3）后期子坝加高5m，在正常运行条件下均为稳定状态，满足最小安全系数要求，在洪水运行条件下均不稳定。
4）后期子坝加高10m，在正常运行条件下均不满足最小安全系数要求，在洪水运行条件下均不稳定。
5）后期子坝加高5～10m时，尾矿坝内尾矿泥（①层）厚度较大、工程性能差及浸润线较高是造成尾矿坝不稳定的主要原因。
8.4尾矿坝加高排渗措施
基于以上分析，当加高＞3m时，应对该尾矿坝采取排渗措施。
采取排渗措施后，后期子坝按1:
3.5坡比可加高10m。
此时，建议除在初期坝坝顶平面布置水平排渗管外，应在初期坝高程590.0m以上按间距5.0m、孔深约45.0m布置水平排渗孔。
对坝体排渗后，①层尾矿泥因排水固结，土体密度增大，计算时取水上c为15.0kPa，φ为10.0o。
水下c为13.0kPa，φ为10.0o。
对3条剖面在加高、排渗处理、采用上游法筑坝后的正常运行和洪水运行状态进行稳定性计算，稳定性计算图详见附录№8-16～8-18，计算结果见表8.3。
稳定性计算结果表8.3
断面号
计算条件
状态
圆心坐标
最危险半径R（m）
最小安全系数
稳定性评价
X（m）
Y（m）
1-1
加高10m
排渗
正常运行
57.60
47.60
31.82
1.870
稳定
洪水运行
58.0
40.80
27.313
1.075
稳定
2-2
加高10m
排渗
正常运行
56.80
47.60
30.51
1.511
稳定
洪水运行
56.00
47.20
30.24
1.176
稳定
3-3
加高10m
排渗
正常运行
58.80
46.00
31.26
1.840
稳定
洪水运行
58.00
43.60
29.06
1.083
稳定
由8.3计算结果可看出：
1）采取排渗措施降低浸润线和①层土排水固结后，尾矿坝加高10.0m在正常运行和洪水运行状态下均满足《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）5.3.18规定的最小安全系数要求。
2）尾矿堆积坝在继续加高运行过程中必须严格执行设计和规范要求，留设马道，坡比应不大于1:
3.5。
综合以上稳定性分析可看出，浸润线对坝体稳定性的影响很大，当浸润线位置较高，坝体趋于饱和状态时，坝体稳定性降低很多。
在现状条件下加高尾矿坝稳定性差是由于坝内上层（①层）分布有比较厚的尾矿泥所致。
故在尾矿坝继续加高过程中，应采用上游法筑坝，且需加强对库区排放和排水的管理，采用坝前排放方式，并经常变换排放口位置，使粗颗粒在坝前堆积。
为满足堆积坝的最小安全系数要求，建议在堆积坝设置排渗设施，以降低浸润线，从而提高尾矿坝的稳定性。
9结论及建议
1）尾矿堆场地层情况详见正文3.3。
其分布及各层土的埋藏条件详见附录№3-1～3-3。
2）各层尾矿土物理力学性质指标详见正文5。
3）勘察期间实测地下水位埋深介于0.2～3.3m，标高595.31～597.07m。
水位纵向变化不大，总体上呈上游高、下游低，库内高、坝前低的趋势。
详见正文3。
4）堆场尾矿水在对混凝土结构无腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。
尾矿土对混凝土结构无腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。
详见正文6。
5）场地地震动峰值
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