辛保泉 萬露 趙海燕 譚欽文

摘要：為測(cè)試某上游式尾礦庫內(nèi)尾礦砂的物理力學(xué)性能，并論證壩體當(dāng)前穩(wěn)定性，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)和BI-90Plus型激光粒度分析儀對(duì)原狀尾礦砂進(jìn)行全面測(cè)試與分析，得到尾礦砂13項(xiàng)基本物理性質(zhì)指標(biāo)和4項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)計(jì)算3種工況下的壩體穩(wěn)定性安全系數(shù)。研究結(jié)果表明：銅尾礦為細(xì)粒尾礦，滲透性差、可塑性強(qiáng)且膨脹性和收縮性顯著，粒徑大小及其含量近似呈Gauss分布;細(xì)粒尾砂含量越高，黏聚力越強(qiáng)，而內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)越小，且差異達(dá)數(shù)倍至數(shù)十倍，分析認(rèn)為這可能與尾礦顆粒中黏粒含量有關(guān);3種工況下計(jì)算出的最小安全系數(shù)均明顯大于規(guī)范要求值，表明其穩(wěn)定性較好;按照尾礦顆粒級(jí)配和物理力學(xué)特性科學(xué)、合理的放礦，對(duì)壩體穩(wěn)定性至關(guān)重要。試驗(yàn)結(jié)果可為研究尾礦砂的工程力學(xué)特性和壩體穩(wěn)定性提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：尾礦砂;物理力學(xué)性能;穩(wěn)定性分析;土工試驗(yàn);安全系數(shù);極限平衡法

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）06-0035-07

收稿日期：2018-04-08;收到修改稿日期：2018-05-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51404200）;四川省科技創(chuàng)新苗子工程資助項(xiàng)目（2017016）

通信作者：辛保泉（1990-），男，山東安丘市人，碩士，主要從事定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及抗爆減災(zāi)技術(shù)研究。

0 引言

尾礦壩的穩(wěn)定可靠對(duì)尾礦庫安全至關(guān)重要。一般而言，排放后經(jīng)過分層碾壓而成的尾礦砂是構(gòu)筑上游式尾礦壩的主要材料，確定其基本物理力學(xué)性質(zhì)是研究壩體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[1]。以四川某銅礦尾礦庫為研究對(duì)象，該尾礦庫初期壩高20m，設(shè)計(jì)堆壩高85m，總庫容1128.32×10⁴m³，地震設(shè)防烈度為8度，目前已使用了12年，總壩高堆至約50m。由于目前該尾礦庫已堆至接近1/2最終設(shè)計(jì)總壩高，加之尾礦庫當(dāng)前工程地質(zhì)條件欠佳，根據(jù)GB50863-2013《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[2]，需對(duì)尾礦壩做全面論證，以驗(yàn)證最終壩體的穩(wěn)定性并確定后期的處理措施。

在該尾礦庫的早期勘察和設(shè)計(jì)報(bào)告中給出的部分尾礦參數(shù)是早期基于原尾礦初始狀態(tài)的。要準(zhǔn)確計(jì)算和評(píng)估壩體穩(wěn)定性，首先應(yīng)對(duì)當(dāng)前用于筑壩尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面測(cè)試。尾礦砂具有異于普通砂土材料的特性，全面分析其物理力學(xué)性能，對(duì)尾礦庫設(shè)計(jì)、壩體穩(wěn)定性計(jì)算和防災(zāi)措施的制定具有一定參考價(jià)值。

1 尾礦粒度測(cè)試及級(jí)配分析

尾礦的顆粒組成和級(jí)配情況是綜合反映尾礦特性的重要指標(biāo)[3-4]。試樣的選取位置通常為庫前、庫中和庫尾，本文根據(jù)放礦后尾砂的自然沉積規(guī)律，并充分考慮到用于上游式筑壩的尾礦料多來源于庫前的實(shí)際條件，試樣均取自庫前5個(gè)不同的位置，然后分析其礦物成分和顆粒組成。

1.1 礦物成分

銅尾礦主要含有方解石、角閃石、黃銅礦、石英、磁礦石等，屬于硅鋁酸鹽型尾礦。對(duì)尾礦砂進(jìn)行XRF分析，得到試樣的礦物組成，見表1。

可以看出，尾礦中含有的礦物成分種類較多，且CaO、MgO和K₂O等化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的礦物成分含量較高，易被氧化分解或劣化，進(jìn)而影響抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù)。

1.2 尾礦顆粒級(jí)配

尾礦顆粒級(jí)配特征以粒徑的大小分布關(guān)系曲線表示。該曲線以粒徑的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)（對(duì)數(shù)坐標(biāo)），以小于某粒徑的顆粒質(zhì)量累計(jì)百分含量（自然坐標(biāo)）為縱坐標(biāo)。通過顆粒級(jí)配曲線可以較好地了解尾礦的顆粒組成情況[5]。為了準(zhǔn)確分析尾礦砂各粒組的大小組成情況，突出數(shù)據(jù)的重復(fù)性，確保整個(gè)測(cè)試體系的溫度恒定，避免交叉污染，試驗(yàn)選用美國布魯克海文90 Plus型激光粒度分析儀，分析尾礦砂的各粒組含量[6]。

該激光粒度分析儀是一種快速、便捷的納米粒度分析測(cè)試儀器，檢測(cè)器為PMT，散射角為150和900，精度為1%。取適量尾礦砂，按照儀器使用要求配置3mL樣品共5組（分別為A～E），進(jìn)行測(cè)試和分析。尾礦粒徑的大小分布情況如圖1所示，小于某粒徑的尾礦顆粒含量（即累計(jì)含量）分布結(jié)果如圖2所示。5組尾礦砂的主要粒徑參數(shù)見表2。

圖1表明，各組粒徑分別關(guān)于其平均值呈對(duì)稱分布，類似于一條‘鐘型”曲線，即符合Gauss分布關(guān)系。5組試樣的d₅₀均小于0.5mm，且粒徑大于0.25mm的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)均不超過50%，表明該尾礦砂顆粒較細(xì)。A、B組粒徑在0.074mm以上的尾礦顆粒質(zhì)量未超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)位于1017之間，根據(jù)規(guī)范[2]中的原尾礦命名規(guī)則，A、B組總體分類屬于黏性尾礦中的尾粉質(zhì)黏土;而C、D、E組粒徑在0.074mm以上的顆粒質(zhì)量超過了總質(zhì)量的50%，且不大于85%，屬于砂性尾礦中的尾粉砂。

分析圖2可知，A組尾礦試樣顆粒大小很不均勻，B組曲線近似于倒S型，且粒徑跨度不大，表示尾礦試樣顆粒分布較為均勻，C、D、E組曲線形狀相似，粒徑跨度較大，顆粒很不均勻。

由表2可知，B組試樣的有效粒徑d₁₀最小，表明該組尾礦砂的透水性最低，土的可塑性最強(qiáng)且膨脹性和收縮性最為顯著。經(jīng)測(cè)試，B組黏粒含量約8.4%，在5%～15%范圍內(nèi)，適合進(jìn)行土工試驗(yàn)。尾礦的級(jí)配特征，可用不均勻系數(shù)C（d6}d，o）和曲率系數(shù)C_c（d₃₀²/（d₆₀d₁₀））表征，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

在尾礦庫工程實(shí)際中，一般認(rèn)為C_u≥5且1≤C_c≤3的土粒徑分布不均勻，較大的粒徑間的孔隙可由較小的土粒填充，屬于級(jí)配良好的土。從表3知，5組尾礦砂級(jí)配均為良好，連續(xù)級(jí)配分布均勻。此外，從尾粉質(zhì)黏土（A、B組）到尾粉砂（C、D、E組），尾礦砂顆粒的d₁₀和d₅₀都明顯增大，表明其砂粒（粒徑在0.075～2mm的土顆粒）含量在增加，或者黏粒含量明顯減少。

綜上所述，B組尾礦砂顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高，顆粒級(jí)配較好。由于細(xì)粒尾礦砂滲透性差，不利于壩體穩(wěn)定，且級(jí)配較好的尾礦砂含有的各組粒徑更為豐富，因此主要選擇危險(xiǎn)性相對(duì)更大、粒徑更具代表性的B組尾礦砂（尾粉質(zhì)黏土）為試驗(yàn)材料進(jìn)行研究。

2 尾礦砂基本物理性質(zhì)測(cè)試

表征尾礦砂物理特性和狀態(tài)的指標(biāo)主要有3個(gè)基本指標(biāo)、4個(gè)液塑性指標(biāo)和6個(gè)其他換算性指標(biāo)?；局笜?biāo)有含水率（w）、密度（ρ）和顆粒比重（G_s）。針對(duì)不同指標(biāo)，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，分別選取大量尾礦壩原狀砂樣和擾動(dòng)砂樣進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

液塑性指標(biāo)包括液限（W_L）、塑限（w_P）、塑性指數(shù)（I_P）和液性指數(shù)（I_L）。試驗(yàn)根據(jù)FG-Ⅲ型光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法，圓錐質(zhì)量76g，錐角30°。測(cè)試時(shí)取250g原狀尾礦砂試樣，全部過0.5mm（35目）篩，并取200g試樣分成3份，用純水調(diào)制成3種不同含水率的土膏，靜置12h后進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)3種不同含水率的尾礦砂試樣進(jìn)行試驗(yàn)，3個(gè)點(diǎn)的圓錐入滲深度分別控制在3～4mm、7～9mm、15～17mm。以含水率為橫坐標(biāo)，錐人深度為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，該尾礦的液限w_L為26.7mm，塑限w_p為16.1mm，則相應(yīng)的塑性指數(shù)為：I_P=w_L-w_p=10.6，在10～17之間，因此該試樣屬于尾粉質(zhì)黏土;液性指數(shù)為：I_L=（w-w_p）/（w_L-w_p）=0.47，位于0.25～0.75范圍，屬于可塑狀態(tài)。

此外，其他物理性質(zhì)換算性指標(biāo)有：孔隙比（e）、孔隙率（n）、干密度（ρ_d）、飽和度（S_r）、飽和密度（ρ_sat）、有效密度（ρ'）等。指標(biāo)匯總見表4。

3 尾礦基本力學(xué)特性測(cè)試與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度特性

土體抗剪強(qiáng)度是決定尾礦壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響壩體抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)[7]。

1）試驗(yàn)方法選擇

土的抗剪強(qiáng)度取決于有效應(yīng)力，而不是總應(yīng)力，因此抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法選用有效應(yīng)力法187.s該尾礦的塑性指數(shù)I_P大于10，屬于黏性土;天然狀態(tài)下，飽和度小于80%，選用直剪儀或三軸儀測(cè)試抗剪強(qiáng)度。正常運(yùn)行的尾礦壩會(huì)在自重作用下會(huì)逐漸完成排水固結(jié)，試驗(yàn)方法宜選用排水固結(jié)法;對(duì)于這種含黏粒較多的細(xì)粒尾礦來說，直剪儀和三軸儀的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果差別較小，而直剪儀由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，同時(shí)也適合試樣的制備和排水，是目前測(cè)試土樣抗剪強(qiáng)度最直接的方法[9]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排水條件的不同，直剪試驗(yàn)分為快剪（Q）、固結(jié)快剪（CQ）和慢剪（S）3種，其中慢剪（S）法允許試樣在垂直壓力下排水固結(jié)，然后快速施加水平剪應(yīng)力讓試樣破壞。

2）試驗(yàn)過程及內(nèi)容

試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠的EDJ-1型等應(yīng)變直剪儀。按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中的要求，用內(nèi)徑6.18cm、高2cm的環(huán)刀分別制備4組尾粉質(zhì)黏土試樣，分別在100，200，300，400kPa壓力下分級(jí)施壓，記錄垂直變形讀數(shù)。待試樣固結(jié)穩(wěn)定（每小時(shí)垂直變形讀數(shù)變化不超過0.005mm）后，啟動(dòng)秒表以0.02mm/min的速率剪切，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定或有顯著后退，則表示試樣已剪損。計(jì)算公式：式中：τ_S——剪應(yīng)力，kPa;

C——測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，N/0.01mm;

R——測(cè)力計(jì)讀數(shù)，0.01mm;

A_s——試樣面積，cm²。

3）試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同飽和度狀態(tài)下，剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線，如圖4所示。

取圖4中每條曲線的峰值點(diǎn)作為抗剪強(qiáng)度τ，τ與垂直壓力p的關(guān)系曲線，見圖5。線性擬合結(jié)果顯示，擬合度r²分別達(dá)到了0.9999和1，擬合效果較好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。圖中直線的傾角即為尾礦試樣的內(nèi)摩擦角φ6，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為黏聚力c_s。

為了對(duì)比分析不同細(xì)度尾礦砂的強(qiáng)度參數(shù)變化情況，按照上述試驗(yàn)方法和步驟，可進(jìn)一步求得尾粉砂和尾細(xì)砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角，見表5。

結(jié)果表明，尾礦細(xì)粒含量越高，內(nèi)摩擦角越小，而黏聚力越強(qiáng)，這與尾礦顆粒中黏粒含量的多少有關(guān)[10]。黏粒含量高（粒徑?。?，則顆粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)越強(qiáng)，黏聚力越大;而黏粒含量高的尾礦砂顆粒表面更為平整，即顆粒間摩擦力小，內(nèi)摩擦角更小。

3.2 滲透特性

尾礦試樣材料（尾粉質(zhì)黏土）屬于細(xì)粒土（粘質(zhì)土和粉質(zhì)土）范圍，因此采用變水頭法進(jìn)行滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器選用南-TST55型滲透儀，外形尺寸：φ118mm（管嘴除外），高度約155mm;試樣尺寸：φ61.8mm，高40mm，斷面積30cm²。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程的要求分別對(duì)尾粉質(zhì)黏土、尾粉砂和尾細(xì)砂進(jìn)行測(cè)試，每類尾礦砂測(cè)試6次，在測(cè)得的結(jié)果中選取4個(gè)允許差值以內(nèi)的數(shù)值，取其平均值作為該孔隙比時(shí)的滲透系數(shù)，結(jié)果見表6。

由表可知，尾砂細(xì)粒含量越高，滲透系數(shù)越小，且差異較抗剪強(qiáng)度參數(shù)大得多，達(dá)數(shù)倍至數(shù)十倍。

4 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算和分析

4.1 模型建立

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，借助Slide軟件，直觀、準(zhǔn)確地建立尾礦壩仿真模型，計(jì)算尾礦壩穩(wěn)定性。根據(jù)垂直條塊極限平衡法，采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的方法確定給定邊坡的臨界滑動(dòng)面[11]?？紤]該尾礦壩邊坡實(shí)際工況，對(duì)模型做出如下設(shè)定：邊坡失效后的整體滑動(dòng)方向在模型上表現(xiàn)為自右向左，材料和支護(hù)的最大數(shù)量均為20個(gè)，條塊數(shù)量25條，計(jì)算精度0.005，最大迭代次數(shù)50次，條塊間的作用力函數(shù)為半正弦波形。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查結(jié)果，將尾礦壩AutoCAD縱剖面圖同比例導(dǎo)入Slide后建模。實(shí)際地層并不規(guī)則、均勻，但考慮到該尾礦壩分層壓實(shí)效果較好，且剖面軸線長度都在數(shù)百米以上，因此忽略其“尺寸效應(yīng)”，參照庫區(qū)地層鉆探成果，將尾礦壩底層及其邊界進(jìn)行概化分層。壩基各層材料參數(shù)見表7。

初期壩屬于工程邊坡，壩體材料為堅(jiān)硬的干砌塊石（特堅(jiān)石），c、φ值最大;強(qiáng)風(fēng)化玄武巖屬于次堅(jiān)石，巖結(jié)構(gòu)破壞較大，巖性劣化顯著[11，c、φ值比中風(fēng)化玄武巖（堅(jiān)石）更小。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)簡(jiǎn)化畢肖普法和瑞典圓弧法，分別計(jì)算正常運(yùn)行（干燥無降水）、洪水運(yùn)行、特殊運(yùn)行（暴雨和地震共同作用）時(shí)的穩(wěn)定性。其中，地震荷載考慮破壞性更大的水平荷載，根據(jù)尾礦庫所處地區(qū)地震烈度和設(shè)計(jì)分組以及規(guī)范要求[2]，確定地震荷載為0.29。以簡(jiǎn)化畢肖普法為例，計(jì)算結(jié)果見圖6。

表8為壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，兩種計(jì)算方法分別計(jì)算出的3種工況下的尾礦壩最小安全系數(shù)，均明顯大于規(guī)范要求值[2]，表明壩體當(dāng)前穩(wěn)定性較好。僅在洪水運(yùn)行工況下，最小安全系數(shù)有所降低，在有地震作用時(shí)的特殊運(yùn)行條件下，最小安全系數(shù)較正常運(yùn)行時(shí)分別降低了38.4%和51.04%，表明地震荷載對(duì)壩體穩(wěn)定性影響大，應(yīng)重視壩體的抗震、抗液化能力。

5 結(jié)束語

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)全面測(cè)試和分析了某銅礦尾礦砂的物理力學(xué)性能，并采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了該尾礦壩3種運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

1）銅尾礦砂多為細(xì)粒尾礦，滲透性差，粒徑大小及其含量近似呈Gauss分布關(guān)系。尾礦砂級(jí)配均為良好，連續(xù)級(jí)配分布均勻，表明其抗地震液化性能較好，有利于壩體的長期穩(wěn)定。

2）尾礦顆粒分析結(jié)果和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相均表明，在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，尾礦砂細(xì)粒含量越高（或粒徑越小），則黏聚力越強(qiáng)，而內(nèi)摩擦角和滲透系數(shù)越小。因此，按照尾礦砂粗、細(xì)顆粒級(jí)配關(guān)系進(jìn)行科學(xué)、合理的放礦對(duì)壩體穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3）極限平衡法可有效計(jì)算尾礦壩穩(wěn)定性，該尾礦壩最小安全系數(shù)均明顯大于規(guī)范要求值，且留有一定的安全儲(chǔ)備，表明當(dāng)前壩體穩(wěn)定性較好。

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（編輯：商丹丹）