山西胡家圪噠溝尾礦庫工程地質勘察與評價

張帆 丁仁偉 梁東

1 工程試驗概況

胡家圪噠溝尾礦庫位于山西省代縣黑山莊鐵礦區，交通較便利，尾礦中主要有石英、白云石、絹云母、方解石等非金脈石礦物，尾礦通過自流輸送尾礦庫堆存，目前初期壩最大壩高約10 m，堆積壩最大壩高約 14 m，總壩高為 24 m，已堆積庫容約 30萬m3。目前該尾礦庫等級為五等，設計最終等級為四等。本次勘察目的為:1)查明尾礦堆積體和壩基地層分布特點。2)查明尾礦堆積體和壩基土體的物理、力學性質及其動力學參數。3)查明勘察期間浸潤線的特點和場區地下水類型及埋藏條件。4)查明尾礦壩基和壩體的各種不穩定因素，提出相應的工程預防措施和方案。

2 尾礦庫工程地質概況

2.1 地形地貌

胡家圪噠溝尾礦庫庫區地貌單元屬山前黃土塬侵蝕溝谷地貌，沖溝較發育。該尾礦庫位于胡家圪噠溝上部，胡家圪噠溝寬度約100 m，溝底寬約15 m，溝深20 m～30 m，長400余米。溝上和溝下均為黃土覆蓋，南高北低，尾礦庫壩址以上匯流面積約0.12 km2。

2.2 地層巖性

勘察深度范圍內，工程場區揭露地層主要有第四系全新統黃土狀亞砂土()和尾礦沖填堆積物(Qml)，由老至新分述如下:1)第四系全新統(Q4):尾礦庫壩基地層主要為第四系全新統沖洪積物()，巖性主要為黃土狀亞砂土。2)沖填堆積(Qml):尾礦堆積物，巖性主要有碎石(初期壩體)、尾粉細砂、尾亞砂土和尾粉質黏土等。

2.3 地質構造與地震

1)地質構造。工程場區位于華北準地臺(Ⅰ)山西臺背斜(Ⅰ3)的東北部，新構造分區屬華北斷陷—隆起區(Ⅱ)之汾渭裂陷帶(Ⅱ2)東北部。但庫區及附近無全新活動斷裂分布。工程區受阜平龍泉關群構造、五臺群構造、滹沱群構造和蓋層構造四個構造層次控制。

2)地震。工程場區位于山西臺背斜地震構造區，按照GB 18306-2001中國地震動參數區劃圖(1∶4 000 000)，工程場區地震動峰值加速度為0.20g，相當于地震基本烈度為8度。該構造區是強烈地震多發區，屬地殼不穩定區。

2.4 水文地質條件

1)地下水類型。庫區地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙潛水和尾礦堆積物內上層滯水。第四系孔隙潛水主要賦存于壩基黃土狀亞砂土中，潛水埋深約為80 m。第四系孔隙潛水主要以地下徑流排泄，庫區尾礦堆積物內上層滯水主要通過尾礦庫排水系統向庫區下游或臨溝排泄，少量回收利用。

2)巖土體的滲透性。本次勘察對堆積壩和沉積灘內尾粉細砂和壩基黃土狀亞砂土取原狀樣進行了室內滲透試驗。尾礦沉積物中的砂類土透水性較好，一般具中等透水性，有利于尾礦庫水向下游排泄;壩基黃土狀亞砂土透水性亦較好，一般具中等透水性。

2.5 壩體浸潤線

根據本次勘察資料，鉆孔中均未見水位。據增鑫鐵礦有關人員的介紹，尾礦庫生產運行期間，沉積灘內的尾水主要通過庫面排水管和排水涵洞向左側截洪溝排泄，目前工作正常，尾礦庫壩體未曾見浸潤線出露。

3 尾礦庫工程地質條件及評價

3.1 地質結構

根據庫區地形地貌及土巖體空間分布特征，工程區地質結構主要為砂、粘雙層結構。按巖性自上而下共劃分為4個土體單元:尾粉細砂(Qml);尾亞砂土(Qml);碎石和黃土狀亞砂土()。

3.2 土體物理力學性質測定

本次勘察對該尾礦庫內的堆積物分層取原狀樣和散狀樣進行室內物理、力學性試驗，現場進行了標準貫入試驗，對庫區尾礦砂和壩基土體進行了動三軸試驗，測定了動模量、阻尼比、動強度、液化應力比等動力學性質指標。

3.3 尾礦庫主要工程地質問題

尾礦庫場區存在的主要工程地質問題為飽和砂性土地震液化問題和黃土狀亞砂土的濕陷性問題。首先對于飽和砂性土的地震液化問題，其工程場區地震基本烈度為8度，根據該尾礦庫土體單元特點，工程正常運行后壩體及壩基土初判屬可液化層，然后根據標貫試驗，對場區20 m深度范圍內的砂性土地震液化進行復判。其次對于黃土狀土的濕陷性問題，根據有關單位勘察，該尾礦庫庫區地基黃土狀亞砂土自重濕陷系數介于0.006～0.138之間，濕陷系數介于0.024～0.104之間。該地基土具輕微～強烈濕陷性，工程場地屬于自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅲ級(嚴重)。

3.4 尾礦庫初期壩工程地質條件及評價

該尾礦庫初期壩主要由尾碎石、片石及尾粉細砂填筑，壩坡基本穩定。初期壩壩基土為黃土狀亞砂土，在尾礦庫生產運行時，可能引起該地基土產生濕陷破壞。黃土狀土垂直裂隙發育，庫區西北側初期壩下游壩基有3 m～5 m的臨空面，在尾礦排泄水和雨水的沖蝕作用下，易引發崩塌和滑坡等地質災害。因此需要進一步加強初期壩體的反濾排水措施，防止壩體浸潤線上升產生壩體滲透變形，設計應根據沉降驗算，對壩基土采取必要的補強措施，同時需要對西側壩基臨空面進行加固。

3.5 尾礦庫堆積壩工程地質條件及評價

該尾礦庫堆積壩現有三級子壩，壩頂面一般寬4 m～7 m，壩高一般2 m～14 m，壩體由尾粉細砂經碾壓而成，填筑坡角 21°～26°，小于土體的水下自然休止角，壩坡上無浸潤線出露，并且壩面鋪有約0.2 m～0.3 m的尾碎石進行護坡，因此壩坡基本是穩定的。另由庫區工程地質剖面圖可以看出，尾礦庫主要由尾粉細砂組成，顆粒較粗，滲透性相對較好，但局部有尾亞黏土薄層，垂直方向上起到阻水效應，可能會使局部壩體的浸潤線抬高，因此需要加強堆積壩縱向排水措施。

3.6 尾礦庫沉積灘工程地質條件及評價

該尾礦庫采用上游法堆筑，沉積灘尾粉細砂固結程度很低，透水性較好，有利于尾水排泄。但是本次勘察期間，由于尾礦庫正進行整治，造成沉積灘灘面較零亂，該尾礦庫沉積灘坡面雖整體上傾向庫尾，但較平緩，且堆積壩以上干灘長度較短，上游洪水和尾水較大時，極易造成下游浸潤線升高，導致堆積壩體產生滲透破壞。

4 主要結論與建議

1)該尾礦庫初期壩主要由尾碎石、片石及尾粉細砂填筑，初期壩壩基穩定性較好，但應防止雨季時庫址區西側沖溝水流對壩基的沖蝕作用。因此建議設計時對初期壩進行進一步穩定驗算，并采取適當排水措施降低浸潤線，加強初期壩變形觀測。2)現尾礦庫堆積壩第①層尾粉細砂和第②層尾亞砂土存在地震液化問題。建議完善堆積壩壩面排水設施設計，盡量降低浸潤線高度，保證干灘長度，防止各級子壩壩體處于飽和狀態而易造成滲流破壞和地震液化危害。3)該尾礦庫采用上游法堆積，沉積灘主要成分為尾粉細砂，坡面傾向庫尾，但較平緩，不利于尾礦物質和水的混合物流向庫尾。因此，建議嚴格按設計要求的坡比對沉積灘進行處理，并嚴格按設計安全超高和安全灘長控制尾礦的排放流量和方式，加強對沉積灘面的管理工作。

[1] 河南省水利勘測有限公司.山西省代縣增鑫鐵礦胡家圪噠溝尾礦庫工程地質勘察報告[R].2008.

[2] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[3] 劉桂靈.濕陷性黃土濕陷機理及處理措施[J].山西建筑，2009，35(6):148-150.