尾矿坝坝体沉积尾矿的力学性质与

尾矿坝坝体沉积尾矿的力学性质分析与研究摘要：通过工程实例，结合两次勘察成果，分析了御驾泉尾矿坝坝体沉积尾矿在固结沉降过程中物理力学性质的变化规律。关键词：尾矿坝；沉积尾矿；固结沉降；变化规律我国早期的尾矿坝始建于上世纪五十年代初期。随着矿山的不断开发，尾矿坝的研究和发展也得到了不同程度的提高。早期建造的尾矿坝多已达到设计标高，晚期建造的尾矿坝目前也已达到几十米、上百米，但仍有加高的可能，只是研究程度和筑坝经验不足[1]。随着近几年我国国民经济的持续、快速、健康发展以及在加入了WTO后世界经济环境对我国经济的影响，国内的矿山建设和开发又到了一个新的发展高潮。众多矿业公司在扩大生产的同时，也日益关注尾矿处理问题和可持续发展等问题，对尾矿坝的研究也迫在眉睫。1工程概况鲁中冶金矿业集团公司御驾泉尾矿库于1985年9月随选厂投产启用，1989年2月采用废石土筑坝，初步设计采用上游法筑坝，设计坝高94m，坝顶标高350m，总库容3590万m3，汇水面积1.93Km2，主要由初期坝、尾矿堆积坝和排水系统组成，初期坝为滤水堆石坝，高29m，堆积坝高65m，坝内设7个周边多孔溢水塔。当年完成了第一期子坝。为了研究这一筑坝方法的可行性，先后进行了多种研究性试验和多种坝高可行性分析，并于1992年到1993年初进行了该坝历史上第一次岩土工程勘察工作和稳定性分析与计算。目前，该坝已堆至316m标高，总坝高60m。由于坝体沉积尾矿成分的复杂性，现无法再使用上游法筑坝。为了不影响坝体的安全和公司的生产，通过研究决定在目前的316m标高水平改用中线法筑坝，为了分析目前坝体的稳定性和继续加高的可行性，2003年5月又进行了一次岩土工程勘察工作。2坝体沉积尾矿的工程分类目前，沉积尾矿的分类国内尚无统一标准，《上游法尾矿堆积坝工程地质勘察规程》（YBJ11-86）也已执行多年。虽然各行业积累了丰富的经验，尾矿的工程分类也有不少研究成果，但多采用工民建标准和原水电部标准的较多，本文采用《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的分类方法。经过试验结果的初步分析，该方法用于坝体尾矿的分类是适宜的。按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），将坝体沉积尾矿分为：尾粉细砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土。3坝体沉积尾矿的物理力学性质3.1物理力学性质指标尾矿是在水力充填条件下沉积的，由于颗粒细，加之复杂的物理化学作用，在沉积过程中会发生一系列的变化，如：以单粒形式均匀悬浮在矿浆中的尾矿，颗粒表面吸附一层束缚水，若干尾矿颗粒聚集成一个絮团，絮团之间还可能禁闭了一部分自由水，絮团与絮团之间形成网架结构，结构内有相当大的空间，其内部充满了自由水。开始，这种絮状结构很疏松，随着沉积过程的发展，颗粒间距离越来越小，连接越来越紧密，其间的自由水不断减少，一定程度后，孔隙中的自由水可能转化为禁闭的自由水[2]，这一过程称为固结沉降。3.1.1物理性质坝体沉积尾矿的物理性质主要指：比重、重度、含水量、孔隙比、饱和度、塑限、液限、塑性指数、液性指数、不均匀系数和曲率系数等。3.1.2固结和压缩饱和的或部分饱和的尾矿，当受到轴向压力时，体积就逐渐压缩排出部分水或空气，外界压力相应地从水与空气传递到骨架上，直到变形稳定为止，这一过程称为固结。在固结过程中，体积的改变与所受有效应力有关，两者之间的关系称为压缩。3.1.3渗透性影响尾矿渗透性的因素较多，除了土类外，还与土的级配、土的结构、土的孔隙比、流体特性等有关。3.1.4抗剪强度抗剪强度在坝体的稳定性分析中占有最重要的地位。现场的抗剪强度测定主要是直剪固结快剪试验，其次也可以进行室内小十字板试验，以测定尾矿的固结不排水剪。3.2第一次勘察成果[3]1992年底到1993年初，为了分析御驾泉尾矿坝当时的稳定性以及加高可行性，该坝进行了第一次岩土工程勘察工作。根据勘察结果，其典型剖面如图1。断面土层自坝坡至库内依次为：初期坝、碎石层和尾矿沉积层。图1第一次勘察典型剖面沉积尾矿主要包括尾粉细砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土，分述如下：尾粉细砂为初期放矿和旋流器的沉砂，含有少量粘土颗粒，一般分布于一期子坝之下，各期子坝交接处也有分布，标贯击数7～15击。尾粉土是各期子坝下的主要沉积物，土质不均，有砂土和粘性土薄层，夹层厚2～12cm不等，其含水量大，压缩性和孔隙比都不大。尾粉质粘土主要分布于尾粉土之下，含水量接近或小于液限，软～可塑状态，具中等压缩性。尾粘土分布于沉积尾矿的最底部，其水平层理明显，软塑状态，孔隙比大，具中等～高压缩性。本次勘察沉积尾矿的物理力学性质见下表1、表2。表1沉积尾矿的物理性质指标统计表（1992）土层含水量（%）天然密度（g/cm3）干密度（g/cm3）饱和度（%）孔隙比液限（%）液性指数压缩模量（Mpa）尾粉细砂25.62.031.6191.30.83－－－尾粉土26.72.021.5692.50.8526.1－7.6尾粉质粘土30.22.021.5697.60.9132.10.865.4尾粘土38.81.891.3697.01.1641.60.804.3表2沉积尾矿的抗剪强度指标统计表（1992）土层直剪试验三轴试验CqФqCcqФcqCuФuCcuФcuC′cuФ′cuCcdФcdKPaºKPaºKPaºKPaºKPaºKPaº尾粉细砂12.031.95.032.535.026.510.035.910.035.80.033.1尾粉土14.020.618.028.515.06.056.09.052.523.3－－尾粉质粘土13.010.60.024.235.016.640.037.056.09.3－－尾粘土12.08.413.918.017.04.768.00.068.00.0－－3.3第二次勘察成果[4]2003年5月，随着公司规模的不断扩大，矿产开发逐渐加强，放矿量日益增加，严重影响到御驾泉尾矿坝的稳定和安全，在不影响坝体的安全和公司的生产情况下，计划在目前的316m标高水平改用中线法筑坝。为了分析目前坝体的稳定性和继续加高的可行性，进行了本次岩土工程勘察工作。根据本次勘察结果，该坝目前典型的剖面如图2。图2第二次勘察典型剖面与第一次勘察结果相比，沉积尾矿仍由尾粉细砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土组成，但粘性土的比例明显增加，且沉积尾矿的物理力学性质明显得到改善。尾粉细砂呈黄褐色，主要矿物成分为长石、石英、角闪石和云母等，有粘土夹层，稍密状态，具中等压缩性。标贯击数3.5～17击。尾粉土呈黄褐色，土质不均，夹粘土或粉细砂，中密状态，具中等压缩性。标贯击数4～13击。尾粉质粘土呈红褐色，土质不均匀，夹有粉土或粉细砂，软塑～可塑状态，具中等～高压缩性。标贯击数8～19击。尾粘土呈红褐色，土质不均匀，夹有粉土或粉细砂，软塑～可塑状态，具中等～高压缩性。标贯击数3.5～10击。本次勘察沉积尾矿的物理力学性质见下表3、表4。表3沉积尾矿的物理性质指标统计表（2003）土层含水量（%）天然密度（g/cm3）干密度（g/cm3）饱和度（%）孔隙比液限（%）液性指数压缩模量（Mpa）尾粉细砂21.92.021.6499.00.78－－7.3尾粉土24.72.051.6699.00.7726.2－9.6尾粉质粘土27.82.001.58100.00.8534.10.524.6尾粘土33.11.961.48100.00.9242.20.504.3表4沉积尾矿的抗剪强度指标统计表（2003）土层直剪试验三轴试验CqФqCcqФcqCuuФuuCcuФcuC′cuФ′cuCcdФcdKPaºKPaºKPaºKPaºKPaºKPaº尾粉细砂7.034.73.035.355.59.428.732.615.036.113.436.1尾粉土25.026.764.024.635.25.90.028.30.933.725.734.9尾粉质粘土87.016.385.021.542.75.625.718.718.026.6－－尾粘土107.019.6118.019.355.25.738.717.315.926.0－－3.3两次勘察结果的比较[4]两次勘察时间间隔为10年，通过对两次勘察取得的含水量、重度、孔隙比及标准贯入试验锤击数的散点图分析，如图3、图4、图5和图6。4结论通过比较分析，可以得出如下结论。沉积尾矿通过10余年的固结沉降，物理力学性质得以明显改善，主要表现在：尾粉细砂、尾粉土、尾粉质粘土和尾粘土的含水量略有变小，重度略有增加，孔隙比明显减小，标准贯入试验锤击数略有增加。这表明，随着时间的延长，沉积尾矿在自重压力作用下连续发生固结沉降，尾矿颗粒间的距离不断减小，颗粒间的空气和水不断排出，沉积尾矿逐渐被压密，土体结构发生了变化，力学性质得以改善。图3含水量与深度的散点图图4重度与深度的散点图图5孔隙比与深度的散点图图6标贯试验锤击数与深度的散点图参考文献[1]《岩土工程手册》编写委员会.《岩土工程手册》[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社.1994.[2]徐宏达.鲁中矿山公司御驾泉尾矿库尾矿筑坝试验研究报告-尾矿的物理力学性质[R].冶金建筑研究总院.1991.[3]航空航天部航空工业勘察设计研究院.鲁中冶金矿山公司御驾泉尾矿库工程地质勘察报告书[R].1993.AnalysisandResearchonMechanicalPropertiesofGangueDamDepositAbstract：Byanexampleandwiththeresultoftwogeotechnicalinvestigati