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尾礦庫壩體變形規律初探

10-24 21:52:58  瀏覽次數:564次  欄目:水利水電工程
標簽:水利工程管理,水利水電論文, 尾礦庫壩體變形規律初探,http://www.tljciu.live

  摘要:受尾礦物理力學性質以及上游式尾礦堆積壩所處地理位置、特殊的水文地質環境的控制,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,還是有其規律性的,文章利用柿竹園煙沖溝尾礦庫的工程地質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律進行了分析,以期對該類壩型的管理工作以及安全穩定性評價增添便利。

  關鍵詞:尾礦庫;壩體變形規律;水平變形;時間演化特征;穩定性

  上游式尾礦堆積壩的變形觀測作為壩體穩定性監測的一個重要手段,通過對壩體在垂直與水平兩個方向的變形觀測,能夠及時發現壩體異動,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據往往比較凌亂,只憑單個的監測數據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定性分析的時候,面對大量的觀測數據,或者是不連續的,或者是規律性不強的,怎么去判斷壩體是否趨于穩定,就必須對上游式尾礦堆積壩沉降變形的一般規律有所了解,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。

  (一)庫區地層條件

  根據野外鉆探所揭露的地層為第四系坡積+洪積(Qdl+pl)層和泥盆系上統錫礦山組(Dx2+3)中段石灰巖。

  庫區內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~流塑狀態尾輕亞粘、軟塑~流塑狀態尾重亞粘等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設置了12個壩體變形觀測點,共分為三排,連續進行觀測,其記錄為22期,后在2004年又重新設置了四排17個觀測孔,具體為:A排與B排設置于初期堆石位置,其標高為539.00m左右,C排利用1990年設置的五個觀測點,其標高為555.00m,D排設置于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,其變形存在以下規律:

  (一)空間分布特征

  水平位移。水平位移變形規律為:

  (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觀測點大;

  (3)D排點受壩頂放礦控制,局部出現水平位移負值。

  說明尾礦壩受坡面效應的影響,產生水平力,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,尾礦壩體現出其適應應力變化的特性,在局部產生扭曲變形,也說明了此時期該處的垂直沉降占據主要地位,水平位移只是垂直沉降的附加效應。

  (二)時間演化特征

  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。

  (三)特殊情況下的變形

  由于該尾礦庫位于喀斯特地區,壩體在570.00m標高曾多次發生壩體塌陷,在塌陷區將產生環形的變形區域,導致其附近的觀測點發生較大的垂直沉降與水平位移,甚至水平方向上還發生了較大的向上游偏移的變形。

  壩體排滲設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土層,在自重應力下仍要固結壓密,而使地面緩慢下沉。其主要特性為壓縮性與固結性以及其他特性。

  (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差異是影響壓縮指數的最基本因素;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,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。

  (二)固結

  固結既引起壩體和基礎沉降,又控制壩體和基礎穩定性,是尾礦庫工程中最重要工程性質之一。

  按照太沙基理論,材料固結的時率可分作主固結和次固結階段。

  主固結控制常荷載下孔隙壓力消散的速度,尾礦砂主固結發生很迅速,尾礦泥的固結系數處于與天然土相同的量級。

  大多數類型尾礦,在常荷載下,甚至在主固結引起的孔隙壓力消散基本完成之后,次壓縮常產生連續變形,是由于荷載作用下連續的顆粒重新排列和顆粒間滑動造成的。

  (三)其他

  由于尾礦庫區的工程地質與水文地質條件發生突變,或由于不良工程地質條件的影響等,都有可能使尾礦堆積壩產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、變形與穩定性關系

  1.尾礦的沉降與固結將使尾礦的物理力學性質逐漸好轉,對增強上游式尾礦堆積壩的穩定性非常有利。

  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,這些變形規律是我們研究上游式尾礦堆積壩穩定性的重要依據。

  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定,在此過程中,發生的任何異常變形都可能是尾礦壩失穩或出現其他事故的預兆,應引起足夠的重視。

  六、結語

  上游式尾礦堆積壩的變形遵循一定的規律,其與尾礦堆積規律、堆積時間以及尾礦庫所在地的水文工程地質條件等有密切的聯系。

  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的水文地質與工程地質條件,查明尾礦的沉積規律及沉積時間,這就要求在尾礦庫的日常管理中必須建立尾礦庫的動態管理數據庫,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。

  參考文獻:

  [1]陳祥福.沉降計算理論及工程實例[M].北京:科學出版社,2005.

  [2]金鐘集,等.現代尾礦設施設計與管理維護技術及尾礦資源綜合利用實用手冊[M].北京:北京礦業大學出版社,2005.

  作者簡介:郭朝陽(1971-),男,廣東韶關人,湖南有色冶金勞動保護研究院水工環地質工程師,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。

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