0 前言

对一个矿山而言, 尾砂库的正常、安全运行与否, 直接关系到矿山选厂生产的持续和企业经济效益的大问题。怎样从实际出发, 对矿山尾砂库坝体的变形实施技术监测, 并结合稳定性变化研究, 及时为坝体的安全措施决策提供科学依据, 使其能容纳日复一日的选矿尾砂, 具有十分重要的现实意义。

针对平水铜矿尾砂库址的具体情况，矿山开展了长期的坝体沉降与位移的变形监测, 并对坝体稳定性进行了综合分析与研究。由于信息的及时反馈, 使问题的决策获得科学依据。八年来, 尾砂库运行安全而稳定。

1 尾砂库址的基本情况

尾砂库位于距矿区工业广场1km左右的西北角山间盆地里, 三面是小山环抱。山丘为风化型岩土层, 其主要组份是角砾岩, f=5~6。稳定性尚好。库内地势平坦, 坝脚下为农田, 500m处是农舍民宅。

尾砂库坝体, 为石料和黄泥粘合而成的混合料坝, 其间有2m厚的黄沙堆成的反滤层。基础坝相对高度为40m, 库内流域面积达0.29km², 调洪安全高度为2m, 坝底宽度为116m, 长为20m;坝顶海拔高程为90m, 宽5m;坝轴心长度为127m;位于海拔50~70m的水平上各有一条宽2m的道路; 轴线方向上有一条长65m的排水斜槽和一条规格为2m×1.8m, 长593m的排水隧洞。尾砂坝的体积为17.7万m³, 库坝的尾砂最大堆高在135m水平, 最终库容量为360万m³, 1987年10月投入使用。

2 坝体变形监测网点布设与实施

在坝体监测中, 共设4条观测线, 观测点10个(不含基准点), 组成了较为完善的观测网络。图 1是坝体观测网点布设图。其中, 第一条观测线在90m水平线上, 桩的编号为坝₁~坝_1-4; 第二条设在80m水平上, 桩的编号为坝₂~坝_2-4; 第三条设在70m水平上, 桩的编号为坝₃~坝_3-4; 第四条设在50m水平上, 桩的编号为坝₄~现_4-2。

把埋设在西侧山坡的坝₁、坝₂、坝₃、坝₄点, 坝脚下的坝₅点, 东侧山坡的坝_4-2、坝_3-4、坝_2-4、坝_1-4点作为基准点。其中东、西两侧点桩埋至基岩, 并用水泥浇灌到离地面50cm时, 埋设预制水泥桩。其余监测点桩均为2m长钢管预埋。然后通过沉降与平面位移观测, 来实现对坝体三维稳定性的分析与研究。

2.1 平面位移观测网的实施

根据尾砂库址地形复杂, 观测点通视性差和控制面积小的情况, 并考虑到首级控制用三角网或锁的形式布置较困难, 故在原来的3个四等三角点49^#、47^#、茶山点内插坝₁点, 如图 2所示。经计算, 坝₁点点位中误差为0.008m。从而保证了观测工作的顺利进行。测点49^#~坝₁作为起始方向, 坝₁点为起算坐标, 按5"级精度导线, 形成一个东、西两侧山坡的基准点及部分监测点的导线环, 如图 3所示, 然后, 再联测其余监测点。外业测量时, 用J₂级光学经纬仪进行两测回, 量距经过温度、拉力、垂曲、倾斜等校正。

2.2 沉降观测网点的实施

利用矿区唯一的三等西二点, 对所有监测点及基准点进行水准联测, 使用S₃级自动安平水准仪与3m木质水准尺, 按四等要求, 对坝内各基准点的联测共160站, 闭合差为+15mm, 达到了规范要求。

3 控制网的平差及精度评定 3.1 闭合导线的平差及精度评定

如图 3所示, 选择部分监测点及基准点, 组成一个闭合环在计算机上进行条件平差。

测角中误差计算:

式中:ƒ_βi——为各环导线闭合差;

n——为导线测站数;

N——为闭合环个数。

3.2 高程控制的平差及精度评定

由三等西二点和库坝两侧基准点组成一闭合水准路线进行条件平差。按与测站数成反比的原则确定权, 并取C为100个测站观测高差的权为单位权。

计算单位权中误差：

式中:P_i=C/n_i；

v_i——为水准路线观测高差改正数；

r——为条件数。

可得

对基准点进行平差后, 以上述成果为基础对其他监测点进行导线及高程平差, 求得各监测点坐标及高程平差值。

4 观测结果整理

坝体变形观测网, 在1987年尾砂库投入使用前就已实施, 并获得了起始的观测值。正常观测是每年一次。对于外作业, 要求最短时间内完成, 以确保其观测精度相同; 在7年的实测中, 均按5"级精度导线和四等水准要求进行, 获得了大量数据, 并整理出坝体沉降与位移曲线, 见图 4和图 5所示。坝体下沉量和位移值, 见表1~4所列。

5 尾砂坝体的稳定性分析

通过近8年的坝体沉降与位移的观测, 揭示了坝体变形对稳定性影响的基本规律与特征。这对指导矿山正常维护尾砂库的安全运行, 具有科学性和现实性。

5.1 年沉降平均值呈U字形变化

坝体构筑料随时间增加而逐渐固结, 自重夯实压缩使坝体致密程度增大, 所以在尾矿库运行中期沉降值的年平均数偏小, 如表 2所列。而前后期的沉降值稍偏大是因坝体刚刚砌筑尚待固结和尾砂堆积外推力增大的原因。U字形的变化趋势与实际情况基本吻合。

观测结果表明, 在图 1、2中的3条观测线中, 处于坝体中央的2^#点沉降最大, 而东西两侧的观测点的沉降值则明显减小。各测点沉降量呈现差异性的主要原因有:

a.坝体中央人工砌体堆积高度大于两侧, 由于新堆砌体的下夯, 使沉降值较大。

b.中央处, 全是混合料筑砌的堆积体, 其松散程度较高, 下沉量大, 而两侧有斜坡山体作库坝的实际支承, 紧固程度相对较好, 使下沉量较小。

上述表明, 主坝体监测点的沉降值与库坝运行时间长短、观测桩的位置以及坝体砌筑质量等有关。这对坝体设计与建造具有重大意义。

5.2 位移变化的基本特征与规律

图 5的曲线说明, 坝体的位移趋势是主坝体沿库坝的轴线向外侧推移, 并有中心部位的位移量大于两侧的特征。其主要原因是:

a.从监测的数据和曲线可知, 在1990年前坝体沿轴线方向的位移值出现了坝中大于两侧的现象, 这是因为主坝体自重压实引起的纵向沉降而产生的横向拉伸所致。在1989年前的尾库运行初期, 坝脚的3-1^#、3-2^#、3-3^#测点, 出现过坝体内侧的水平位移现象。

b.当每年10万多t的尾砂进入尾砂库内后, 尾砂堆积量增大。至1991年, 坝堆上升顶面向库内侧伸进12m, 坝顶净增高2m。由此而产生的侧向压力迫使坝体外移, 出现位移增加现象。

c.尾砂库的外坝面为石块铺砌而成, 坡度比较小(1:1.1)。因此, 布在外坝面上的观测桩点, 会受到砌面自身干结和自重压实使坝石下滑所产生的影响。

5.3 坝体稳定性分析

综上所述, 坝体的稳定性经过了沉降性变形、挤张性位移和非稳定性变化等几个不同的阶段后, 随之新尾砂的堆积体将向小山脊方向伸展, 加上尾砂堆积后自重派生的外推力相对减退, 坝体会呈现基本稳定态势。

长期的监测资料表明, 尾砂库坝体的平面变形, 是以坝体轴心为中点的微弧状, 与实际情况相符。在坝体变形过程中, 1989年和1990年, 坝体的东西向同一处出现过长54m、宽2cm和长18m、宽5mm的裂缝。当时综合分析认为, 坝体出现这种沉降变形是由于内外介质体差异运动所致, 不属尾砂坝实体错位的裂痕。事实上, 大雨后的次日, 裂缝均自行消失, 坝体稳定。可见, 加强对坝体的变形监测, 随时对其稳定性进行分析和研究, 这对坝体的稳定作出正确判断具有现实意义。

6 结语

为保持矿山持续生产, 尾砂库的坝体变形监测与稳定分析是十分必要的。矿山通过坝体变形过程的监测和系统性研究, 为坝体的安全渡汛, 初期阶段沉降变形的准确判断和安全措施决策, 提供了科学依据。

尾砂坝的变形与稳定性分析, 说明对其影响最大的是尾砂坝构筑体的质量及其坚实性。因为它对于减少或避免沉降时差异运动引起的开裂变形有阻尼作用; 防止溢流水对坝体表面的浸蚀和水化作用, 并随着尾砂的不断堆积, 进一步加强坝体管理, 结合宏观变化的综合监测, 实现尾砂坝的安全运行。为使坝体的稳定性更能反映客观实际情况, 建议坝中央测点桩应与基础坝脚同时浇注; 并能敷设应变计、沉降仪等精度高的观测元件, 为获得更充分的科学数据, 让库体稳定性观测研究结论更好地为矿山生产服务。