高寒高海拔尾矿库初期坝坝基冻土处理措施

高寒高海拔尾矿库初期坝坝基冻土处理措施

张欢春

西藏集为建设工程有限公司  西藏自治区拉萨  850000

摘  要

冻土是相对复杂的不良地质体，随外界环境的热扰动而产生敏感的响应。冻土作为尾矿库初期坝的基础，热扰动的影响必然导致其稳定性产生变化。初期坝稳定性是尾矿坝安全稳定的前提条件，尤其是位于多年冻土上部的初期坝，其重要性更加明显。目前国内关于多年冻土区尾矿库初期坝工程建设及其长期稳定性和适宜性的研究，几乎找不到实践案例，而且国内关于高原高海拔尾矿库多年冻土的研究资料也不多，这方面的理论研究、地质勘察、工程措施在多年冻土区工程建设中的可行性和有效性也没有足够的借鉴成果，通过对西藏华夏矿业有限公司新建尾矿库坝基冻土的处理，对以后高原高海拔尾矿库冻土坝基的处理提供方案。

关键词：冻土；初期坝；尾矿库；处理措施；

一、冻土概述

在西藏华夏矿业有限公司新尾矿库初期坝右岸坝基清基开挖过程中，发现初期坝右坝肩坝基区域发育有多年冻土，多年冻土分布在第四系碎石坡积层内，施工最大揭露深度达36m，已经揭露部分显示冻土厚度在7~10m，随即暂停初期坝的施工开挖，并邀请国内有关冻土方面的专家到施工现场进行查勘。

根据《冻土区补勘报告》，项目初期坝右坝肩场地冻土为多年冻土和季节冻土，并以多年冻土为主，局部存在季节冻土。冻土区位于初期坝坝址西侧阴面，海拔5060～5110m，第四系堆积物的地形坡度在45°左右，山势陡峻，坡顶为陡露的基岩。该区外动力地质作用强烈，坡面覆盖14.5-34.5m不等的第四系松散堆积物，表层覆盖碎石堆积物。冻土区地基土按成因类型从上至下可分为：第四系冰积块石土、碎石土（Qgl）、第四系残坡积碎石土（Qedl）、第四系残积碎石土（Qel）以及石炭系旁多群砂质板岩（CPn）。冻土区分布的基本都是碎石类土体，主要是由第四系冰水堆积、冰碛、残坡积等物质组成。土体颗粒主要是碎石、角砾、砾、卵及少量细颗粒构成，碎石类土最大厚度约34.5m，局部存在软弱砂层，厚度较小，数量较少，细颗粒矿物含量小于5%。冻土区冻结期平均地表温度-5.9℃，冻结的持续时间为137.7天。依据现场实测及高密度电法测量资料，冻土区纵向圈定三个区域，分别是I段、II段、III段，纵向呈台阶式分布，依据I段冻土区冻结线，量取台阶高度约3~8m，冻土层平均斜厚度5.52m，坡面角约45°，上部的台阶宽度为30m左右；II段冻土区顶部呈半弧形，冻土层平均斜厚度16.72m，坡面角约45°，其上部宽度约20m，有工程道路；III段冻土区已经接近基岩，厚度较小，顺坡产出。

I段、II段冻土在初期坝右坝肩分布范围较大，其中I段冻土区面积为4723m2，II段冻土区面积为3310m2。通过现场揭露，I段冻土区的冻结线界面标高为5066m，冻结界线基本在此标高以上。由于前期施工，造成目前I、II段冻土区呈台阶式分布，I、II段冻土区的台阶平均标高分别为5070m、5088m。III段为季节冻土，且发育面积较小。

I段冻土区多年冻土平均垂直厚度约3.91m（含活动层厚度0.83m）；II段冻土区多年冻土平均垂直厚度约11.82m（含活动层厚度1.06m）；III段冻土为季节冻土，经揭露可见少量堆积物处于冻结状态，含冰量不大，块石、碎石土顺基岩面堆积。

二、冻土治理措施

2.1 放缓初期坝下游边坡

为有效应对冻土地基冻融循环破坏及热融沉陷等对尾矿坝稳定安全的不利影响，拟将初期坝下游坝坡适当放缓。初期坝原设计下游坝坡平均坡比1:2.2，每隔10m高差设置一级2m宽的马道，边坡台阶坡比1:2。拟将初期坝外坝坡边坡平均坡比由原设计的1:2.2变更为1:2.5，外坝坡每隔10m高差设置一级5m宽的马道，边坡台阶坡比1:2。

2.2 提高初期坝坝体碾压标准

为合理控制初期坝沉陷变形量，有效降低冻土地基热融沉陷对坝体沉降的影响，在放缓初期坝下游坝坡的同时，拟提高初期坝各分区的碾压填筑标准，同时要求对沟底及两侧岸坡坝基面包括冻土发育区表层松散层进行夯实。原设计初期坝上游及底部浸润线以下部位新鲜堆石料碾压后孔隙率要求小于28%，坝体底部防渗衬层上部防护垫层碎石料碾压后孔隙率要求小于20%，其余部位风化石料要求碾压后最大干密度1.9t/m3以上。

2.3 初期坝顶预留沉降超高

为进一步减小初期坝沉陷变形的不利影响，在提高坝体碾压标准的同时，在坝体施工阶段坝顶拟预留一定的竣工后的沉降超高。

根据初期坝基冻土层的分布情况及冻土特性，经验公式计算得到冻土区域冻土全部自然融化后的最大沉降量约2.83m，考虑土石坝坝体沉降量0.5%H，初期坝右坝肩I区段冻土区坝顶的最大沉降量可达3m。鉴于冻土消融变形是一个缓慢的过程，坝顶最大沉降超高全部纳入施工期考虑显然不科学，因此，本次施工期坝顶预留沉降超高暂按照1.0m考虑，具体可根据施工期监测结果进行修正。尾矿库后期运行过程中，须根据初期坝坝体变形监测结果，每年定期对初期坝沉降不均匀部位特别是局部塌陷坑处利用新鲜级配石料及时采用机械或人工方法进行压实修复。

2.4 优化调整初期坝坝底防渗衬层结构及敷设范围

为减少尾矿水对冻土地基的扰动影响，尽可能控制多年冻土冻融速率，拟对初期坝坝底冻土发育区域防渗衬层结构进行优化调整。

与此同时，为创造坝肩岸坡地下水排泄条件，增大初期坝与建基面的摩擦力、提高坝体抗滑稳定性，同时降低工程防渗投资，拟对初期坝底部下游侧冻土范围以外防渗衬层敷设范围进行优化调整。结合膜上尾矿渗水浸润面形态，拟将初期坝底部坝顶平台下游侧防渗衬层铺设范围随地下流场形态逐渐收缩，下游坡底铺膜范围按照不陡于1:1.5边坡范围控制，且确保防渗衬层铺设高度范围不小于沟底建基面以上5m高度范围。

2.5 增设初期坝冻土区域膜下排渗盲沟

为确保地下水能及时排泄，减少地基层毛细水上升高度，控制冻胀厚度及冻胀量，确保地基持力层稳定，拟在初期坝右坝肩冻土发育区域建基面内增设若干碎石盲沟导排地下水，排渗盲沟采用底宽不小于2m、高度不小于2.0m、两侧边坡1:0.5的梯形断面盲沟，盲沟沿岸坡地形平行坝轴线布置，间距25m，沿坝轴线布置一道，坝轴线上下游各布置2道，共增设不少于5道支盲沟，支盲沟接入沟底主盲沟内。

2.6 不同尾矿设施施工选择不同的施工季节

由于项目区一年内仅有寒季和暖季之分，施工季节对尾矿库工程的安全性影响十分重要。

为确保施工质量，初期坝坝基面开挖及压实，坝基盲沟、防渗衬层等尾矿设施施工建议在暖季一次性快速完成，并做好冻土区的扰动保护和保温工作。

2.7 清除或预融Ⅲ段区季节冻土层

由于初期坝右坝肩上部Ⅲ段区为季节冻土层，厚度较小，且分布范围不大，建议坝基开挖时通过分层融化法将冻土层预融或完全清除的方式，彻底消除冻土层的影响。分层融化法是指暖季从冻土地表面开始定期剥离融化的绝热层，逐层用推土机将冻土剥离。冻土预融后，须对相应土层进行碾压密实方可进行上部坝体填筑。

结语

在高寒高海拔这样一个独特的地区构建矿山尾矿库，将会面临许多特殊的工程地质问题和技术上的困难。高寒高海拔脆弱的生态环境、恶劣的气候都要求尾矿库的设计者必须以高度严谨的科学态度来做好施工工作。

参考文献

[1]闫胜春.冻土变化对高原基础设施建设施工影响的探讨[J]..产业与科技论坛,2021(22):58-59.

[2] 李俊飞；谭永仓；杨洋；野海堂.如何提升高寒地区绳索救援能力[J].消防界（电子版）,2022(14):25-27.