张小强

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

某尾矿库坝体对排洪隧道的影响评价

张小强

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

尾矿库的排洪构筑物多以隧洞、涵洞、溢洪道的形式体现，且大多避开了排洪构筑物上部重要建筑物在尾矿库运营期间对其可能造成的影响，而从主坝侧部或地下深部进行排洪构筑物的建设。某某尾矿库附属排洪隧道从主坝轴线下深约80 m处通过，为考虑尾矿库建成运营期间坝体上部荷载作用对排洪隧道的影响，通对对隧道围岩质量、隧道涌水量的计算，建立有限元计算模型进行了评价。

尾矿库;排洪隧道;涌水量;围岩应力

隧洞、涵洞、溢洪道是尾矿库常用的排洪构筑物，也是尾矿库的大动脉，其主要作用是排泄洪水及澄清水，保护尾矿坝的安全，隧洞及溢洪道一般受地形及地质因素限制。不光施工有一定的难度，其上部的建筑物或围岩对其的运营影响也是很大，一旦出现故障或者排水排泄不顺畅，将对尾矿库造成严重的危害，甚至会给环境、下游的居民带来严重的后果［1］。

根据有关统计材料的显示，国内尾矿库病害事故中，排洪系统病害事故占到33.3%，洪水漫顶的占到44.4%，由此可见，尾矿库排洪系统不仅重要，而且一旦破坏很难修复，损失重大［2］。

某尾矿库已建好排洪隧道正好穿过拟建库区最终坝坝轴线，通过对排洪隧道的勘察及评价隧址区构造地质较简单，地层为单斜构造，未发现断层等不良灾害地质体，无高应力区、集中应力区作用，也无偏压作用，隧道距离尾矿库坝轴线顶约70～80 m，已施工完成的隧道对尾矿库建设基本无影响。但在坝址建设期间或运营过程中，坝体上部荷载作用会对排洪隧道造成一定的影响。本文主要通过分析隧道周围围岩质量及隧道涌水量，在上部坝体施工期间或运营后上部荷载作用对排洪隧道是否造成影响建立有限元计算模型进行评价。1

1 排洪隧道概况

排洪隧道:全长1 145.71 m，进口标高为4 273 m，出口标高为4 250 m，上部坝体最高标高4 400 m，坡比为0.02。隧道通过地段内地表海拔高程在4 249.96～4 362.13 m间，自然坡度角在5°～45°左右。排洪隧道为2×2.5 m城门洞型，衬砌为钢筋混凝土结构。

拟建隧址区位于傍山斜坡地带，为高山峡谷地形，以风化剥蚀作用为主，属于构造剥蚀地貌。溶蚀作用强烈，岩溶比较发育，溶沟、溶槽、溶蚀裂隙主要分布于山顶及位置高地段。

2 排洪隧道围岩质量

岩石质量指标RQD值与钻探施工工艺有直接关系，勘察中对所有钻孔全孔钻探施工均采用金刚石钻头钻进双管单动半合取芯管取芯工艺施工，其全孔岩芯采取率可达85%～100%，对围岩区的RQD值统计能正确反映其岩石完整性。

勘察区内页岩强风化带钻孔岩芯多呈碎块状，局部可呈短柱状及柱状，RQD值一般小于40%，局部可达40% ～90%;页岩构造破碎带钻孔岩芯多呈角砾状、碎块状，RQD值为0，岩石质量极差;页岩中风化带岩芯多呈短柱状及柱状，岩石质量相对较好，RQD值一般为30% ～100%，局部小于30%。灰岩强风化带裂隙发育，岩芯多呈碎块状，RQD值为0～11%;灰岩中风化带裂隙较发育，岩体完整性及岩石质量波动大，RQD值为0～64%，局部可达100%;溶蚀破碎带处岩石多呈碎块状，RQD值一般为0，局部可达10%。岩石质量从差至好均有分布，通过实验，中风化页岩饱和极限抗压强度 4.16 ～7.52 Mpa，修正值为 4.575 Mpa，属软岩。中风化灰岩饱和极限抗压强度29.68～45.78 Mpa，修正值为 31.288 Mpa，属较硬岩。

3 隧道涌水量计算

3.1 涌水特征

隧道区地下水类型主要为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水，拟建场地地势开阔，汇水面积大，地层主要为结构松散的碎石土以及页岩、灰岩，岩体较破碎，渗透系数较大，在强降雨情况下会对拟建隧道产生影响。隧道进口段由于埋藏较深，地层处于强风化页岩体内，岩体完整程度相对较好，出水形态以潮湿或点滴状出水为主。隧道出口段埋藏浅，地层处于第四系残坡积松散碎石土层，主要靠大气降水补给，一般呈潮湿或干燥状态，暴雨期间出水形态以淋水、股状出水为主。洞身段穿越区内一构造破碎带，岩体受其影响，节理强发育，在隧道通过构造破碎带段及附近区段时，隧道会揭穿构造破碎带的排水通道，会出现涌水、突水;其它岩体段，岩体裂隙较发育，地下水主要为岩石裂隙渗透水，中风化页岩隔水性相对较好，洞身经过页岩地段时洞体一般呈潮湿状态或有少量涌水，而灰岩裂隙贯通性较好，洞身经过灰岩时会有点滴状或股状地下水浸入洞身或有少量涌水。

根据区域地质资料，粉质粘土、碎块石土(夹少量砾石)属第四系早、中更新统残坡积层(Q4el+dl)，其碎石、砾石及块石大小混杂而呈渐变关系，同时，其中可能会夹杂一些粉状砂土或细粒粘性土，渗透系数极小，可能会出现鸡窝状的含水土体，洞身遇含水土体时可能会有涌水。

3.2 隧道涌水量计算

该隧道总体地下水相对较贫乏，且上部有较厚的粉质粘土和碎石土，为相对隔水层，现采用大气降水渗入量法对隧道的涌水量进行预测［3］。

式中:Q为隧道涌水量，m3/d;F为汇水面积(由平面图量测)，为3.12×106m2;X 为多年平均降雨量，510.6 mm，即0.510 6 m;α为入渗系数，取经验值0.35;T为时间，365 d;计算结果:Q=1 527.60 m3/d。

经以上初步计算并结合场地实际情况:在无降雨情况下，场区内地表水和地下水对隧道影响较小;但场区内雨量充沛，而基岩以较破碎—破碎的灰岩、页岩为主，节理裂隙发育，渗透系数较大，在强降雨情况下，降水易下渗，在隧道施工时可能产生较大的涌水量。根据隧址区地层情况及岩层节理裂隙统计分析:预计最大涌水量可达4 000 m3/d。

4 坝体均布荷载下对排洪隧道的影响

4.1 计算参数的选择

尾矿库最大坝高h=143 m，坝体重度r=2.2 g/cm3，重力加速度g=10 m/s2考虑，重力G=r*g*h=3 MPa。本次勘察在结合排洪隧道前期资料的基础上，按照坝体建成均布荷载3 MPa考虑，分析了坝体对现有排洪隧道的影响。

有限元计算模型建议参数计

4.2 排洪隧道围岩应力与变形特征

1)荷载条件下围岩的应力特征

选取排洪隧道工程地质横断面图建立的有限元计算模型如图1。

通过计算，在加载状态下，隧洞开挖前应力场的分布较为均匀，且随深度变化符合一般地应力场分布规律，其中最大主应力σ1方向基本上为洞周方向，最小主应力σ3方向基本沿洞径方向。从坡体表面向坡体内，应力逐渐增大，在引水隧洞开挖范围内，应力较小，最大主应力σ1一般在6.0 MPa左右，最小主应力σ3多在2.20 MPa以下。

图1 有限元计算模型

2)开挖条件下围岩应力特征

洞室开挖后，由于围岩应力重分布，加载状态下，开挖后在洞室的顶拱、底板位置形成低应力区，σ1量值大小为0.50 MPa～1.50 MPa;而洞壁两侧处形成新的应力增高区，σ1量值增大为 7.0 MPa～ 10.0 MPa，σ3量值大小在 0.60 MPa～1.05 MPa左右。除隧洞底部外，洞周围岩应力多为压应力，基本上未出现拉应力区。

3)开挖后无支护条件下围岩变形特征

计算开挖无支护条件下硐室围岩位移特征如图8。位移均向开挖临空方向，硐室顶拱、底板的位移量约4.5～5.5 mm;左右侧边墙围岩总位移为2.0～3.25 mm，围岩位移相对较小。

开挖完成后两侧洞壁发生剪应变集中量值约为0.00 195 ～0.00 225，顶拱、底板剪应变集中量值较小，约为0.00 015。

开挖后隧洞周围基本未出现屈服单元。

根据坝体建成均布荷载后对排洪隧道的评价可知，排洪隧道周围岩应力多为压应力，基本上未出现拉应力区，尾矿库后期堆积坝对现有排洪隧道基本无影响。

5 结语

(1)已建排洪隧道预计最大涌水量可达4 000 m3/d，隧道出洞口位于斜坡上，总体地形开阔，一旦排洪隧道排水，洪水直接进入下游，对下游截渗坝坝基和坝体的稳定会产生很大的影响，因此需要在排洪隧道口至截渗坝段进行洪水排放处理，以排水管道或开挖排水沟等形式让洪水自然流到截渗坝坝体外，以预防对下游截渗坝的影响。

(2)尾矿库建设中必须对附属构筑物可能对坝体运营带来的负面影响进行分析评价，一旦出现故障，将对尾矿库造成严重的危害，甚至会给下游生态环境带来严重的后果。

［1］时炜.浅议尾矿库排洪系统设计［J］.有色矿山，2001，(1)39 －400.

［2］许宏达.我国尾矿库病害事故统计分析［J］.工业建筑，2001，(1)69 －713.

［3］陈崇希.地下水动力学［M］.北京:中国地质大学出版社，2003.

P641.4

B

1004－1184(2013)05－0168－02

2013-04-11

张小强(1979-)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事岩土工程勘察及相关专业的研究工作。