姚承余

（中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410123）

0 引言

赤泥是铝矿生产氧化铝所排放的一种带强碱性的泥浆废弃物，当前技术条件下赤泥还未能得到有效利用和处理，各铝厂只能选定一个理想场所堆放赤泥。中国铝业广西分公司氧化铝厂赤泥堆场地处岩溶区，地质条件复杂，同时其距离右江约2km，增高扩容后坝体的稳定性一旦得不到有效保障，坝体发生重大垮坝、滑移事故后，赤泥附液渗漏将对环境和地下水体造成严重污染。因此，加强对堆场现状及增高扩容后的稳定性分析与研究并提出切实可行措施对赤泥堆场增高扩容的可行性和长期安全运行至关重要。

1 赤泥堆场概况

中国铝业广西分公司氧化铝厂赤泥堆场位于广西壮族自治区平果市新安镇局祥屯与陇均屯之间，西南侧距G80 南百高速约100m，北侧距氧化铝厂区东南部约1.0km，东侧距平果县城约7.0km。该赤泥堆场属平地型尾矿库，堆场初期坝坝底标高约为108m，采用上游式筑坝堆存，被分隔成4 个堆存区，其中一、二、三期采用浆体干法堆存，用于堆存含水率大于液限、小于150%的赤泥浆体，干法赤泥堆场采用滤饼干法堆存，用于堆存含水率小于液限赤泥。目前一、二期堆场筑坝高度均已达到原设计要求，干法堆已进行至第三级筑坝，各级子坝高度为6m，坝顶标高约134m。本次计划增高至160m，设计坝高52m，加高扩容后的全库容约为35×106m3，根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》3.0.3 条规定，该赤泥堆场等别为Ⅲ等，赤泥堆场堆积坝级别为三级。

2 赤泥堆场的工程地质条件

2.1 地层岩性

根据勘察资料，结合原位测试试验以及室内土工试验成果，赤泥堆场分布的地层为第四系尾粉土、人工填土、残坡积黏土，下伏基岩为下三迭统北泗组（T1b）白云质灰岩[1]。各地层的野外特征自上而下依次描述。

（1）尾粉土（Qml）由一期及二期赤泥堆场的尾粉土主要经排泥管排入自然风干后经推土机推高翻晒形成，浆体干法堆存工艺；干堆场采用滤饼干法堆存工艺。尾粉土外观上呈紫红、紫褐色，局部为灰黄色，局部黏粒富集成尾粉质黏土。尾粉土呈稍湿～很湿状态，摇振反应强，光泽反应无光泽，干强度及韧性低。根据含水量及物理性质差异，分为5 个亚层。

尾粉土①1（“①1”为地层编号，下同）：为一、二期堆场各级子坝填筑土，呈湿、密实状态。该层经人工碾压夯实，基本完成自重固结。天然含水量为21.7%，天然密度平均值为20.7kN/m3，比重为3.17，孔隙比平均值为0.866，粘聚力为14.0kPa，内摩擦角标准值为23.0°。

尾粉土①2：呈很湿、中密状态，尚未完成自重固结。天然含水量为31.2%，天然密度平均值为20.4kN/m3，比重为3.27，孔隙比平均值为1.100，粘聚力为23.8kPa，内摩擦角标准值为19.2°。

尾粉土①3：呈很湿、稍密状态，尚未完成自重固结。天然含水量为36.1%，天然密度平均值为20.3kN/m3，比重为3.28，孔隙比平均值为1.209，粘聚力为19.0kPa，内摩擦角标准值为16.8°。

尾粉土①4：呈很湿、松散状态，尚未完成自重固结。天然含水量为41.0%，天然密度平均值为19.7kN/m3，比重为3.27，孔隙比平均值为1.338，粘聚力为17.0kPa，内摩擦角标准值为15.9°。

尾粉土①5：为滤饼干法堆存工艺处理后的赤泥，呈稍湿～很湿、中密～密实状态。该层分布于干堆场，堆填时间约1~5 年，尚未完成自重固结。天然含水量为21.2%，天然密度平均值为20.2kN/m3，比重为3.22，孔隙比平均值为0.934，粘聚力为11.0kPa，内摩擦角标准值为 21.4°。

（2）人工填土（Qml）可分为两个亚层。

人工填土②：为一、二期堆场及干堆场初期坝坝体填筑材料，杂色，主要由块石、碎石及粘性土组成，直径大于10cm 含量超过60%，块石主要成分为白云质灰岩、最大直径可达35cm。局部含少量混凝土碎块，密实度不均匀，总体呈中密状态。

人工填土②1：杂色，系新近堆填而成，主要由粘性土组成，局部为碎石，呈松散～稍密状态，密实度不均匀。该层零星分布于堆场周边土路、道路两侧，堆填时间大于1 年，尚未完成自重固结。

（3）黏土③（Q4el+dl）呈褐黄、土黄色，系灰岩原地风化坡残积而成，不均匀地含10%～30%灰岩质碎石，呈可塑～硬塑状态；切面稍有光泽，摇振无反应，干强度中等，韧性中等。由于该层局部地段出露标高较高，一期堆场初期坝采用了该层作为坝体。

（4）下三迭统北泗组微风化白云质灰岩④（T1b）呈青灰色，主要矿物成分为方解石，隐晶质结构，中～厚层状构造。沿层面或节理面局部可见矿物风化，节理裂缝稍发育，岩芯较完整，以柱状为主，少量长柱状、短柱状，钻进较困难。岩体较完整，属较硬岩。

2.2 堆场地震效应

初期坝坝底下伏基岩为三迭统北泗组（T1b）白云质灰岩，岩层顶面标高约101～108m，覆盖层厚度介于0~8m，初期坝的场地类别可划分为Ⅰ～Ⅱ类，堆积坝的场地类别Ⅱ类。

根据《构筑物抗震设计规范》附录A 及《中国地震动参数区划图》，赤泥堆场所在场地的抗震设防烈度为Ⅶ度，场地基本地震动峰值加速度为0.15g，基本地震动反应谱特征周期为0.35s，设计地震分组为第一组。

赤泥坝本身主要由尾粉土组成，上游为强度较低的赤泥，下游为临空面，赤泥坝类似于人工形成的土质高边坡，在地震作用下可能发生滑坡或崩塌现象，故赤泥坝属于抗震不利的构筑物。

赤泥堆场初期坝坝底标高约为108m（坝顶标高约为118m），堆场计划增高至160m，坝高约52m，设计全库容约为35×106m3，结合赤泥堆场周边环境，按《构筑物抗震设计规范》第23.1.2 规定，加高扩容后赤泥堆坝的抗震等级为Ⅲ级。根据本勘察所取得的地层资料，本场地地层为尾粉土层，尾粉土的粘粒含量占比大于10%，赤泥堆场所在场地的抗震设防烈度为Ⅶ度，参考《建筑抗震设计规范》4.3 节第二条堆场内的尾粉土层可判别为不液化或可不考虑液化影响。

3 堆场水文地质条件

3.1 堆场地表水

堆场附近地表水系为距离堆场北侧2km 处的右江，堆场库区内建有完善的排洪系统，堆场内大部分积水经排水竖井管道排出场外，堆场内积水仅为小面积积水，其主要补给来源为赤泥附液和大气降水，主要以蒸发和下渗的形式排泄。根据现场查访，赤泥坝运行10余年从未出现过由于暴雨致使洪水漫顶而造成溃坝事故。在遇大雨及暴雨过后，回水池进行回收处理时应注意及时抽排，控制堆场内积水不应过多，保障干滩长度足够。

3.2 堆场地下水

一、二期堆场的地下水主要向东南方向流，三期堆场的地下水具有管道流特征，沿北西或北向流动[2]。一期、二期、三期堆场地下水流至干堆场，经平南、局祥地下河流动天窗汇合后拐至北东向，最后向右江排泄。

影响堆场坝体稳定的地下水为堆场初期坝基以上的地下水，其主要为上层滞水，上层滞水赋存于尾粉土中，受大气降水、堆场内积水补给，经排洪口和集水管道排泄，水量较小，无统一地下水面，水位变化较大，呈现不均匀性。根据堆场增高扩容勘察资料，堆场地下水稳定水位埋深介于10.20～23.60m，标高介于99.21～149.83m，水位变化幅度为5.00～10.00m。赤泥尾粉土渗透系数为 1.49×10-6～7.06×10-6，为微透水性地层。

4 赤泥堆场现状稳定性分析与评价

根据勘察结果，初期坝未见滑移、开裂等变形现象，各级堆积坝体未见整体滑移与贯通裂缝等现象，坝脚周围未见明显的裂缝、坍塌、渗漏、变形、泉眼、沼泽化现象。根据一期、二期赤泥堆场及干堆场截至2021年11 月18 日的在线监测位移成果资料，坝体目前的位移变形均未超过预警值，处于稳定状态；目前排渗系统存在的隐患主要有排水沟破损、堵塞以及侧壁局部发生倾斜；一期、二期赤泥堆场根据在线监测浸润线成果表明，各监测点变化值均处于正常值范围内。

堆场堆积坝级别为三级，其形成的边坡属土质边坡。坝体稳定性计算采用“圆弧滑动破坏”模式，圆弧分析方法为瑞典条分法，计算公式按《建筑边坡工程技术规范》附录A 公式A.0.1，对一期、二期赤泥堆场及干堆场均匀选用与坝体垂直坝轴线且位于坝体最高处的剖面线。运用理正岩土计算6.5PB2 版软件进行稳定性计算，圆弧稳定计算目标采用给定圆弧出、入口范围及指定圆心范围搜索最危险滑面多种搜索方式，采用快剪指标进行验算。稳定性计算时主要考虑正常运行工况。计算结果表明：一期、二期赤泥堆场及干堆场各剖面在正常运行工况下，稳定系数介于1.230～1.816，满足规范要求的最小安全系数。

5 加高扩容后坝体稳定性分析与评价

堆存时间越长、越靠近堆场底部的赤泥，含水量总体呈增大趋势，相当于在堆存加高过程中，雨水及赤泥附液下渗补给至下部赤泥的水量多于下部赤泥排渗减少的水量，后续加高宜采用虑饼干法堆存[3]，同时应做好排洪措施，以减少雨水、赤泥液下渗。

干式排放后的赤泥泥浆经日晒蒸发以及下渗作用，堆场表面干燥后可能出现不同程度的裂缝现象。按裂缝发展规模，可以分为主裂缝、次裂缝[4]，主裂缝长度范围在 30～180m，宽度在 8～40cm，切割深度 50～265cm，呈张性，局部呈张扭性，表现为水平张拉为主，垂直差异沉降为辅等主要特点，产状近乎垂直。如裂缝长期发展下去，一旦连续几天出现暴雨情况，雨水很容易通过裂缝直接渗透到坝体内部，大大减弱堆积坝体的强度，从而影响赤泥坝的稳定。裂缝发育具体原因有以下4 点：①沉降差异引起的沉降缝；②失水收缩引起的收缩缝；③可溶盐溶解引起的压缩裂缝；④高度与排泥浆时间差引起的压力差产生裂缝。

根据《干法赤泥堆场设计规范》，加高扩容后的设计等别按三级考虑，最小安全超高取0.70m，据此反推设计洪水位取159.30m、最小干滩长度取50m，考虑裂缝的影响，坝体稳定性计算采用瑞典圆弧法，条分宽度为1m，计算结果表明：加高扩容后一期、二期赤泥堆场及干堆场各剖面在正常、洪水、特殊（地震）运行工况下分别满足规范最小安全系数1.20、1.10、1.05 的要求。

6 结语

（1）本次对当前赤泥坝体在现状条件和增高扩容条件下从总体定量评价和预测坝体的工作状态，以确保运行中的堆场坝体是否满足规范要求的安全值。建议按规范每3 年对赤泥坝现状和后期边坡稳定性进行综合性评价。

（2）要保证堆积坝体的稳定性就必须降低浸润线，排水系统是否良好直接决定浸润线位置的高低，后续加高宜采用虑饼干法堆存。

（3）裂缝的存在使赤泥结构强度降低以及破坏了赤泥的整体性，还使雨水沿裂缝渗透到堆场内部，致使赤泥含水量增大。因此加强对赤泥堆场裂缝形成的机理研究并提出切实可行的防灾措施，对赤泥坝的长期稳定性有十分重要意义。