灵石电厂贮灰场闭库稳定性分析岩土工程勘察报告.docx
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灵石电厂贮灰场闭库稳定性分析岩土工程勘察报告
灵石电厂贮灰场闭库稳定性分析岩土工程勘察报告
山西天石电力有限公司
灵石电厂贮灰场闭库稳定性分析
岩土工程勘察报告
山西冶金岩土工程勘察总公司
2008年11月
山西天石电力有限公司灵石电厂
贮灰场闭库稳定性分析岩土工程勘察报告
报告提交单位:
山西冶金岩土工程勘察总公司
总经理：
崔文志
总工程师：
经明
项目负责：
技术负责：
报告编写：
校核：
审核：
审定：
第一章概述1
1.1项目由来1
1.2编制依据1
1.3编制目的和任务2
1.4地理位置2
1.5工作方法、完成工作量及质量评述2
第二章尾矿库基本情况3
2.1.企业概况3
2.2尾矿库设计情况3
2.3尾矿坝现状与运行情况3
2.4尾矿库等别及构筑物级别4
第三章岩土工程勘察4
3.1勘察工作概述4
3.2坝体岩土工程地质条件7
3.3主要物理力学指标8
3.4不良地质作用10
3.5地震效应10
第四章坝体稳定性分析11
4.1计算方法11
4.2计算剖面及参数确定11
4.3计算工况及荷载组合12
4.4坝坡稳定性计算12
第五章结论及建议13
5.1结论13
5.2建议14
附图表：
1、勘探点平面布置图1张
2、工程地质剖面图3张
3、尾矿堆积坝稳定性分析剖面图（计算书）6张
4、物理力学指标统计表1份
5、土工试验成果总表1份
第一章概述
1.1项目由来
环境保护是我国的一项基本国策，电力又是关系国民经济全局的重要基础产业,更是关乎千家万户安居乐业的基本保障,电力发展和国民经济整体发展息息相关。
而废弃物堆场是配合电厂生产不可缺少的重要设施，同时也是企业安全管理最大的危险源。
废弃物堆场一旦失事，将给生态环境及下游人民生命财产造成巨大损失。
山西天石电力有限公司为一矸石发电厂，年发电能力500万KW（2*250万KW），年排放粉煤灰、矸石渣10.0万m3.集广粉煤灰堆场于二零零二年启用，二零零六年停用，共堆积粉煤灰约40万m3。
为评价其安全性，山西天石电力有限公司决定对堆积坝稳定性进行评价。
山西冶金岩土工程勘察总公司是经省安监局认可，专门从事废弃物堆积场稳定性分析的单位之一，具有工程勘察综合类甲级资质。
受山西天石电力有限公司委托对灵石天石电厂工业贮灰堆场进行闭库稳定性分析。
1.2编制依据
1.2.1国家地方政府和主管部门有关安全法规
1.2.1.1《中华人民共和国矿山安全法》
1.2.1.2《尾矿库安全监督管理规定》﹙国家安全生产监督管理总局2006年6月1日﹚。
1.2.1.3《山西省尾矿库坝体稳定性分析基本要求》山西省安全生产监督管理局文件（晋安监督一字〔2008〕147号）。
1.2.2采用主要技术规范、规程、标准
《岩土工程勘察规范》﹙GB50021-2001﹚。
《岩土工程勘察技术规范》﹙YS5002-2004﹚。
《尾矿库安全技术规程》（2006-2005）。
《建筑边坡工程技术规程》（GB50330-2002）
《火力发电厂贮灰场岩土工程勘测技术规程》（DL/T5097-19999）
《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）。
《建筑工程地质钻探技术标准》（JGJ87-92）。
1.3编制目的和任务
1.3.1编制目的
对该贮灰坝闭库稳定性进行分析评价。
1.3.2编制任务
根据编制目的，确定工作任务如下：
1.3.2.1进行现场勘查，包括地形地貌，不良地质现象，周边环境等。
1.3.2.2进行工程地质勘察，获取粉煤灰及坝基土物理力学指标。
1.3.2.3进行稳定性分析计算，综合评价其安全性。
1.3.2.4对今后贮灰坝运行管理提出建议。
1.4.地理位置、水文气象
天石电力有限公司位于灵石县静升镇，紧邻108国道，距大运高速公路2.0公里，贮灰坝位于电厂西侧1.5公里一黄土冲沟内，下游为集广村，距粉煤灰初级坝1.0公里左右。
据灵石气象站气候统计资料，灵石地区年平均气温10.8℃，年平均相对湿度58%，年最大降水量727.00㎜，年最小降水量273.50㎜，年平均降水量481.30㎜.年24h最大降水量131.66㎜，年最大冻土深度93.00㎜.
1.5.工作方法、完成工作量及质量评述
1.5.1工作方法
本次勘察采用钻孔取样、室内土工试验及标准贯入试验、静力触探等原位测试手段进行综合勘察。
1.5.2完成工作量（见工作量一览表）。
1、工程地质钻探：
共布置三个剖面，每条剖面线上布置5-6个勘探点。
布置17个钻孔勘探点。
探井11个，孔深1.0-12.0m，完成钻探总延米567.25m，静力触探7个。
2、原位测试标：
准贯入试验11个孔，静力触探7点，注水试验2点。
3、室内土工试验：
常规项目149件，剪切试验57组，三轴试验57组。
详细工作量和平面布置见工作量一览表、勘探点平面布置图。
1.5.3质量评述
本次勘察从勘探线、点的布置及外业施工，内业资料整理到提交报告均由专业工程师把关，严格按照国家有关规范执行。
第二章尾矿库基本情况
2.1企业概况
山西天石电力有限公司位于山西省灵石县静升镇，紧临108国道，距大运高速路2.0公里，1998年12月经国家工商局和山西省人民政府批准成立为中外合资企业，合资公司为山西国际电力有限公司、日本果电源开发株式会社、灵石县电力开发有限责任公司。
其电厂为矸石发电厂，电厂规模2*250万KW，于2002年建成投产。
2.2贮灰坝设计情况
贮灰坝建坝设计不详，根据现场踏勘情况，贮灰坝建在电厂附近一黄土冲沟内，初级坝为黄土碾压而成，坝高5.0m，坝顶宽5.8m，坡比（外坡比）1:
2。
2.3贮灰坝现状及堆放情况
贮灰坝于2006年已停止运行，现已闭库，表层有黄土覆盖。
据现场踏勘，现堆积子坝四级，子坝高8.0m至10.0m，子坝坡比（下游外坡比）1：
4，现堆积粉煤灰约40万m3。
坝下游有水泥砌石贴破。
排洪系统为坝四周沿山体有简易排洪沟，现运行正常。
堆放方式采用干法堆积。
粉煤灰在厂内进行喷水调湿搅拌均匀后，由汽车运往到灰场指定的位置堆灰。
堆灰由沟口开始，逐渐向沟里延伸。
2.4贮灰坝等级
根据勘查，现贮灰坝总坝高37.50m，库容40万m3.据《尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）及《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005），该贮灰坝属于四等库。
考虑周边环境，依据《建筑边坡工程技术规程》（GB50330-2002）其安全等级宜定为一级，综合考虑，该粉煤灰库坝坡抗滑稳定最小安全系数现状条件下宜采用1.30，地震状态下宜采用1.05。
第三章岩土工程勘察
3.1勘察工作概述
3.1.1勘察等级
根据贮灰坝等别及构筑物重要性级别，依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）第3.1.4条及《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）第3.2.2条划分该贮灰坝勘察等级为乙级。
3.1.2勘察目的、任务、要求
3.1.2.1.勘察任务
对贮灰坝现状条件下稳定性作出分析评价。
3.1.2.2.勘察要求
1.贮灰场的地形地貌特征。
2.查明贮灰坝堆积坝各岩土层物理力学性质。
3.查明坝基、坝肩部位岩土构成、产状及分布规律。
4.查明有无导致滑动（滑坡、崩塌）的软弱岩（土）层，软弱结构带、断层、破碎带等不良地质作用及其分布和岩（土）性质。
5.查明贮灰坝区所在地的气象、水文、植被资料及下游居民区农业经济资料，并做出对环境影响的相应评价，所需的工程措施。
6.根据岩土性质，进行坝体在两种工况下运行的稳定性评价
7.查明坝体现运行状态，坝体有无变形及对坝体安全运行有影响的因素。
3.1.3勘察方法
本次工程勘察工作以钻探为主，同时辅以工程地质测绘，原位测试，室内试验等手段进行综合勘察和评价。
3.1.3.1.工程地质调查
首先对贮灰坝区及周边工程地质条件进行踏勘，查明有无影响库区稳定的滑坡、断层、崩塌等不良地质作用。
3.1.3.2.测量放线
根据矿方提供的基准点将设计图上的勘探点放到实地，并测量出坐标和标高。
勘探点位置偏差不大于±50cm，高程不大于±5cm。
3.1.3.3.钻探工程
采用回转方式钻进，钻进时采用金刚石钻头钻进，开孔直径127㎜，终孔直径不小于108mm。
套管及泥浆护壁，回转钻进。
取样采用薄壁取土器，采用静力压入法采取原状土样。
因粉煤灰采取原状样比较困难,取样等级接近Ⅱ级。
取样间距2.0m，每回次进尺1.0m并描述地层岩性特征。
遇夹层加取土样，取土规格为100×150cm，控制性钻孔间隔取双样。
所取土样定名后立即封存，贴签并及时送回试验室。
探井采用人工取样，每隔1.0m取土样一件。
3.1.3.4.原位测试
对粉煤灰及坝基土进行了标准贯入试验，每隔1.5～2.0m标贯试验1次，采用自动脱钩落锤装置。
贯入器打入土中15.0㎝后，开始记录每10.0㎝锤击数，累计打入30.0㎝的锤击数为标准贯入锤击数N。
所有标贯器中土样均留样，做颗粒分析试验进行室内定名，提供粘粒含量。
静力触探采用宁波勘测机械厂生产的KYJ-15型静力触探车进行野外试验，采用JTWJ-2全自动数字采集仪进行自动记录。
探头截面积为15cm2,探头直径为43.7mm，锥角为60度，摩擦筒侧面积为300cm2，摩擦筒长度为219mm。
贯入速度为匀速1.2m/min。
简易注水试验为查明贮灰坝的渗透性进行了简易注水试验，试验采用单环法。
单环法是在试坑底嵌入一高为20cm，直径为37.75cm的铁环，在试验开始时，用量杯控制环内水柱，保持在10cm高度上，系统的记录一定时段内（15min）的渗水量，试验一直进行到渗入水量Q固定不变时为止，求得各段时间内的平均渗透速度，据此编绘渗透速度历时曲线。
3.1.3.5.土工试验
1、粉煤灰的化学成分试验。
由我单位中心实验室进行，实验项目有SiO2、AL2O3、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、S、P2O5。
2、物理力学性质。
由我公司土工试验室完成,粉煤灰、坝基土（粉土、粉质粘土）均进行了常规试验，粉煤灰由于含煤矸石较多，还进行了过筛（2mm）后的重塑样试验，坝基土委托山西省地质工程勘察院进行了固结不排水（CU）三轴试验，坝肩黄土进行了黄土湿陷性试验，粉煤灰进行了天然休止角试验。
3.1.4工作布置原则
1、本次勘察根据灰渣筑坝勘测要求进行工作量布置。
2、根据本次勘察主要目的和现行有关规范，结合现场踏勘资料、贮灰坝的特点。
勘探线沿垂直于坝轴线方向布置3条，每条勘探线布置5-6个钻孔。
3、勘探点位置与深度，根据现坝高与原1：
1000地形图，依据《火力发电厂贮灰场岩土工程勘测技术规程》8.3条确定。
3.1.5完成工作量
本次勘察工作量布置如下：
垂直坝轴线布置3条勘探线，每条剖面线上布置5-6个勘探点。
共布置17个钻孔勘探点，控制性钻孔15个，一般性钻孔2个，孔深15.0-47.2m。
探井11个，孔深1.0-12.0m，完成钻探总延米567.25m，静力触探7个。
各勘探点的平面位置见附图《勘探点平面布置图》。
勘探工作及各钻孔深度、性质与主要工作内容见《完成工作量一览表》。
工作量汇总表表1
序号
工作内容
单位
数量
1
勘探点测放
个
28
2
钻孔
m/孔
514.30/17
3
探井
m/孔
52.95/11
3
取土试样
扰动样
件
113
不扰动样
件
110
4
原位测试
标准贯入试验
孔
11
静力触探
次
7
5
室内土工试验
常规项目
件
149
剪切试验
组
57
三轴试验
组
15
6
简易注水试验
注水试验
个/孔
2
3.2.坝体岩土工程地质条件
3.2.1库区地形地貌
贮灰坝位于侵蚀堆积黄土丘陵地貌单元上，地形较平坦，呈北高南低、东高西低的趋向。
3.2.2贮灰坝沉积规律及岩性特征
根据勘察揭露，贮灰坝是由工业废渣粉煤灰经碾压堆筑而成，根据沉积规律将其进行概化分区，见剖面图。
本次勘察对所取试样进行了大量土工试验，其试验结果见《土工试验成果表》。
各层岩土工程特征如下：
第①层素填土（Q42ml），黄褐色，含云母、煤屑、氧化物等，土质较松散，层底标高965.77-1007.03m，层底埋深0.20-0.80m，层厚0.20-0.80m，平均层厚0.50m。
这个地方是不是应加个第二层，完后根据力学指标和均匀性说明分两个亚层
第②1层粉煤灰（Q42ml），浅红色，成分（含）为煤矸石、灰渣，呈稍密状态。
层底标高957.10-993.03m，层底埋深10.50-22.40m，层厚10.00-22.10m，平均层厚14.12m。
（静探及其它力学指标呢）
第②2层粉煤灰（Q42ml），浅红色，成分（含）为煤矸石、灰渣，呈稍密状态。
层底标高964.45-988.22m，层底埋深15.30-35.10m，层厚4.8-20.5m，平均层厚11.04m。
（静探及其它力学指标呢）
第③层（Q3pl）（时代我认为不合适）粉土，黄褐色，含钙质菌丝、结核，偶见植物根系，坚硬-软塑状态，稍湿，密实状态。
稍有光泽，韧性低，摇震反应中等，中等压缩性。
该层实测标准贯入击数N=21.00-25.00击，平均22.30击。
静力触探试验qc＝5.75MPa，fs＝146.64kPa。
层底标高957.10-988.22m，层底埋深15.00-47.20m，层厚10.30-19.40m，平均层厚12.98m。
本次勘察各孔均未揭穿该层，该层最大揭穿深度47.20m,最大揭露厚度19.40m.
第④层素填土（初级坝）（初期坝咱们一点东西都没有，另外我记得是个档土墙）
以上各层空间展布情况详见《工程地质剖面图》（附图）。
3.3主要物理力学指标
主要物理力学性质指标见物理力学性质统计表及室内土工试验总表。
3.3.1贮灰坝土的抗剪强度指标
本次勘察对贮灰坝土样进行了室内固结快剪试验,试验结果经统计列入下表:
室内剪切试验指标统计表表2
岩土名称
指标
范围值
kPa
m
σ
δ
n
备注
②1
粉煤灰
C
9.8～19.5
14.74
2.361
0.160
10
Φ
13.3～20.9
17.74
1.517
0.086
10
②2
粉煤灰
C
9.8～19.5
13.92
3.364
0.241
10
Φ
13.3～20.9
17.34
1.902
0.109
10
③粉土
C
9.9～29.2
17.12
5.180
0.354
35
Φ
12.2～33.6
26.51
4.920
0.381
34
注：
---频数；
m---平均值；
---标准差；
---变异系数。
天然休止角试验指标统计表表3
岩土名称
指标
范围值
m
σ
δ
n
③粉土
水上
38～38
38
0
6
水下
29～29
29
注：
---频数；
m---平均值；
---标准差；
---变异系数。
3.3.2标准贯入试验锤击数
根据标准贯入试验结果，经数理统计得出粉煤灰及坝基土的标准贯入试验击数指标统计值列于下表：
实测标准贯入试验击数N值统计 表4
岩土名称
范围值N（击）
m
σ
δ
n
①1粉煤灰
5.0---10.0
8.1
1.097
0.056
46
②2粉煤灰
10.0---18.0
15.4
1.585
0.049
28
③粉土
21.0---25.0
22.3
2.123
0.047
51
注：
---频数；
m---平均值；
---标准差；
---变异系数。
3.3.3静力触探成果
静力触探成果统计表表5
地层编号
锥尖阻力（）
侧壁摩阻力（）
摩阻比（α）
备注
①1粉煤灰
2.52
52.56
2.07
②2粉煤灰
3.66
75.13
2.16
③粉土
5.75
146.64
2.83
3.3.4简易注水试验
注水试验渗透系数k（cm/s） 表6
岩土名称
范围值
平均值
②粉煤灰
2.92×10-3---2.71×10-3
2.82×10-3
k=v=Q/F（其中Q为渗水量，F为形状系数，v为渗透速度，k为渗透系数）
3.3.5黄土湿陷性评价
本次勘察在坝体周边开挖探井个，井深m至m，主要目的是评价坝体周边黄土湿陷性，探井采用人工开挖，刻槽法取样，湿陷性评价如下：
湿陷性计算成果表表7
序号
井深
范围值
总湿陷量（Δs）mm
湿陷性评价
自重湿陷系数（δzs）
自重湿陷量（Δzs）mm
湿陷系数
（δs）
湿陷量
（Δs）mm
1
T1
0.002～0.008
0
0.002～0.027
49.5
49.5
非自重Ⅰ级
2
T2
0.001～0.011
0
0.003～0.028
49.5
49.5
非自重Ⅰ级
3
T4
0.001～0.004
0
0.002～0.006
0
4
T5
0.004～0.064
162
0.005～0.051
406
406
自重Ⅱ级
根据计算结果，坝体周边地层具湿陷性，为Ⅱ级自重湿陷性黄土，湿陷深度自地表至12.15m。
具体计算过程见《湿陷性黄土计算表》
3.4不良地质作用
根据现场踏勘调查，贮灰坝及其附近地段未发现滑坡、断层、崩塌等不良地质作用。
3.5地震效应
3.5.1贮灰坝分级及场地设防烈度
根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）第4.1-4.2规定，该尾矿坝安全等级为一级。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），贮灰坝所在区域抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20，设计地震分组为第一组。
3.5.2液化判别
本次勘察未见地下水可不考虑液化。
第四章坝体稳定性分析
4.1计算方法
本次贮灰坝抗滑稳定性分析采用总应力瑞典圆弧滑动法进行计算，计算程序为理正边坡稳定性计算模块。
由于贮灰坝闭库设计原则：
排入和流入尾矿库的途径尽可能少,严禁洪水流入库区，故闭贮灰坝稳定性分析不考虑洪水。
（有点矛盾）
4.2计算剖面及参数确定
4.2.1计算剖面
本次勘察按有关规范和地方文件，在垂直于坝体方向布置了3个计算剖面。
在室内试验的基础上进行了一定条件下的概化分区，使简化所得的计算剖面能尽量反映工程地质勘察的实测结果。
详细计算剖面见图。
4.2.2计算参数确定
贮灰坝稳定性分析的可靠程度主要取决于各土体强度指标的准确程度，为获得准确的分析参数，进行了大量的室内直剪试验和原位测试。
室内试验操作均严格按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）。
由于粉煤灰颗粒级配不良，所以除了进行“原状样”试验外，还进行了人工制备（20%含水量）样品的剪切试验，同φ（啥意思）
参数选取时，综合考虑了剪切试验c、φ值，天然休止角试验值并参考了标准贯入试验锤击数。
静力触探试验成果等，且查阅了大量的文献资料，最终综合选定计算参数。
在选择参数时，适当降低了土的凝聚力（c），提高了内摩擦角（φ）。
计算参数见下表。
稳定性计算参数表7
地层编号
地层名称
计算工况
天然重度
（kN/m3）
抗剪强度指标
粘聚力（kPa）
内摩擦角（°）
①
素填土
正常
20.0
20.00
22.00
地震
17.00
19.00
②1
粉煤灰
正常
16..7
5.50
22.30
地震
2.50
19.30
②2
粉煤灰
正常
16.7
8.20
25.00
地震
5.20
22.00
③
粉土
正常
19.8
15.10
24.10
地震
12.10
21.10
④
素填土
（初级坝）
正常
20.0
20.00
22.00
4.3计算工况
本次抗滑稳定性分析在尾矿坝3个剖面上均分别考虑在现有坝顶高程条件下的2种运行情况。
一是贮灰坝在正常运行状态下；二是贮灰坝在地震状态运行下。
灵石县为8度设防区。
4.4坝坡稳定性计算
该贮灰坝坝体抗滑稳定性分析在尾矿坝主坝３个剖面上均进行，共考虑了2种运行情况，各种工况的计算参数确定、计算剖面的确定见本章第一、二、三节。
稳定性计算结果见下表
稳定性计算结果表8
断面号
运行状态
圆心坐标
最危险半径（m）
最小安全系数
稳定性评价
Ｘ
Ｙ
１～１
正常使用
25.00
38.00
38.25
1.317
满足
地震状态
26.00
40.00
37.47
0.963
不满足
２～２
正常使用
46.00
51.00
42.52
1.313
满足
地震状态
46.00
51.00
41.30
0.906
不满足
３～３
正常使用
44.01
4.51
45.05
1.302
满足
地震状态
44.00
49.00
43.88
0.910
不满足
根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）第5.3.18条表６确定。
通过计算结果３个剖面在现运行状态均满足最小安全系数，地震状态均不满足最小安全系数要求，需做处理方可使用。
第五章结论及建议
5.1结论
5.1.1天石电厂贮灰坝为一黄土冲沟地貌，主要地层由粉土、粉质粘土构成。
其分布及各层土的埋藏条件详见《工程地质剖面图》。
5.1.2各层贮灰坝土物理力学性质指标详见《土工试验成果总表》、《物理力学指标统计表》。
5.1.3贮灰坝所在区域抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，现状态下堆积坝不具液化势。
5.1.4贮灰坝在现行状态均满足坝坡抗滑稳定性最小安全系数（1.30）要求、特殊状态下均不满足坝坡抗滑稳定性最小安全系数（1.05）要求。
5.2建议
5.2.1天石电力电厂贮灰坝现已停用，并且各级子坝均进行了黄土覆盖而且外坡设置了混凝土格栅保护层，目前状态良好。
5.2.2因贮灰坝下游为人口居住地（集广村），建议做适当治理，以防不测，处理方法可采用抗滑桩、抗滑锚索等方法
5.2.3由于贮灰场勘察为湿陷性黄土，建议覆盖范围宜适当扩大，扩大范围不小于10.0m，覆盖面宜为倒锅底型，中间高，两侧低，利于排水，防止雨水渗透。
覆盖后为防止风蚀、水蚀，建议种植花草，美化环境，形成植被。
5.2.4加强地表坝体周边截洪沟的建设，减小进入坝体的径流，防止水流冲刷。
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