高鵬飛，王建文，周漢民，崔 旋，李學(xué)民

(北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160)

尾礦庫(kù)根據(jù)地形條件分為山谷型、山坡型、平地型3種類型。山坡型尾礦庫(kù)通常利用山坡階地，采用兩面或者三面筑壩的形式。在這類尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)中，由于地形以及周圍環(huán)境限制，若按照傳統(tǒng)的方法和工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)堆積壩，堆積壩壩坡坡比設(shè)計(jì)為1∶4～1∶5，這將大大減少了尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容。本文以某尾礦庫(kù)工程為例，通過(guò)GEO-Studio專業(yè)軟件模擬分析了土工織物在尾礦庫(kù)堆積壩壩坡穩(wěn)定的影響，為該類尾礦庫(kù)堆積壩的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 尾礦庫(kù)基本情況

該尾礦庫(kù)用來(lái)貯存冶金工藝所產(chǎn)生的廢渣，尾渣產(chǎn)率為96.61%，尾渣呈堿性，pH值約11.5，粒度為-74 μm占85%。

庫(kù)址所在地位于亞高山區(qū)，地貌屬于典型的山地，溝谷坡度約為10%～15%，兩側(cè)山坡陡峭。氣候?qū)儆趤啛釒^(qū)，地區(qū)大部分降水形式為降雪。礦區(qū)地震烈度整體為8級(jí)。由于背陽(yáng)的山谷中都存在雪崩，且由于融雪導(dǎo)致溝谷中都存在水流，尾礦庫(kù)選址只能在向陽(yáng)的山坡上，且壩軸線距離主溝的融雪河流保證一定的安全距離，綜合上述因素，尾礦庫(kù)至少三面筑壩，為典型的傍山型尾礦庫(kù)。

尾礦庫(kù)初期壩高10 m，后期堆積壩高40 m，尾礦庫(kù)庫(kù)容為37.3萬(wàn)m3，為四等庫(kù)。

該項(xiàng)目庫(kù)址所在地山坡陡峭，傍山型尾礦庫(kù)堆積壩按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，尾礦庫(kù)的堆高和庫(kù)容受到很大限制，尾礦庫(kù)的庫(kù)容不能滿足礦山服務(wù)要求。為了解決工程設(shè)計(jì)中存在的此類問(wèn)題，該項(xiàng)目中將巖土工程中加筋土擋墻的理念應(yīng)用到該類尾礦庫(kù)堆積壩設(shè)計(jì)中。

2 土工織物加筋堆積壩體的設(shè)計(jì)

加筋堆積壩體是在尾礦渣堆積壩體中間隔一定距離鋪設(shè)加筋材料，利用拉筋與尾礦渣的摩擦相互作用，對(duì)堆積體提供一個(gè)側(cè)向約束力，以限制堆積體的側(cè)向變形，從而提高堆積體的抗剪強(qiáng)度，堆積體由于被約束而處于穩(wěn)定狀態(tài)[3-4]。

1)設(shè)計(jì)參數(shù)

習(xí)主席深刻把握世情國(guó)情軍情的變化，從時(shí)代發(fā)展和戰(zhàn)略全局的高度，統(tǒng)一富國(guó)和強(qiáng)軍兩個(gè)目標(biāo)，統(tǒng)籌發(fā)展和安全兩件大事，把軍民融合深度發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，并圍繞這一興國(guó)之舉、強(qiáng)軍之策，作出一系列重要論述和重大決策。這是對(duì)我們黨長(zhǎng)期探索實(shí)踐軍民兩用、軍民結(jié)合、寓軍于民重要思想的繼承發(fā)展，是對(duì)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防與軍隊(duì)建設(shè)融合式發(fā)展規(guī)律的科學(xué)把握。貫徹落實(shí)好這一重大戰(zhàn)略思想，推動(dòng)軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略深下去實(shí)起來(lái)，當(dāng)前尤為重要的是把握好“四力”。

堆積體加筋形式采用包裹式結(jié)構(gòu)。包裹式結(jié)構(gòu)是采用土工織物加筋材料在堆積體內(nèi)滿鋪，每鋪設(shè)一層再在其上方填土壓實(shí)，將外端的加筋織物卷回一定長(zhǎng)度，然后再在其上鋪設(shè)一層加筋材料[4]。該項(xiàng)目加筋堆積壩體的設(shè)計(jì)參數(shù)：尾渣堆筑從低到高分層進(jìn)行碾壓堆筑，壓實(shí)度不低于0.92，加筋材料伸向庫(kù)內(nèi)的鋪設(shè)長(zhǎng)度60 m，下一級(jí)尾礦子壩堆筑之前將已經(jīng)堆筑子壩的加筋材料沿著壩坡進(jìn)行包裹，深入壩體15 m，圖1和圖2為加筋堆積壩體的設(shè)計(jì)圖。本文針對(duì)加筋材料的垂直鋪設(shè)間距1、2、3、4 m和未加筋共計(jì)5種情形進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的土工織物鋪設(shè)間距。

圖1 土工材料加筋尾礦堆積壩剖面Fig.1 Geotextile reinforced tailings emban km ent section

圖2 包裹式加筋尾礦堆積壩設(shè)計(jì)詳圖Fig.2 Geotextile wrapped reinforced tailings emban km ent design detail

2)加筋材料

目前較為常用的土工加筋材料為土工織物和土工格柵。土工格柵具有強(qiáng)度高、變形小的優(yōu)點(diǎn)。相比土工格柵，土工織物韌性好，質(zhì)量輕，與堆積體的摩阻接觸面比較大，與細(xì)粒堆積體之間的相互作用強(qiáng)，能增強(qiáng)堆積體的整體性能。另外，尾渣堆積體含水率較高，土工織物具有良好的反濾和隔離作用。

目前常用的土工織物主要分為聚丙烯土工織物和聚酯土工織物。聚酯土工織物的主要原料是由對(duì)苯二甲酸和乙二醇縮聚而成。在堿性條件下，PET能發(fā)生水解，生成對(duì)苯二甲酸和乙二醇。相比聚酯土工織物，聚丙烯大分子是純的碳?xì)浠衔铮慌c酸堿發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)穩(wěn)定性好。

該項(xiàng)目由于尾礦粒度較細(xì)，-74μm占85%，尾渣呈堿性，pH值約為11。綜合上述因素，加筋材料選用化學(xué)穩(wěn)定性較好的聚丙烯長(zhǎng)絲有紡?fù)凉げ肌?/p>

3 壩體穩(wěn)定計(jì)算

1)計(jì)算原理

加筋堆積壩體的整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法[5-6]，計(jì)算公式如下:

(FS)r=

(1)

式中：wi—第i條土條質(zhì)量；θi—第i條底弧的仰角；△li—第i條底弧長(zhǎng)；R—最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的半徑；Ti—第i層筋材的抗拉強(qiáng)度。

圖3 加筋堆體穩(wěn)定性分析Fig.3 Reinforced piles stability analysis

2)計(jì)算模型和參數(shù)

本次模擬分析選擇尾礦庫(kù)最終堆積標(biāo)高時(shí)的典型斷面，采用GEO-Studio軟件進(jìn)行整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析，采用GEO-Studio軟件中fabric模塊進(jìn)行加筋作用的模擬。地震工況壩坡抗滑穩(wěn)定安全分析采用擬靜力極限平衡法[6]。地震加速度為0.2 g。

圖4 加筋堆體穩(wěn)定性分析Fig.4 Reinforced piles stability analysis

模擬分析的單元類型為四節(jié)點(diǎn)為主的平面應(yīng)變單元，共計(jì)剖分2 014個(gè)單元，圖5為尾礦庫(kù)堆積壩穩(wěn)定計(jì)算模型。

加筋材料的抗拉強(qiáng)度為130 kN。壩體、尾渣、基礎(chǔ)的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)Table 1 Stable calculation parameters

圖5 尾礦堆積壩穩(wěn)定計(jì)算模型Fig.5 Stability calculation model of tailings embankment

3)計(jì)算結(jié)果分析

本文選取尾礦庫(kù)的典型剖面，選取不同的垂直加筋間距，分析了土工織物垂直鋪設(shè)間距1、2、3、4 m和未加筋共計(jì)5種情形，每種情形又計(jì)算了正常運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況(地震工況)，共計(jì)10種工況，文章中名稱為工況1-A、1-B、2-A、2-B、3-A、3-B、4-A、4-B、5-A、5-B。

圖6～15給出了不同工況下，尾礦庫(kù)穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)和對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)滑弧，表2和圖16給出了最小安全系數(shù)與土工織物加筋垂直間距的變化關(guān)系。

未加筋狀態(tài)時(shí)，尾礦庫(kù)通常只能通過(guò)放緩堆積壩坡度來(lái)保障尾礦庫(kù)的抗滑穩(wěn)定性。經(jīng)試算，當(dāng)尾礦庫(kù)的堆積壩壩坡坡比為1∶4.5時(shí)，尾礦庫(kù)的安全系數(shù)才能滿足規(guī)范要求。圖17和圖18分別為5-A、5-B工況下試算穩(wěn)定的滑弧位置圖。

圖6 工況1-A滑弧位置圖Fig.6 Condition 1-A sliding position

圖7 工況1-B滑弧位置圖Fig.7 Condition 1-B sliding position

圖8 工況2-A滑弧位置圖Fig.8 Condition 2-A sliding position

圖9 工況2-B滑弧位置圖Fig.9 Condition 2-B sliding position

圖10 工況3-A滑弧位置圖Fig.10 Condition 3-A sliding position

圖11 工況3-B滑弧位置圖Fig.11 Condition 3-B sliding position

圖12 工況4-A滑弧位置圖Fig.12 Condition 4-A sliding position

圖13 工況4-B滑弧位置圖Fig.13 Condition 4-B sliding position

圖14 工況5-A滑弧位置圖Fig.14 Condition 5-A sliding position

圖15 工況5-B滑弧位置圖Fig.15 Condition 5-B sliding position

表2 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)表Table 2 Stability calculation safety factor

圖16 尾礦堆積壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨加筋間距變化曲線圖Fig.16 Curves of stability safety factor of tailings emban km ent

圖17 工況5-A穩(wěn)定滑弧位置圖Fig.17 Condition 5-A stability sliding position

圖18 工況5-B穩(wěn)定滑弧位置圖Fig.18 Condition 5-B stability sliding position

從表2和圖18中可以看出，在未加筋狀態(tài)下，正常運(yùn)行和特殊運(yùn)行(地震工況)尾礦庫(kù)的穩(wěn)定系數(shù)均小于規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)。加筋后，尾礦庫(kù)堆積壩的穩(wěn)定系數(shù)有了明顯提高。隨著加筋垂直間距的縮小，尾礦庫(kù)的安全系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。正常運(yùn)行工況時(shí)，尾礦庫(kù)的堆積壩坡加筋垂直間距為4 m時(shí)，尾礦庫(kù)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。特殊運(yùn)行工況時(shí)，堆積壩坡加筋垂直間距需達(dá)到2 m，尾礦庫(kù)的穩(wěn)定系數(shù)才能滿足規(guī)范要求，因此該尾礦庫(kù)的加筋垂直間距最終選擇2 m，此時(shí)在正常運(yùn)行和地震工況下，尾礦庫(kù)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較未加筋狀態(tài)分別提高了64.0%和57.8%。根據(jù)圖6～15中尾礦庫(kù)滑弧位置圖，表明未加筋狀態(tài)時(shí)，尾礦庫(kù)的滑弧位置較淺，表面尾礦庫(kù)堆積壩易發(fā)生淺層滑動(dòng)失穩(wěn)破壞。隨著加筋垂直間距的減小，滑弧的位置越來(lái)越深，尾礦庫(kù)的安全系數(shù)也明顯增大。尾礦庫(kù)堆積壩加筋之后，堆積壩的壩坡坡比從1∶4.5提高到1∶2.5，尾礦庫(kù)有效庫(kù)容增加約38%。

綜上所述，本文建議選取2 m垂直間距對(duì)該尾礦庫(kù)堆積壩進(jìn)行土工織物加筋，可以保證該尾礦庫(kù)在正常運(yùn)行和特殊運(yùn)行工況下尾礦庫(kù)的抗滑穩(wěn)定安全。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加筋尾礦庫(kù)堆積壩壩坡的穩(wěn)定分析，表明采用土工織物加筋后壩坡穩(wěn)定性得到了顯著提高，同時(shí)增大了尾礦堆積壩體的壩坡坡比，使尾礦庫(kù)的有效庫(kù)容增加約38%，相同條件下減少了尾礦庫(kù)的占地面積，節(jié)約了土地資源。另外，包裹式的土工織物加筋壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以很大程度上減少尾礦庫(kù)的粉塵污染，且施工工藝簡(jiǎn)單、工期快、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可在山坡型尾礦庫(kù)堆積壩設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。