高鹏飞，王建文，周汉民，崔 旋，李学民

(北京矿冶科技集团有限公司，北京100160)

尾矿库根据地形条件分为山谷型、山坡型、平地型3种类型。山坡型尾矿库通常利用山坡阶地，采用两面或者三面筑坝的形式。在这类尾矿库的设计中，由于地形以及周围环境限制，若按照传统的方法和工程经验设计堆积坝，堆积坝坝坡坡比设计为1∶4～1∶5，这将大大减少了尾矿库的有效库容。本文以某尾矿库工程为例，通过GEO-Studio专业软件模拟分析了土工织物在尾矿库堆积坝坝坡稳定的影响，为该类尾矿库堆积坝的设计提供依据。

1 尾矿库基本情况

该尾矿库用来贮存冶金工艺所产生的废渣，尾渣产率为96.61%，尾渣呈碱性，pH值约11.5，粒度为-74 μm占85%。

库址所在地位于亚高山区，地貌属于典型的山地，沟谷坡度约为10%～15%，两侧山坡陡峭。气候属于亚热带区，地区大部分降水形式为降雪。矿区地震烈度整体为8级。由于背阳的山谷中都存在雪崩，且由于融雪导致沟谷中都存在水流，尾矿库选址只能在向阳的山坡上，且坝轴线距离主沟的融雪河流保证一定的安全距离，综合上述因素，尾矿库至少三面筑坝，为典型的傍山型尾矿库。

尾矿库初期坝高10 m，后期堆积坝高40 m，尾矿库库容为37.3万m3，为四等库。

该项目库址所在地山坡陡峭，傍山型尾矿库堆积坝按照传统的设计方法，尾矿库的堆高和库容受到很大限制，尾矿库的库容不能满足矿山服务要求。为了解决工程设计中存在的此类问题，该项目中将岩土工程中加筋土挡墙的理念应用到该类尾矿库堆积坝设计中。

2 土工织物加筋堆积坝体的设计

加筋堆积坝体是在尾矿渣堆积坝体中间隔一定距离铺设加筋材料，利用拉筋与尾矿渣的摩擦相互作用，对堆积体提供一个侧向约束力，以限制堆积体的侧向变形，从而提高堆积体的抗剪强度，堆积体由于被约束而处于稳定状态[3-4]。

1)设计参数

习主席深刻把握世情国情军情的变化，从时代发展和战略全局的高度，统一富国和强军两个目标，统筹发展和安全两件大事，把军民融合深度发展上升为国家战略，并围绕这一兴国之举、强军之策，作出一系列重要论述和重大决策。这是对我们党长期探索实践军民两用、军民结合、寓军于民重要思想的继承发展，是对新时代经济建设和国防与军队建设融合式发展规律的科学把握。贯彻落实好这一重大战略思想，推动军民融合发展战略深下去实起来，当前尤为重要的是把握好“四力”。

堆积体加筋形式采用包裹式结构。包裹式结构是采用土工织物加筋材料在堆积体内满铺，每铺设一层再在其上方填土压实，将外端的加筋织物卷回一定长度，然后再在其上铺设一层加筋材料[4]。该项目加筋堆积坝体的设计参数：尾渣堆筑从低到高分层进行碾压堆筑，压实度不低于0.92，加筋材料伸向库内的铺设长度60 m，下一级尾矿子坝堆筑之前将已经堆筑子坝的加筋材料沿着坝坡进行包裹，深入坝体15 m，图1和图2为加筋堆积坝体的设计图。本文针对加筋材料的垂直铺设间距1、2、3、4 m和未加筋共计5种情形进行分析，确定最优的土工织物铺设间距。

图1 土工材料加筋尾矿堆积坝剖面Fig.1 Geotextile reinforced tailings emban km ent section

图2 包裹式加筋尾矿堆积坝设计详图Fig.2 Geotextile wrapped reinforced tailings emban km ent design detail

2)加筋材料

目前较为常用的土工加筋材料为土工织物和土工格栅。土工格栅具有强度高、变形小的优点。相比土工格栅，土工织物韧性好，质量轻，与堆积体的摩阻接触面比较大，与细粒堆积体之间的相互作用强，能增强堆积体的整体性能。另外，尾渣堆积体含水率较高，土工织物具有良好的反滤和隔离作用。

目前常用的土工织物主要分为聚丙烯土工织物和聚酯土工织物。聚酯土工织物的主要原料是由对苯二甲酸和乙二醇缩聚而成。在碱性条件下，PET能发生水解，生成对苯二甲酸和乙二醇。相比聚酯土工织物，聚丙烯大分子是纯的碳氢化合物，不与酸碱发生任何化学反应，化学稳定性好。

该项目由于尾矿粒度较细，-74μm占85%，尾渣呈碱性，pH值约为11。综合上述因素，加筋材料选用化学稳定性较好的聚丙烯长丝有纺土工布。

3 坝体稳定计算

1)计算原理

加筋堆积坝体的整体抗滑稳定计算采用瑞典圆弧法[5-6]，计算公式如下:

(FS)r=

(1)

式中：wi—第i条土条质量；θi—第i条底弧的仰角；△li—第i条底弧长；R—最危险滑动圆弧的半径；Ti—第i层筋材的抗拉强度。

图3 加筋堆体稳定性分析Fig.3 Reinforced piles stability analysis

2)计算模型和参数

本次模拟分析选择尾矿库最终堆积标高时的典型断面，采用GEO-Studio软件进行整体抗滑稳定计算分析，采用GEO-Studio软件中fabric模块进行加筋作用的模拟。地震工况坝坡抗滑稳定安全分析采用拟静力极限平衡法[6]。地震加速度为0.2 g。

图4 加筋堆体稳定性分析Fig.4 Reinforced piles stability analysis

模拟分析的单元类型为四节点为主的平面应变单元，共计剖分2 014个单元，图5为尾矿库堆积坝稳定计算模型。

加筋材料的抗拉强度为130 kN。坝体、尾渣、基础的计算参数见表1。

表1 稳定计算参数Table 1 Stable calculation parameters

图5 尾矿堆积坝稳定计算模型Fig.5 Stability calculation model of tailings embankment

3)计算结果分析

本文选取尾矿库的典型剖面，选取不同的垂直加筋间距，分析了土工织物垂直铺设间距1、2、3、4 m和未加筋共计5种情形，每种情形又计算了正常运行工况和特殊运行工况(地震工况)，共计10种工况，文章中名称为工况1-A、1-B、2-A、2-B、3-A、3-B、4-A、4-B、5-A、5-B。

图6～15给出了不同工况下，尾矿库稳定计算最小安全系数和对应的最危险滑弧，表2和图16给出了最小安全系数与土工织物加筋垂直间距的变化关系。

未加筋状态时，尾矿库通常只能通过放缓堆积坝坡度来保障尾矿库的抗滑稳定性。经试算，当尾矿库的堆积坝坝坡坡比为1∶4.5时，尾矿库的安全系数才能满足规范要求。图17和图18分别为5-A、5-B工况下试算稳定的滑弧位置图。

图6 工况1-A滑弧位置图Fig.6 Condition 1-A sliding position

图7 工况1-B滑弧位置图Fig.7 Condition 1-B sliding position

图8 工况2-A滑弧位置图Fig.8 Condition 2-A sliding position

图9 工况2-B滑弧位置图Fig.9 Condition 2-B sliding position

图10 工况3-A滑弧位置图Fig.10 Condition 3-A sliding position

图11 工况3-B滑弧位置图Fig.11 Condition 3-B sliding position

图12 工况4-A滑弧位置图Fig.12 Condition 4-A sliding position

图13 工况4-B滑弧位置图Fig.13 Condition 4-B sliding position

图14 工况5-A滑弧位置图Fig.14 Condition 5-A sliding position

图15 工况5-B滑弧位置图Fig.15 Condition 5-B sliding position

表2 稳定计算安全系数表Table 2 Stability calculation safety factor

图16 尾矿堆积坝抗滑稳定安全系数随加筋间距变化曲线图Fig.16 Curves of stability safety factor of tailings emban km ent

图17 工况5-A稳定滑弧位置图Fig.17 Condition 5-A stability sliding position

图18 工况5-B稳定滑弧位置图Fig.18 Condition 5-B stability sliding position

从表2和图18中可以看出，在未加筋状态下，正常运行和特殊运行(地震工况)尾矿库的稳定系数均小于规范所要求的最小安全系数。加筋后，尾矿库堆积坝的稳定系数有了明显提高。随着加筋垂直间距的缩小，尾矿库的安全系数呈现增加的趋势。正常运行工况时，尾矿库的堆积坝坡加筋垂直间距为4 m时，尾矿库的抗滑稳定安全系数满足规范要求。特殊运行工况时，堆积坝坡加筋垂直间距需达到2 m，尾矿库的稳定系数才能满足规范要求，因此该尾矿库的加筋垂直间距最终选择2 m，此时在正常运行和地震工况下，尾矿库的抗滑稳定安全系数较未加筋状态分别提高了64.0%和57.8%。根据图6～15中尾矿库滑弧位置图，表明未加筋状态时，尾矿库的滑弧位置较浅，表面尾矿库堆积坝易发生浅层滑动失稳破坏。随着加筋垂直间距的减小，滑弧的位置越来越深，尾矿库的安全系数也明显增大。尾矿库堆积坝加筋之后，堆积坝的坝坡坡比从1∶4.5提高到1∶2.5，尾矿库有效库容增加约38%。

综上所述，本文建议选取2 m垂直间距对该尾矿库堆积坝进行土工织物加筋，可以保证该尾矿库在正常运行和特殊运行工况下尾矿库的抗滑稳定安全。

4 结论

通过对加筋尾矿库堆积坝坝坡的稳定分析，表明采用土工织物加筋后坝坡稳定性得到了显著提高，同时增大了尾矿堆积坝体的坝坡坡比，使尾矿库的有效库容增加约38%，相同条件下减少了尾矿库的占地面积，节约了土地资源。另外，包裹式的土工织物加筋坝体的结构设计，可以很大程度上减少尾矿库的粉尘污染，且施工工艺简单、工期快、经济实用，可在山坡型尾矿库堆积坝设计中推广应用。