丁东彦

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

土工合成材料作为一种高聚物基体材料，近年来，被广泛应用于水利、市政、建筑、交通、地铁、隧道等土木工程中。土工膜是一种防渗土工合成材料，具有极强的不透水性，抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标较高，是土石坝中斜墙及心墙的替代材料，目前在尾矿、各种废料废液以及垃圾等材料的安全处理贮存的防渗工程中被广泛应用[1]。

尾矿库是指筑坝用以贮存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出的尾砂或其他工业废渣的场所。根据新规定要求新建四等、五等尾矿库必须采用一次建坝方式，设计师们在一次建坝尾矿库设计中常常采用在尾矿坝上游坝面铺设土工膜代替斜墙或者心墙以防止尾矿水渗漏造成环境污染。然而，土工膜的铺设对尾矿坝坝坡的稳定性有很大的影响，近几年，尾矿坝坝坡施工过程中滑坡现象屡见不鲜，为了提高尾矿坝坝坡的稳定性，寻找土工膜与保护层之间的敏感关系十分有必要，因此研究土工膜与垫层、保护层之间的临界摩擦系数对尾矿坝坝坡的设计有很大的意义。

1 尾矿坝坝坡稳定性分析

1.1 等效模型

在不影响计算精度的前提下为了使计算便利，本文在计算分析中将土工膜等效为一种同土工膜具有相同防渗效果的材料，将土工膜等效为50cm厚的土体，赋予其天然重度、饱和重度、粘聚力和内摩擦角等参数，由于土工膜材质轻薄，其重度对坝体的稳定性影响很小，同时土工膜与下部垫层和上部保护层之间的粘聚力也很小，因此在本文计算分析中仅考虑等效土体内摩擦角对坝坡抗滑稳定性的影响即可。

1.2 参数选取

本文结合土工膜的试验参数和实际工程设计经验，选择不同结构的土工膜与常用中粗砂垫层、保护层之间的摩擦特性参数进行计算分析[2,3]。

根据实际工程及相关经验，尾矿坝坝体材料（考虑降雨影响）物理力学如表1所示，根据试验可知土工膜与中粗砂（考虑降雨影响）之间的摩擦特性如表2所示。

表1 尾矿坝材料物理力学特性指标

表2 土工膜与中粗砂之间的摩擦特性指标

1.3 计算工况

结合常用设计，本文选取上游坝坡1:1.8，1:2.0，1:2.5，1:2.75，1:3.0五种工况，土工膜与坝坡平行铺设，中粗砂垫层和保护层按0.3m厚、干砌石按0.5m厚考虑，根据尾矿库设计中常用每10.0m设一道2.0m宽马道，本次计算选取两段坡面，第一段：坡高10.0m，根据五种不同坡比分别计算坡长；第二段：五种不同坡比工况下均为长2.0m的水平坡。

计算中考虑正常运行与特殊运行（正常+8度地震）两种工况，规范允许坝坡抗滑稳定最小安全系数如表3所示。

表3 规范允许坝坡抗滑稳定最小安全系数

1.4 计算结果

为提高坝坡的安全性，土工膜等效土体均采用水下内摩擦角，通过计算定性分析可知沿土工膜等效土体界面滑动的安全系数最小，则上游坝坡土工膜等效土体界面滑动计算结果如图1所示。

图1 正常内摩擦角和安全系数关系图

图2 特殊内摩擦角和安全系数关系图

从土工膜等效土体内摩擦角和安全系数关系图中可以看出：

（1）土工膜等效土体内摩擦角与安全系数基本成线性关系，同一坡比时，随着内摩擦角的增大，安全系数增大，由于斜线比较平缓，表明土工膜等效土体内摩擦角对坝坡的影响不是很明显。

（2）坝体上游坡比对坝坡稳定性影响显著，在相同条件下，坝坡越平缓，安全系数越大，坝坡越稳定。

（3）地震对坝坡稳定性影响很大，图中在各坡比正常运行工况下稳定性安全系数较高，若一旦遇到地震作用，安全系数极度降低，而且影响相当显著。

（4）由于土工膜等效土体内摩擦角和安全系数关系图中各条直线斜率基本相同，表明坝坡和地震作用对土工膜等效土体内摩擦角与安全系数之间的关系无直接影响。

（5）图中1:1.8和1:2.0坝坡较陡时，土工膜等效土体内摩擦角取试验最大值时，正常工况下安全系数也无法满足规范要求，坝坡稳定性也无法保证[4,5]。

2 结论

（1）在坝体设计中，设计坡比很关键，当坡比一定时，选用与土工膜摩擦系数较大的材料作为垫层和保护层虽然可以增加坝坡稳定性，但只有大幅度增大摩擦系数时才会对坝坡稳定性增加有明显效果，而且对垫层、保护层自身材料和施工的要求较高，实际工程中很难达到要求。

（2）若坝坡坡比1:1.8和1:2.0坡度较陡时，无论是膜-砂，还是布-砂，即使时干砂安全系数也无法满足坝坡稳定性要求。

（3）若设计中尾矿坝上游坝面铺设土工膜时，考虑施工中降雨影响，土工膜与饱和砂土的内摩擦角在26°左右，根据试验参数和计算结果可知，设计坝坡坡比不宜大于1:2.5。

（4）地震对坝坡稳定性影响很大，坝坡坡比和土工膜等效土体内摩擦角相同条件下，8度地震对坝坡稳定性安全系数的折减系数约为0.9。

（5）坝坡和地震作用对土工膜等效土体内摩擦角与安全系数之间的关系无直接影响，特殊工况下稳定性安全系数仅与坝坡坡比有关系，设计中可通过减小坡比来满足规范要求。

（6）由于施工过程中难免会遇到降雨情况，无法保证砂的干湿性，因此，当坡比大于1:3.0时，不宜选用一布一膜或者单层膜作为防渗设施，应选用两布一膜（布-砂界面）结构才能满足规范中安全系数最小要求。