模袋法尾礦筑壩在某尾礦庫加高工程中的應用*

張　舟　錢慶澤　王志強　劉海明

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院；2.昆明理工大學建筑工程學院)

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模袋法尾礦筑壩在某尾礦庫加高工程中的應用*

張舟1錢慶澤1王志強1劉海明2

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院；2.昆明理工大學建筑工程學院)

結(jié)合某尾礦庫加高工程實例，對比分析了3種不同加高方法的安全性及其優(yōu)缺點。在綜合考慮安全、技術(shù)以及經(jīng)濟的基礎上，選擇了模袋法尾礦筑壩作為該尾礦庫的加高方案，從理論上分析了模袋法尾礦筑壩的加固機制及施工工藝。模袋法尾礦筑壩具有壩體強度高，排水固結(jié)速度快，工藝成熟，操作簡單的優(yōu)點,對其他尾礦壩的筑壩及加高具有參考意義。

模袋法尾礦筑壩加高加固

1　項目概況

甘肅某尾礦庫位于秦嶺山系的西南山區(qū)，總地勢西北高東南低，自然地形坡度為30°～45°。該尾礦庫的初期壩采用定向爆破，于1985年一次堆筑，壩軸底標高1 353m，頂標高1 396.88m，壩頂寬 16m。1992—1998年分4次采用廢石壩體進行加高，4次增高分別為13.12，9，6，10m，加高后壩頂標高1 435m，上游坡比1∶1.5，坡面鋪設了土工布，下游坡比為自然堆積坡。

尾礦庫回水系統(tǒng)兼有排水排洪作用，選用斜槽-排水井-排水管涵-水工隧道聯(lián)合排水排洪系統(tǒng)。隧道出口與明渠相連，沿排水管涵共設5個排水井，隨尾礦堆積壩逐年抬高，排水井被依次淹沒。目前選礦工程帶入尾礦庫水量約3 481m3/d，不計雨水量，尾礦庫回水量2 712m3/d。

堆積子壩最終標高1 510m，總壩高163m，尾礦庫服務年限45a，設計總庫容1 901×104m3，尾礦庫等別屬Ⅱ等[5]。堆積子壩高度75m，平均上升2.33m，外坡比1∶5，每升高10m設一5m寬馬道，為防止雨水沖刷壩面及尾礦粉塵飛揚，在馬道及壩坡與山坡相交處設排水溝。由于堆積高度及總壩高較高，為加速沉積灘上尾礦排水固結(jié)，增加壩體穩(wěn)定性，沉積灘每升高5m鋪設軟式透水管，作為堆積壩的水平排滲設施。目前壩頂標高1 485m，總壩高135m。但尾礦庫容難以適應企業(yè)的生產(chǎn)狀況，需要擴容，將原設計最終標高1 510m加高至1 560m。

尾礦庫為潛在的高勢能危險源，壩體的穩(wěn)定性引起了人們的廣泛關(guān)注。采用尾礦砂分期筑成子壩，由于尾礦砂的力學強度低，滲透系數(shù)低，尾礦壩的安全性受到嚴重影響。將尾礦砂充灌在特制的模袋內(nèi)并充填密實，因其筑壩材料可就近取材、施工機械化程度高，工期短、質(zhì)量易控制、造價低等，展示了非常好的應用前景[1-2]。同時，模袋可以起著排水通道的作用。

本文從理論上了分析了模袋法尾礦筑壩的加固機制及施工工藝，對比了3種不同擴容方式的安全系數(shù)以及優(yōu)缺點，最后選定模袋法尾礦筑壩作為該尾礦庫的加高方式。

2　模袋法尾礦筑壩的應用原理及施工工藝

2.1應用原理

將尾礦用水力充填至由土工織物縫制成的一定尺寸的模袋內(nèi)，靠自身的重力和滲水壓力作用脫水固結(jié)后，形成比較密實的尾礦固結(jié)體，將這種尾礦固結(jié)體堆疊構(gòu)成壩體。其中，模袋的作用與模板相似，使松散的尾礦集結(jié)為整體，不致流失。

模袋是一類特殊的加筋土，因此可以運用加筋土的基本原理對模袋法尾礦筑壩進行解釋，目前廣大科研人員認同的理論有：①摩擦加筋理論，該理論認為在模袋法尾礦筑壩中，尾礦壩坡通過尾礦把所受到的力傳遞給模袋，有將模袋拉出的趨勢，由于模袋受到法向荷載的作用，在模袋表面與尾礦之間產(chǎn)生摩擦力；②準粘聚力理論，此理論把模袋尾礦看作各項異性的復合材料，且模袋的彈性模量要大于尾礦的彈性模量。由于有模袋的存在，當尾礦受到法向荷載時，尾礦的變形要比沒有模袋時大大減小。該理論認為，添加模袋后尾礦的抗剪強度顯著提高，使尾礦的粘聚力增加，此粘聚力不同于尾礦一般的粘聚力，稱準粘聚力。

模袋的作用除了類似于土工格柵的加筋作用外，還具有排水功能。模袋是一種特殊的土工格柵材料，可以起到塑料排水板的功能，其滲透系數(shù)為10～2cm/s，而粗粒尾礦的滲透系數(shù)為10～4cm/s，細粒尾礦的滲透系數(shù)為10～7cm/s[3-4]。通過模袋形成的網(wǎng)狀排水系統(tǒng)，迅速有效地排出模袋內(nèi)尾礦材料的水，加快固結(jié)速度，提高其抗剪強度；另一方面可以快速有效地降低尾礦庫內(nèi)的浸潤線，加快庫內(nèi)尾礦的固結(jié)速度，提高庫內(nèi)尾礦的抗剪強度。

2.2施工工藝

模袋充砂筑壩施工工藝可概括為：測量放樣→壩體清基→定位設置→模袋制作→模袋鋪設→模袋充填→布排水管→壩體測量→取樣檢測。

(1)壩體清基。將壩基的淤泥、雜質(zhì)及有礙模袋攤鋪施工的障礙物清除干凈，防止雜物損壞模袋。

(2)模袋制作。采用透水性和保砂性較好的聚丙烯編織土工布，制作成長條狀棱體斷面，橫向尺寸一般控制在5m以內(nèi)，縱向尺寸一般不超過50m。模袋頂層設充填口，呈梅花型布置，充填口直徑為20cm，其數(shù)量視模袋容積的大小而定，一般16～20m2設一充填口，充填口長度以高出模袋面50cm為宜。模袋縫制時，接縫處宜采用不易老化降解的尼龍線，強度不低于180N，接縫處強度不宜低于模袋材料拉伸強度的70%。

(3)模袋鋪設。同層模袋間及上、下兩層模袋必須錯縫鋪設，錯縫寬度橫向不得小于模袋橫向尺寸的1/3，縱向不得小于模袋縱向尺寸的1/5，且不得小于3m。模袋鋪設應平整，不褶皺，模袋與模袋的橫向搭接不小于300mm，縱向搭接長度不小于1m；可能發(fā)生位移處應縫接；不平地、松軟土鋪設時，搭接寬度應適當增大。

(4)模袋充填。按照充灌、屏漿、再次充灌、再次屏漿、找平、充填口部位人工補填的流程進行操作。當采用普通模袋時，充灌速度宜控制為10～15m3/h，一次充滿度宜85%，待泌水基本停止時再次充灌；當采用高強模袋充灌時，充灌速度、壓力及一次充滿度可由材料廠商提供，并能滿足設計要求。為保證充填效果，模袋的袖口寬度應與充填管相匹配，袖口間距宜控制在4～6m，梅花形布置。當尾礦粒度過粗或過細時，應以現(xiàn)場試驗為準。

(5)充灌過程中，可采取措施加快模袋的排水固結(jié)。待整個砂袋達到屏漿階段時，可適當減少充灌或停止充灌，以防布袋爆裂，并留有一定的固結(jié)脫水時間。上、下層模袋充灌施工的間隔時間應根據(jù)袋內(nèi)尾砂的固結(jié)狀況確定，袋體固結(jié)達到一定強度時，再進行上一層模袋充灌。

(6)取樣檢測。指標有顆粒粒徑、抗剪強度以及滲透系數(shù)等。在模袋堆壩施工初期，宜對每個模袋的充灌尾砂進行粒度、濃度檢測；當充灌穩(wěn)定后宜對模袋的顆粒組成、干密度及含水率等進行檢測，每級子壩均需對充灌后尾砂的顆粒組成、干密度及含水率等指標進行檢測。在堆壩初期，每50m壩長的檢測點不得少于1個，每級子壩的檢測點不得少于5個；充灌穩(wěn)定后，可減少檢測點數(shù)，但每級子壩的檢測點數(shù)不得少于3個。

3　尾礦庫加高

3.1尾礦庫加高方法

根據(jù)目前國內(nèi)的筑壩技術(shù)和尾礦庫所在區(qū)域的具體條件，將原設計最終標高1 510m加高至1 560m可以考慮的尾礦壩加高方法有：干堆法加高，碎石土加高，模袋法加高。

(1)干堆法。干堆法也叫干法筑壩，對應于常見的濕法筑壩，先將尾礦礦漿濃縮過濾使其濃度達80%左右，近似干尾礦，可用皮帶、礦車運到選礦廠附近的山溝、山坡或灘地堆存起來形成壩堆。設計加高尾礦壩的外坡坡比為1∶5，內(nèi)坡坡比為1∶1.5，壩頂寬5m。50%的尾礦脫水進行干堆，每加高10m設置一5m寬排滲管。該技術(shù)在鳳城地區(qū)黃金生產(chǎn)中得到應用[6]。

(2)碎石土。由于尾礦顆粒較細難以堆筑子壩，可將排土場的碎石土按照一定的坡比進行子壩加高，形成碎石土堆積子壩。尾礦壩加高的外坡坡比為1∶5，內(nèi)坡坡比為1∶1.5，壩頂寬5m。每加高10m設置一寬5m馬道和排滲管，以增加壩體的滲透性。常金等[7]介紹了廢石與尾礦混合中線法筑壩技術(shù)，提高了壩體的安全性。

(3)模袋法尾礦筑壩。利用模袋布的透水不透漿特性，排水固結(jié)速度快，有利于快速筑壩，且筑壩強度高，使尾砂形成一個整體。模袋法尾礦筑壩的外坡坡比為1∶4，內(nèi)坡坡比為1∶2，模袋頂長18m，底長42m，搭接14m，每隔4m加高一級。模袋內(nèi)+200目尾礦顆粒含量超過80%，加高4m設置壩面排水溝，模袋底部設置雙向土工格柵及排滲管。

3.2尾礦庫加高技術(shù)比較

采用Slide軟件，分析3種不同的加高方法，各方法分析見表1。結(jié)果表明：同一計算條件下干堆法安全系數(shù)最大，碎石土次之，模袋法最小，碎石土加高和模袋法加高安全系數(shù)差別很小，但3種加高方法加高時穩(wěn)定性系數(shù)均在1.5以上，可滿足規(guī)范要求。

考慮到該尾礦壩下部無廠房，且無居民區(qū)，綜合安全、技術(shù)、經(jīng)濟方面的原因，最終

表1　不同加固方法的安全性分析

采用模袋法尾礦筑壩對該尾礦庫進行擴容。

4　結(jié)　論

模袋法尾礦筑壩具有固結(jié)速度快，有利于快速筑壩，筑壩強度高，使尾砂形成一個整體，排水固結(jié)速度快的優(yōu)點，工藝成熟，操作簡單，可邊生產(chǎn)邊堆壩，不影響生產(chǎn)的特點。加之一些排滲、加筋等措施，是尾礦筑壩的新方法。

相比于干堆法和碎石法，模袋法尾礦筑壩在安全上相對較差，但可以滿足工程的規(guī)范要求，且具有較強的經(jīng)濟效益和社會效益，值得推廣使用。

[1]李道明，沈樓燕，唐笑．模袋充砂筑壩技術(shù)在尾礦庫擴容工程中的應用[J]．有色冶金設計與研究，2013，34(5)：12-14．

[2]周漢民，劉曉非，崔旋，等．偏細粒尾礦新型快速堆壩方法[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2011(11)：121-122，124．

[3]胡前發(fā)．模袋砂圍堰穩(wěn)定性分析[D]．廣州：華南理工大學，2013．

[4]彭紅波．模袋砂力學性能試驗研究[D]．廣州：華南理工大學，2012．

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50863—2013尾礦設施設計規(guī)范[S]．北京：中國計劃出版社，2013．

[6]傅學忠．尾礦壓濾干堆在鳳城地區(qū)黃金生產(chǎn)中的應用[J]．黃金，2012，33(4)：49-51．

[7]常金，吳小剛．廢石與尾礦混合中線法筑壩技術(shù)的應用[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2015(9)：228-229．

2016-01-21)

*國家自然科學基金重點項目(編號：51234004)；國家自然科學基金青年項目(編號：51304088)；云南省科技計劃面上項目(編號：2015FB130)。

張舟(1968—)，男，高級工程師，650051 云南省昆明市盤龍工東風東路東風巷1號。