尾礦庫(kù)中土工膜對(duì)尾礦壩壩坡穩(wěn)定性的影響性分析

丁東彥

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

土工合成材料作為一種高聚物基體材料，近年來(lái)，被廣泛應(yīng)用于水利、市政、建筑、交通、地鐵、隧道等土木工程中。土工膜是一種防滲土工合成材料，具有極強(qiáng)的不透水性，抗拉、抗撕裂、頂破等物理力學(xué)性能指標(biāo)較高，是土石壩中斜墻及心墻的替代材料，目前在尾礦、各種廢料廢液以及垃圾等材料的安全處理貯存的防滲工程中被廣泛應(yīng)用[1]。

尾礦庫(kù)是指筑壩用以貯存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出的尾砂或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所。根據(jù)新規(guī)定要求新建四等、五等尾礦庫(kù)必須采用一次建壩方式，設(shè)計(jì)師們?cè)谝淮谓▔挝驳V庫(kù)設(shè)計(jì)中常常采用在尾礦壩上游壩面鋪設(shè)土工膜代替斜墻或者心墻以防止尾礦水滲漏造成環(huán)境污染。然而，土工膜的鋪設(shè)對(duì)尾礦壩壩坡的穩(wěn)定性有很大的影響，近幾年，尾礦壩壩坡施工過(guò)程中滑坡現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，為了提高尾礦壩壩坡的穩(wěn)定性，尋找土工膜與保護(hù)層之間的敏感關(guān)系十分有必要，因此研究土工膜與墊層、保護(hù)層之間的臨界摩擦系數(shù)對(duì)尾礦壩壩坡的設(shè)計(jì)有很大的意義。

1 尾礦壩壩坡穩(wěn)定性分析

1.1 等效模型

在不影響計(jì)算精度的前提下為了使計(jì)算便利，本文在計(jì)算分析中將土工膜等效為一種同土工膜具有相同防滲效果的材料，將土工膜等效為50cm厚的土體，賦予其天然重度、飽和重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)，由于土工膜材質(zhì)輕薄，其重度對(duì)壩體的穩(wěn)定性影響很小，同時(shí)土工膜與下部墊層和上部保護(hù)層之間的粘聚力也很小，因此在本文計(jì)算分析中僅考慮等效土體內(nèi)摩擦角對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定性的影響即可。

1.2 參數(shù)選取

本文結(jié)合土工膜的試驗(yàn)參數(shù)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇不同結(jié)構(gòu)的土工膜與常用中粗砂墊層、保護(hù)層之間的摩擦特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析[2,3]。

根據(jù)實(shí)際工程及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，尾礦壩壩體材料（考慮降雨影響）物理力學(xué)如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)可知土工膜與中粗砂（考慮降雨影響）之間的摩擦特性如表2所示。

表1 尾礦壩材料物理力學(xué)特性指標(biāo)

表2 土工膜與中粗砂之間的摩擦特性指標(biāo)

1.3 計(jì)算工況

結(jié)合常用設(shè)計(jì)，本文選取上游壩坡1:1.8，1:2.0，1:2.5，1:2.75，1:3.0五種工況，土工膜與壩坡平行鋪設(shè)，中粗砂墊層和保護(hù)層按0.3m厚、干砌石按0.5m厚考慮，根據(jù)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中常用每10.0m設(shè)一道2.0m寬?cǎi)R道，本次計(jì)算選取兩段坡面，第一段：坡高10.0m，根據(jù)五種不同坡比分別計(jì)算坡長(zhǎng)；第二段：五種不同坡比工況下均為長(zhǎng)2.0m的水平坡。

計(jì)算中考慮正常運(yùn)行與特殊運(yùn)行（正常+8度地震）兩種工況，規(guī)范允許壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)如表3所示。

表3 規(guī)范允許壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

1.4 計(jì)算結(jié)果

為提高壩坡的安全性，土工膜等效土體均采用水下內(nèi)摩擦角，通過(guò)計(jì)算定性分析可知沿土工膜等效土體界面滑動(dòng)的安全系數(shù)最小，則上游壩坡土工膜等效土體界面滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 正常內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)關(guān)系圖

圖2 特殊內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)關(guān)系圖

從土工膜等效土體內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)關(guān)系圖中可以看出：

（1）土工膜等效土體內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)基本成線性關(guān)系，同一坡比時(shí)，隨著內(nèi)摩擦角的增大，安全系數(shù)增大，由于斜線比較平緩，表明土工膜等效土體內(nèi)摩擦角對(duì)壩坡的影響不是很明顯。

（2）壩體上游坡比對(duì)壩坡穩(wěn)定性影響顯著，在相同條件下，壩坡越平緩，安全系數(shù)越大，壩坡越穩(wěn)定。

（3）地震對(duì)壩坡穩(wěn)定性影響很大，圖中在各坡比正常運(yùn)行工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)較高，若一旦遇到地震作用，安全系數(shù)極度降低，而且影響相當(dāng)顯著。

（4）由于土工膜等效土體內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)關(guān)系圖中各條直線斜率基本相同，表明壩坡和地震作用對(duì)土工膜等效土體內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)之間的關(guān)系無(wú)直接影響。

（5）圖中1:1.8和1:2.0壩坡較陡時(shí)，土工膜等效土體內(nèi)摩擦角取試驗(yàn)最大值時(shí)，正常工況下安全系數(shù)也無(wú)法滿足規(guī)范要求，壩坡穩(wěn)定性也無(wú)法保證[4,5]。

2 結(jié)論

（1）在壩體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)坡比很關(guān)鍵，當(dāng)坡比一定時(shí)，選用與土工膜摩擦系數(shù)較大的材料作為墊層和保護(hù)層雖然可以增加壩坡穩(wěn)定性，但只有大幅度增大摩擦系數(shù)時(shí)才會(huì)對(duì)壩坡穩(wěn)定性增加有明顯效果，而且對(duì)墊層、保護(hù)層自身材料和施工的要求較高，實(shí)際工程中很難達(dá)到要求。

（2）若壩坡坡比1:1.8和1:2.0坡度較陡時(shí)，無(wú)論是膜-砂，還是布-砂，即使時(shí)干砂安全系數(shù)也無(wú)法滿足壩坡穩(wěn)定性要求。

（3）若設(shè)計(jì)中尾礦壩上游壩面鋪設(shè)土工膜時(shí)，考慮施工中降雨影響，土工膜與飽和砂土的內(nèi)摩擦角在26°左右，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)壩坡坡比不宜大于1:2.5。

（4）地震對(duì)壩坡穩(wěn)定性影響很大，壩坡坡比和土工膜等效土體內(nèi)摩擦角相同條件下，8度地震對(duì)壩坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的折減系數(shù)約為0.9。

（5）壩坡和地震作用對(duì)土工膜等效土體內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)之間的關(guān)系無(wú)直接影響，特殊工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)僅與壩坡坡比有關(guān)系，設(shè)計(jì)中可通過(guò)減小坡比來(lái)滿足規(guī)范要求。

（6）由于施工過(guò)程中難免會(huì)遇到降雨情況，無(wú)法保證砂的干濕性，因此，當(dāng)坡比大于1:3.0時(shí)，不宜選用一布一膜或者單層膜作為防滲設(shè)施，應(yīng)選用兩布一膜（布-砂界面）結(jié)構(gòu)才能滿足規(guī)范中安全系數(shù)最小要求。