模袋法尾矿筑坝在某尾矿库加高工程中的应用*

张　舟　钱庆泽　王志强　刘海明

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院；2.昆明理工大学建筑工程学院)



模袋法尾矿筑坝在某尾矿库加高工程中的应用*

张舟1钱庆泽1王志强1刘海明2

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院；2.昆明理工大学建筑工程学院)

结合某尾矿库加高工程实例，对比分析了3种不同加高方法的安全性及其优缺点。在综合考虑安全、技术以及经济的基础上，选择了模袋法尾矿筑坝作为该尾矿库的加高方案，从理论上分析了模袋法尾矿筑坝的加固机制及施工工艺。模袋法尾矿筑坝具有坝体强度高，排水固结速度快，工艺成熟，操作简单的优点,对其他尾矿坝的筑坝及加高具有参考意义。

模袋法尾矿筑坝加高加固

1　项目概况

甘肃某尾矿库位于秦岭山系的西南山区，总地势西北高东南低，自然地形坡度为30°～45°。该尾矿库的初期坝采用定向爆破，于1985年一次堆筑，坝轴底标高1 353m，顶标高1 396.88m，坝顶宽 16m。1992—1998年分4次采用废石坝体进行加高，4次增高分别为13.12，9，6，10m，加高后坝顶标高1 435m，上游坡比1∶1.5，坡面铺设了土工布，下游坡比为自然堆积坡。

尾矿库回水系统兼有排水排洪作用，选用斜槽-排水井-排水管涵-水工隧道联合排水排洪系统。隧道出口与明渠相连，沿排水管涵共设5个排水井，随尾矿堆积坝逐年抬高，排水井被依次淹没。目前选矿工程带入尾矿库水量约3 481m3/d，不计雨水量，尾矿库回水量2 712m3/d。

堆积子坝最终标高1 510m，总坝高163m，尾矿库服务年限45a，设计总库容1 901×104m3，尾矿库等别属Ⅱ等[5]。堆积子坝高度75m，平均上升2.33m，外坡比1∶5，每升高10m设一5m宽马道，为防止雨水冲刷坝面及尾矿粉尘飞扬，在马道及坝坡与山坡相交处设排水沟。由于堆积高度及总坝高较高，为加速沉积滩上尾矿排水固结，增加坝体稳定性，沉积滩每升高5m铺设软式透水管，作为堆积坝的水平排渗设施。目前坝顶标高1 485m，总坝高135m。但尾矿库容难以适应企业的生产状况，需要扩容，将原设计最终标高1 510m加高至1 560m。

尾矿库为潜在的高势能危险源，坝体的稳定性引起了人们的广泛关注。采用尾矿砂分期筑成子坝，由于尾矿砂的力学强度低，渗透系数低，尾矿坝的安全性受到严重影响。将尾矿砂充灌在特制的模袋内并充填密实，因其筑坝材料可就近取材、施工机械化程度高，工期短、质量易控制、造价低等，展示了非常好的应用前景[1-2]。同时，模袋可以起着排水通道的作用。

本文从理论上了分析了模袋法尾矿筑坝的加固机制及施工工艺，对比了3种不同扩容方式的安全系数以及优缺点，最后选定模袋法尾矿筑坝作为该尾矿库的加高方式。

2　模袋法尾矿筑坝的应用原理及施工工艺

2.1应用原理

将尾矿用水力充填至由土工织物缝制成的一定尺寸的模袋内，靠自身的重力和渗水压力作用脱水固结后，形成比较密实的尾矿固结体，将这种尾矿固结体堆叠构成坝体。其中，模袋的作用与模板相似，使松散的尾矿集结为整体，不致流失。

模袋是一类特殊的加筋土，因此可以运用加筋土的基本原理对模袋法尾矿筑坝进行解释，目前广大科研人员认同的理论有：①摩擦加筋理论，该理论认为在模袋法尾矿筑坝中，尾矿坝坡通过尾矿把所受到的力传递给模袋，有将模袋拉出的趋势，由于模袋受到法向荷载的作用，在模袋表面与尾矿之间产生摩擦力；②准粘聚力理论，此理论把模袋尾矿看作各项异性的复合材料，且模袋的弹性模量要大于尾矿的弹性模量。由于有模袋的存在，当尾矿受到法向荷载时，尾矿的变形要比没有模袋时大大减小。该理论认为，添加模袋后尾矿的抗剪强度显著提高，使尾矿的粘聚力增加，此粘聚力不同于尾矿一般的粘聚力，称准粘聚力。

模袋的作用除了类似于土工格栅的加筋作用外，还具有排水功能。模袋是一种特殊的土工格栅材料，可以起到塑料排水板的功能，其渗透系数为10～2cm/s，而粗粒尾矿的渗透系数为10～4cm/s，细粒尾矿的渗透系数为10～7cm/s[3-4]。通过模袋形成的网状排水系统，迅速有效地排出模袋内尾矿材料的水，加快固结速度，提高其抗剪强度；另一方面可以快速有效地降低尾矿库内的浸润线，加快库内尾矿的固结速度，提高库内尾矿的抗剪强度。

2.2施工工艺

模袋充砂筑坝施工工艺可概括为：测量放样→坝体清基→定位设置→模袋制作→模袋铺设→模袋充填→布排水管→坝体测量→取样检测。

(1)坝体清基。将坝基的淤泥、杂质及有碍模袋摊铺施工的障碍物清除干净，防止杂物损坏模袋。

(2)模袋制作。采用透水性和保砂性较好的聚丙烯编织土工布，制作成长条状棱体断面，横向尺寸一般控制在5m以内，纵向尺寸一般不超过50m。模袋顶层设充填口，呈梅花型布置，充填口直径为20cm，其数量视模袋容积的大小而定，一般16～20m2设一充填口，充填口长度以高出模袋面50cm为宜。模袋缝制时，接缝处宜采用不易老化降解的尼龙线，强度不低于180N，接缝处强度不宜低于模袋材料拉伸强度的70%。

(3)模袋铺设。同层模袋间及上、下两层模袋必须错缝铺设，错缝宽度横向不得小于模袋横向尺寸的1/3，纵向不得小于模袋纵向尺寸的1/5，且不得小于3m。模袋铺设应平整，不褶皱，模袋与模袋的横向搭接不小于300mm，纵向搭接长度不小于1m；可能发生位移处应缝接；不平地、松软土铺设时，搭接宽度应适当增大。

(4)模袋充填。按照充灌、屏浆、再次充灌、再次屏浆、找平、充填口部位人工补填的流程进行操作。当采用普通模袋时，充灌速度宜控制为10～15m3/h，一次充满度宜85%，待泌水基本停止时再次充灌；当采用高强模袋充灌时，充灌速度、压力及一次充满度可由材料厂商提供，并能满足设计要求。为保证充填效果，模袋的袖口宽度应与充填管相匹配，袖口间距宜控制在4～6m，梅花形布置。当尾矿粒度过粗或过细时，应以现场试验为准。

(5)充灌过程中，可采取措施加快模袋的排水固结。待整个砂袋达到屏浆阶段时，可适当减少充灌或停止充灌，以防布袋爆裂，并留有一定的固结脱水时间。上、下层模袋充灌施工的间隔时间应根据袋内尾砂的固结状况确定，袋体固结达到一定强度时，再进行上一层模袋充灌。

(6)取样检测。指标有颗粒粒径、抗剪强度以及渗透系数等。在模袋堆坝施工初期，宜对每个模袋的充灌尾砂进行粒度、浓度检测；当充灌稳定后宜对模袋的颗粒组成、干密度及含水率等进行检测，每级子坝均需对充灌后尾砂的颗粒组成、干密度及含水率等指标进行检测。在堆坝初期，每50m坝长的检测点不得少于1个，每级子坝的检测点不得少于5个；充灌稳定后，可减少检测点数，但每级子坝的检测点数不得少于3个。

3　尾矿库加高

3.1尾矿库加高方法

根据目前国内的筑坝技术和尾矿库所在区域的具体条件，将原设计最终标高1 510m加高至1 560m可以考虑的尾矿坝加高方法有：干堆法加高，碎石土加高，模袋法加高。

(1)干堆法。干堆法也叫干法筑坝，对应于常见的湿法筑坝，先将尾矿矿浆浓缩过滤使其浓度达80%左右，近似干尾矿，可用皮带、矿车运到选矿厂附近的山沟、山坡或滩地堆存起来形成坝堆。设计加高尾矿坝的外坡坡比为1∶5，内坡坡比为1∶1.5，坝顶宽5m。50%的尾矿脱水进行干堆，每加高10m设置一5m宽排渗管。该技术在凤城地区黄金生产中得到应用[6]。

(2)碎石土。由于尾矿颗粒较细难以堆筑子坝，可将排土场的碎石土按照一定的坡比进行子坝加高，形成碎石土堆积子坝。尾矿坝加高的外坡坡比为1∶5，内坡坡比为1∶1.5，坝顶宽5m。每加高10m设置一宽5m马道和排渗管，以增加坝体的渗透性。常金等[7]介绍了废石与尾矿混合中线法筑坝技术，提高了坝体的安全性。

(3)模袋法尾矿筑坝。利用模袋布的透水不透浆特性，排水固结速度快，有利于快速筑坝，且筑坝强度高，使尾砂形成一个整体。模袋法尾矿筑坝的外坡坡比为1∶4，内坡坡比为1∶2，模袋顶长18m，底长42m，搭接14m，每隔4m加高一级。模袋内+200目尾矿颗粒含量超过80%，加高4m设置坝面排水沟，模袋底部设置双向土工格栅及排渗管。

3.2尾矿库加高技术比较

采用Slide软件，分析3种不同的加高方法，各方法分析见表1。结果表明：同一计算条件下干堆法安全系数最大，碎石土次之，模袋法最小，碎石土加高和模袋法加高安全系数差别很小，但3种加高方法加高时稳定性系数均在1.5以上，可满足规范要求。

考虑到该尾矿坝下部无厂房，且无居民区，综合安全、技术、经济方面的原因，最终

表1　不同加固方法的安全性分析

采用模袋法尾矿筑坝对该尾矿库进行扩容。

4　结　论

模袋法尾矿筑坝具有固结速度快，有利于快速筑坝，筑坝强度高，使尾砂形成一个整体，排水固结速度快的优点，工艺成熟，操作简单，可边生产边堆坝，不影响生产的特点。加之一些排渗、加筋等措施，是尾矿筑坝的新方法。

相比于干堆法和碎石法，模袋法尾矿筑坝在安全上相对较差，但可以满足工程的规范要求，且具有较强的经济效益和社会效益，值得推广使用。

[1]李道明，沈楼燕，唐笑．模袋充砂筑坝技术在尾矿库扩容工程中的应用[J]．有色冶金设计与研究，2013，34(5)：12-14．

[2]周汉民，刘晓非，崔旋，等．偏细粒尾矿新型快速堆坝方法[J]．现代矿业，2011(11)：121-122，124．

[3]胡前发．模袋砂围堰稳定性分析[D]．广州：华南理工大学，2013．

[4]彭红波．模袋砂力学性能试验研究[D]．广州：华南理工大学，2012．

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50863—2013尾矿设施设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2013．

[6]傅学忠．尾矿压滤干堆在凤城地区黄金生产中的应用[J]．黄金，2012，33(4)：49-51．

[7]常金，吴小刚．废石与尾矿混合中线法筑坝技术的应用[J]．现代矿业，2015(9)：228-229．

2016-01-21)

*国家自然科学基金重点项目(编号：51234004)；国家自然科学基金青年项目(编号：51304088)；云南省科技计划面上项目(编号：2015FB130)。

张舟(1968—)，男，高级工程师，650051 云南省昆明市盘龙工东风东路东风巷1号。