尾礦庫排洪系統封堵技術初探

摘 要：本文在對排洪系統概述的基礎上，結合實例對排洪系統封堵事故種類進行了詳細介紹，說明了封堵重點問題堵體位置的選擇和堵體的長度或厚度的計算方法，根據實際工作得出了不同情況下的封堵類型選擇。

關鍵詞：排洪系統；封堵事故；初探

一、尾礦庫排洪系統概況

尾礦庫是礦山企業的重要生產設施，同時又是礦山企業的重要污染源和重大危險源之一。尾礦庫排洪系統在正常情況下，要確保尾礦庫外排（包括回水）水質達標，在特大暴雨時，要確保尾礦庫的防洪安全。因此尾礦庫排洪系統的正常、安全、可靠地運行不僅與企業的正常生產關系密切，更重要的是與尾礦庫下游的環境保護和生命財產安全關系重大。

尾礦庫排洪系統包括庫內排洪系統和庫外排洪系統。

庫內排洪系統主要由進水構筑物和排洪構筑物組成。進水構筑物一般為排洪井或排洪斜槽；排洪構筑物一般為排洪隧洞或排洪管。其中排洪隧洞（或排洪管）又可分為排洪主洞（或排洪主管）和排洪支洞（或排洪支管），后者分別與各期排洪井（或排洪斜槽）相接。

庫外排洪系統一般在尾礦庫匯水面積較大，為減輕庫內的調洪壓力，或實行清濁分流而專門設置。除庫周設置截洪溝外，主要采取庫尾設置攔洪壩-排洪隧洞（或溢洪道、排洪管）的方式將洪水截出庫外。

尾礦庫建成后，隨著尾礦的大量排入，沉積灘面不斷充填升高，灘面延長，庫水位澄清距離縮短，外排（或回水）水質逐漸降低，必須及時抬高庫水位，就需要用攔擋體將進水構筑物的進水口標高不斷升高。如框架式排洪井的拱（或梁）擋板；窗口式排洪井的蓋板（或堵板）；排洪斜槽的拱（或平）蓋板。安裝攔擋體不影響進水構筑物的防洪能力。

二、排洪系統封堵事故種類

（1）排洪井筒頂部封堵。湖南醴陵潘家沖鉛鋅礦1#尾礦庫建于1964年，尾礦庫排洪系統采用排洪井-排洪管型式。運行10年左右停止使用。10年后因2#尾礦庫又停止使用，而3#尾礦庫尚未開始建設，礦方決定重新啟用1#尾礦庫，擬繼續加高10m以擴容，新建二期排洪系統，并對一期排洪系統進行封堵，封堵部位在排洪井筒頂部。在加高擴容快結束使用時發生垮塌，塌坑深達30m、直徑60m，尾礦流失嚴重。經分析，事故原因為井座上部井筒拱板斷裂。（2）封堵體位置不當導致尾礦堆積壩滲透管涌破壞。湖南臨湘桃林鉛鋅礦魚潭尾礦庫1960年建成使用，選礦規模4500t/d，初期壩為土壩，壩頂標高80.0m，1994年尾礦庫堆積至104m標高時，二期排洪系統開始使用，即在初期壩上游壩腳處對一期排洪管采用砂、礫石、塊石進行反濾封堵，封堵長度為18m，已用粗尾砂修路堤到排洪井，擬將排洪井井座進行混凝土封堵。因恰逢暴雨，洪水進入井內，封堵體前水頭達40m，封堵體安全無恙，但在初期壩頂上游壩坡被滲透管涌水流沖出約30m左右直徑的塌陷坑，近千立方尾砂下泄，初期壩頂及壩坡亦局部被噴射出的水流所沖刷。

三、排洪系統封堵體位置的選擇

尾礦庫排洪系統封堵體位置包括上游迎水面位置和下游臨空面面位置。封堵體位置應根據排洪系統在尾礦庫區位置的工程地質、水文地質條件、排洪系統的結構狀況、與相鄰構筑物之間的關系及尾礦庫運行要求綜合分析確定。根據尾礦庫的特點，應滿足以下要求：

（1）封堵體下游排洪系統結構安全不因尾礦堆積壩加高擴容、超過原設計荷載范圍而導致破壞。反之，原設計排洪系統結構最大尾礦埋深位置是封堵體的結構安全的下游邊界；（2）不因封堵體上游側可能承受的最大水壓力形成滲流高壓區，不僅導致尾礦堆積壩下游壩坡浸潤線升高，局部出現沼澤化，而且有可能導致壩坡滲透破壞事故。因此應按尾砂允許滲透坡降分析封堵體處尾礦堆積壩坡的滲透穩定安全性來確定上游側的邊界；（3）排洪隧洞一般采用洞壁排滲孔降低洞周滲透壓力，以減少隧洞襯砌厚度。封堵體前滲流高壓區將對封堵體下游側支隧洞甚至主隧洞襯砌（或圍巖穩固性）產生威脅。

由于尾礦堆積壩坡較緩，為便于算管涌破壞逸出點標高和滲徑長度均可用封堵體進水面的豎直線與壩坡面的交點來確定（見圖一）。

封堵體前尾礦堆積壩最大平均水力坡降可用下式表示：

實際封堵長度應大于該封堵體界限長度，并滿足封堵體自身安全長度。

四、封堵體長度（或厚度）的計算

（1）梁板型封堵體。梁板型封堵體應按《水工混凝土結構設計規范》進行。可采用整板現澆或預制塊安裝。當用于井座頂時，井座頂應當有足夠的支承長度；當用于隧洞或管道內時，應預留槽孔。主要用于井座頂的封堵。（2）抗剪型封堵體。封堵體迎水面總壓力由封堵體與周邊（隧洞襯砌、巖壁、管壁）的有效接觸面積抗剪強度來承擔。水利部、電力部各有《水工隧洞設計規范》封堵體長度的計算方法。（3）重力型封堵體。重力型封堵體長度遠大于抗剪型封堵體長度，故不宜推薦。（4）反濾型封堵體。反濾型封堵體還可分為透水型和防滲型二類；為防止尾砂隨滲水帶出和使封堵體迎水面的壓力均勻地作用到封堵體上，必須采用反濾型封堵。（5）膏體封堵體。在滿足充填壓力坡降的前提下，還可摻入一定比例的粗尾砂。體積含水率達95～97%，凝固速度快，具有低標號混凝土的抗滲性，強度增長快，其抗壓強度已經超過煤礦對充填材料的強度要求。在冶金礦山井下充填也得到應用，凝固時間在20分鐘左右。凝固前10分鐘泵送性能好，自然流動坡降在1～2%左右，無毒無腐蝕性，缺點是遇陽光和通風后會發生開裂現象，適用于全尾砂充填井下充填護壁和尾礦庫排洪系統封堵，價格適宜。（6）其他型式的封堵體。① 井座封堵：直接在井座內進行封堵，可采用剛性封堵，也可進行防滲反濾封堵。由于井座側壁開有孔洞，剛性封堵在部分無側限時有可能擠壓破壞，散粒體封堵更應按其主動土壓力來設計側向封堵體長度。② 錐形、拱形封堵：錐形封堵實際上也是拱形封堵，將正壓力轉化為側壓力，由井壁、管壁或洞壁來支撐。

五、幾點結論

（1）尾礦庫排洪系統封堵應進行技術經濟比較，綜合分析封堵位置合理性；（2）梁板式在井座頂封堵較為適宜；（3）當塊石粒徑大于1/5洞（管）徑時，不能考慮在洞（管）壁形成主動土壓力的側向摩阻力；或全是混凝土澆筑但因沒有鑿毛處理，混凝土收縮后易形成滑動面，僅按自重產生的摩擦力抗滑，則封堵體長度過長，不適宜采用；（4）抗剪型封堵體宜在排洪井井徑較大或在排洪支洞（管）內施工較適宜時采用；（5）宜采用防滲型反濾型封堵，工程投資較省、施工方便，但施工管理難度較大，建議通過試驗進一步驗證力學模型和提供物理力學指標；（6）尾礦庫加高擴容對原排洪系統封堵時，因結構安全和尾礦堆積壩滲透穩定安全要求封堵體較長時宜采用高水材料封堵。

參考文獻：

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