泥石流地質災害易發區某尾礦庫排洪設施的安全布置方案

甘海闊 周漢民 崔 旋

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京101600；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京102628）

尾礦庫堆置了礦產資源開采過程中產生的大量尾礦及廢水等，是一個具有高勢能的泥石流源，其安全性受工程地質條件特別是庫內不良地質條件的影響十分顯著［1］。我國多數溝谷上游法堆壩尾礦庫由于占地面積較大，同時受到建庫地質條件的限制，庫區邊坡時常存在一定的崩塌、滑坡、泥石流等不良地質現象；在尾礦庫的運行過程中也會由于暴雨洪水、臺風、地震、施工開挖、邊坡淹沒等因素誘發形成新的地質災害點；地質災害問題給尾礦庫的安全運行帶來了諸多挑戰［2～3］。而在尾礦庫的各系統中，排洪設施受庫區地質災害的影響更為顯著，這是因為多年以來我國尾礦庫的建設實施常采用“井、塔、槽+洞、管、渠”的排洪方式［4］；該種排洪形式具有斷面小、尺寸高、經濟性好的優勢，但其在布置方式缺乏安全度的情況下，遭遇地質災害時結構抵抗能力差，排泄能力減弱，易引發排洪系統的結構損毀或行洪於堵問題。近些年來，由于庫區地質災害所引發的尾礦庫排洪設施垮塌、於堵的事故時常發生。例如：2006年8月，四川會東鉛鋅礦老虎巖尾礦庫由于汛期庫區大量棄方在汛期形成泥石流，泥石流於堵尾礦庫2#排洪井并造成洪水漫壩；2010年7月24日，河南欒川甘澗溝尾礦庫在暴雨激發條件下形成庫區泥石流，泥石流最終於堵排洪井井口導致洪水漫壩潰決；2015年11月16日，云南錫業郴州礦冶有限公司屋場坪錫礦尾礦庫因連日持續強降雨導致庫區山洪泥石流暴發，泥石流直泄尾礦庫致使正在運行的一座排水井上部坍塌，庫內尾礦經排洪涵洞大量泄出造成事故。因此，如何科學合理地在地質災害易發區布置排洪設施，并制定有效解決方案以保證尾礦庫防洪安全成為廣大尾礦庫科研及設計人員關注的一個重要研究方向［5-7］。

本研究以處于泥石流地質災害相對易發區的某典型尾礦庫作為案例，在全面調查庫區地質災害的基礎上，分析庫區范圍內多條溝谷泥石流發育特征以及對主體工程的危害程度；通過采用排洪系統雙進口布置方案和整體避讓泥石流溝谷措施，增大排洪系統的安全裕度；充分利用尾礦庫調洪庫容容納一次泥石流總量以保證尾礦庫防洪安全；設置泥石流停淤場及攔擋設施，進一步減小庫區泥石流的危害程度；建立庫區泥石流在線監測系統實現尾礦庫安全運行實時監控；通過以上措施總結形成一套完善的適用于地質災害易發區的排洪系統布置方案，可為類似地質災害易發區尾礦庫排洪系統設計布置、建設實施及運行管理提供借鑒和指導。

1 項目介紹

某典型尾礦庫項目位于我國云南省昆明市東川區境內，工程區位于小江西支斷裂和東支斷裂的夾持區域，工程項目的北端距小江東支斷裂的最近距離僅約3.0 km；該地區抗震設防烈度為9度，設計基本地震加速度值0.40g。由于區域地質構造發育及地表植被覆蓋條件差，東川歷來是我國泥石流地質災害高發區和水土流失綜合防治的前沿基地。

由于尾礦庫選址條件的極大局限性，該尾礦庫庫址同樣面臨著庫區不良地質現象多、覆蓋層地基深厚、庫岸山高坡陡、庫區狹長迂回等復雜地質工況。該尾礦庫庫區屬狹長“V”字型河谷，全段利用的溝谷長度約4.4 km，溝底平均縱坡3.3%；溝谷上游窄、下游寬，最窄處僅27 m，最寬處約150 m；河谷內部“S”型轉彎多。庫岸兩側山體地形坡度均較陡，大多在45°～55°之間，庫區左右兩岸山體厚實，谷底和溝谷兩岸分水嶺高差在300～650 m，庫區呈典型的“兩山夾一谷”地形。該庫址存在的不良地質現象主要表現為庫區共發育4條中小型的稀型～過渡性泥石流溝谷。分別為大窩塘溝、小荒地溝、大地箐溝和水龍站溝，具體如圖1所示。

在該庫址下擬采用“初期壩（50 m）+中期分期中線法卵礫石筑壩（60 m）+后期寬體模袋上游法（20 m）”堆積建設一座總高度為130 m的尾礦壩，最終可形成的尾礦庫總庫容約4 800萬m3，為二等庫。擬在該尾礦庫上游設置“攔水壩+隧洞”分流庫外洪水，庫內則設置排洪“框架式排水井+排水隧洞”作為排洪系統。尾礦庫典型工程平面布置如圖2所示。

2 地質災害全面調查與分析

在該尾礦庫選址建設最初，為充分論證泥石流等地質災害對庫址及尾礦設施的影響程度，委托第三方專業泥石流評價機構開展尾礦庫庫區周邊泥石流調查分析工作，主要內容：通過現場實地踏勘、現場測量與取樣等手段確定調查溝域的基本工程地質情況及泥石流活動程度；通過室內泥石流流動還原試驗及內業計算等，分析確定庫區范圍內4條溝谷的泥石流發育特征和危險性；綜合評價泥石流對主體工程的影響及危害程度。庫區典型泥石流溝谷沖積扇形態如圖3所示，庫區4條泥石流溝谷的活動性及危險性分析結果匯總如表1所示。

通過地質災害全面調查分析，得出的主要結論為：

（1）庫區4條支溝泥石流中：大地箐溝、水龍站溝為中等規模的稀性～過渡性泥石流溝谷；大窩塘溝及小荒地溝兩條溝谷為小型泥石流溝谷。四條溝谷均屬中小規模的稀性～過渡性泥石流溝，流域范圍小，設防工況下四條溝谷一次泥石流固體沖出總量合計約8.9萬m3，泥石流溝谷的一次沖出總量和整個尾礦庫庫區流域年平均水土流失量相對不大。

（2）泥石流對推薦布置方案下的尾礦壩、庫尾攔水壩及庫外排洪系統不會產生威脅及危害；泥石流的主要可能危害對象為庫內排洪設施（排水井+隧洞），有沖擊及於堵排洪設施的可能；對于庫內排洪系統的布置建議通過主體工程的主動避讓和防護實現安全的目的。

（3）隨著尾礦庫的堆高，庫區尾砂的不斷堆積將改變原泥石流溝口堆積區地貌，并減緩了溝底縱坡，有利于庫內泥石流的減緩和停積。

（4）對尾礦庫庫區及周邊溝谷進行大范圍泥石流治理的必要性不大，可以預防和監測為主。

3 排洪系統布置方案

3.1 雙進口排洪系統避讓泥石流布置

根據尾礦庫庫區周邊泥石流調查分析的結論，該尾礦庫排洪系統整體方案的布置原則：根據泥石流溝谷的位置及影響范圍，采用排洪系統雙進口措施并整體避讓泥石流溝谷危險區范圍布置，以增大系統安全度。具體措施如下。

（1）在尾礦庫庫區共布置8座框架式排水井，4用4備，每座排水井高度25 m，使用井與備用井高度方向搭接24 m，錯位1.0 m；在極端工況下1座排水井受泥石流影響於堵失效時，確保備用排水井能夠正常工作。雙進口排洪系統避開泥石流危險區布置方案如圖4所示。

（2）為避開庫區水龍站溝中型泥石流的影響，1#排水井與2#排水井（1#，2#互為備用井）分別在該溝谷危險區范圍以外的上游及下游側布置。為避開庫區中部大地箐溝中型泥石流溝谷的影響，3#及4#排水井（3#，4#互為備用井）在該溝谷危險區范圍以外的下游側布置；為避開大地箐溝、小荒地溝以及大窩塘溝3條泥石流溝谷的影響，5#～8#排水井完全避開該溝谷段，在4條泥石流溝谷的上游靠近庫尾側布置。

（3）8座排水井的進水口標高距高溝底高度均在10～15 m以上，目的是保證排水井周邊始終具有一定深度的水區范圍，以確保庫內泥石流發生時，其所攜帶的固體顆粒及大塊石等能夠提前在庫內水區范圍內發生沉積，以最大限度地降低產生泥石流沖擊於堵排洪系統的風險。

（4）8座排水井基座均布置在庫區右岸穩固的堅硬微風化玄武巖地層上，避開庫區中部中生界粉砂巖夾泥巖地層，同時確保排水井邊坡及附近場地穩固，無不良地質現象。

（5）為驗證布置方案下排洪設施避讓泥石流的效果，委托第三方專業機構針對當前布置方案下排洪設施開展《庫區泥石流對尾礦庫排洪系設施影響的物理模型試驗》研究工作；通過物理模型試驗明確了各工況下設防泥石流對排洪設施的影響均處于可控范圍內，當前布置方案下泥石流發生時不會造成排水井的於堵及沖擊破壞，庫區泥石流對排洪系統的正常運行影響不大。限于篇幅，涉及到泥石流對尾礦庫排洪設施影響的模型試驗具體內容不再展開描述。

3.2 防洪安全分析

針對該尾礦庫而言，泥石流災害發生時造成的最不利影響：致使庫內排洪系統垮塌或於堵，并導致排洪系統整體失效，進而影響到尾礦庫的防洪安全。

通過該尾礦庫庫型條件分析可得：該尾礦庫可利用的河谷全長4.4 km，在整個尾礦庫運行服務期，可形成足夠的干灘長度和調洪庫容；尾礦庫運行初期的調洪庫容總量約80萬m3，運行后期的調洪庫容總量約400萬m3。在尾礦庫最高洪水位的基礎上考慮上述4條泥石流溝谷固體沖積物所占用的調洪高度后，庫內剩余安全超高仍可滿足防洪安全的要求。

同時，該尾礦庫采用“初期壩+分期中線法卵礫石筑壩+寬體模袋上游法”方式設計建造；中線法每級卵礫石子壩堆壩高度為15 m；后期寬體模袋上游法每級子壩寬度約100 m，子壩高度為4.0 m，每級子壩均要求汛期前完成施工，壩體典型剖面如圖5所示。如此，分級中線法壩體和模袋寬體子壩可形成沉積灘面超高之外額外的壩體超高，可進一步提高尾礦庫的防洪安全裕度，降低尾礦庫由于排洪系統整體失效而發生潰壩的風險。

4 泥石流攔擋與監測

4.1 泥石流停淤場及攔擋設施

《泥石流災害防治工程設計規范》（DZ/T0239）指出：針對泥石流防治可利用天然有利地形，將泥石流引入選定的寬闊灘地或低地，使其自然減速后淤積，以此達到停淤、分流化解泥石流水沙集中的矛盾。該尾礦庫狹長迂回的庫區即為作為庫內4條支溝泥石流水土流失的天然停淤場。而且隨著尾礦庫的逐漸堆排和庫面抬升，將改變原泥石流溝谷的地形地貌特征，降低了泥石流溝谷平均坡度，有利于泥石流沖積物就近于溝口附近停積。

《規范》同時指出：針對泥石流治理，在地形較好的泥石流流通區地帶，可采用可靠的攔擋壩、谷坊壩等，以攔載水沙，改變輸水輸沙條件和穩定溝谷；達到降低河床坡降，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱、橫向侵蝕，保證下游排洪設施的目的。根據尾礦庫的實際現狀，此次在大地箐溝的溝底坡度較緩地段設置1座格柵壩，3座副壩，并沿途設置多座小型谷坊壩，以攔截泥石流，減輕對下游排洪設施的影響。

4.2 運行期泥石流監測

泥石流監測的目的是為獲取泥石流形成的固體物源、水源和流動過程中的流速、流量、頂面高程（泥位）、容重等及其變化，為泥石流的預測、預報和警報提供依據。針對該尾礦庫泥石流監測，布置如下監測方案。

（1）監測范圍。水源和固體的顆粒的物源區、流通段和堆積區。

（2）監測方法。視頻、雷達、警報器等現代化手段和普通的測量、觀測等相結合的方式進行。

（3）監測內容。①物源監測：泥石流形成區內松散土層堆積的分布和分布面積、體積的變化；松散土層是否有裂縫產生和裂縫寬度的變化；庫內滑坡、崩塌的發展與變形情況；庫區森林覆蓋面積的增減和水土保持的狀況及效果。②雨情監測：監測流域的降雨過程和降雨量，根據當地泥石流的一次暴雨激發值等經驗數據判斷降雨激發泥石流的可能性。

建立庫區泥石流監測系統，并與該尾礦庫的壩體及排洪設施等安全監測共同構成統一的庫區監測體系，以實現該尾礦庫安全運行實時監控。

5 結論

（1）在泥石流相對易發區布置排洪設施，應以全面調查庫區地質災害規模為基礎，確定各溝谷泥石流的發育特征及其對主體工程的危害程度。本研究通過開展上述工作，明確庫區泥石流溝谷均屬中小規模的稀性～過渡性泥石流溝谷，泥石流的固體沖出總量和流域年平均水土流失量不大，可通過庫內排洪設施的主動避讓和防護保證安全。

（2）本次通過設置排洪系統雙進口，并將排水井布置于庫岸山坡高出溝底10～15m的位置處，實現排洪設施避讓泥石流危險區的同時，使得泥石流固體顆粒能夠在庫內水區提前發生沉積，降低泥石流沖擊、於堵排洪系統的風險；并通過泥石流物理模型試驗進一步驗證了上述排洪系統布置方案是安全可靠的。

（3）該尾礦庫庫內縱深長，調洪庫容大，可充分容納設防一次泥石流總量；同時設置了安全超高余量大的堆壩方式，降低了極端偶發工況由于排洪系統整體失效而導致尾礦壩發生潰壩的風險。

（4）對于地質災害易發區的尾礦庫，可根據尾礦庫實際地形條件設置泥石流停淤場或攔擋設施，以減小庫區泥石流的危害程度，并可建立泥石流監測體系以保證尾礦庫運行期的安全。