某尾礦庫排洪系統優化技術研究

楊明軍

（山東欣鵬安全技術咨詢有限公司，山東 濟南 250100）

因為選廠生產排放尾礦，所以需要選定堆存尾礦的場所。為此，我國西部某礦山企業對庫址進行一番比較后，選擇在選廠西南方向的一側建設尾礦庫，用來堆存選廠每天排出的尾礦。選址完成后，經過地質勘察，以相關報告、選廠生產技術資料為基礎，我公司對尾礦庫排洪系統進行了優化技術研究，某設計院采納后作出了設計，此后建設單位委托施工單位按照設計要求施工，工程竣工后獲得主管部門的好評，尤其排洪設施部分，達到了優化的預期目標，在安全環保與經濟效益方面實現了較好的效果。迄今為止，尾礦庫運行良好，實現了預期目的，企業的正常生產得到了保障。在安全、環保、經濟效益三個層面都取得了較好的效果。

1 該庫排洪系統的地質條件概述

該尾礦庫的地勢為北高南低，且東西北三面環山，所處位置為一個V型溝谷，底部較窄，大約10m到25m寬，坡度較陡，其所處地理位置的氣候為中亞熱帶西部半濕潤氣候區。

1.1 尾礦庫工程地質條件

首先，溝谷為一條南北走向的V型溝谷，溝谷底部、谷面兩側有一些灌木，而谷坡則穩定，作為堆場沒有問題。其次，其內有兩個坍塌體，但比較穩定，對建設尾礦庫沒有影響。最后，庫區有滲漏，但主要在第四系覆蓋層，以及基巖上部破碎的巖層。滲漏的方向是沿谷坡向谷底，流向下游。下部基巖不易滲水，有隔水作用，地下水不會滲到底部。庫區的山體較厚。

1.2 尾礦庫水文地質條件

經勘察，該溝谷常年有流水，來源自溝尾部，其流量，枯季為70L/s，雨季時會稍微再大一些。庫區無泉水出露點。地表水流向金沙江。鉆孔均見地下水，水深1m至3.9m，由大氣降水所致。

1.3 排水系統地質條件

排水系統所處的谷坡坡度為7°到10°，有較多灌木叢。第四系覆蓋層的厚度為2.2m到8.2m，岸坡的表層有風化，較強烈，是砂泥巖出露地段，有裂隙，會形成一定的坍塌。所以對庫岸的穩定，存在一定的負面影響。

綜上，該場地總體穩定，地層較為單一，沒有不良地質作用。總體適合修建尾礦庫。

2 簡述設計方案

該場地周圍無居住人員，無歷史古跡、旅游景區等。該工程設施由排洪系統、初期壩、尾礦輸送、回水設施所組成。初期壩是碾壓式透水石渣壩，壩軸線長187.16m，壩頂的寬度為4.6m。上游的坡面有兩臺兩米寬的馬道，上游的坡比是1:1.6。下游的坡面則每20m高有兩米寬的馬道，下游的坡比是1:2.4。實際的壩高是70m。且在上游坡還設置了反濾層。采用了上游式堆壩方式，堆壩的高度是106m，總壩高是181m。堆壩的外坡比是1:4.2。尾礦庫的有效庫容是871.6萬立方米。排洪系統由庫內與庫外兩部分排洪設施組成，庫外排洪系統由左右兩部分組成，左岸為沿山體而下的排水溝，右岸為擋水壩與排水管。庫內排洪系統則是排水井與排水管。回水則采用壩下回水的方式，其設有2座回水泵站。

3 該庫排洪系統之措施

該庫的壩址以上的匯水面積為6.1km2，因為該庫溝谷內常年有流水，所以需要將常流水、雨季洪水截在尾礦庫之外，這樣能更好地保障該庫的安全。因為兩側岸坡比較陡，為了防止山體滑坡的發生，不能對山體進行大面積的挖掘。所以為了盡量降低庫內排洪壓力，將匯水面積劃區分塊，以進行導流、截排。尾礦庫排洪系統的組成可見本文第三章節，排洪系統的平面布置可見圖1。左岸沿山體而下，進到庫區公路，此部分逐級設置排水溝，此部分能導流截排的匯水面積為1.6km2，右岸的擋水壩與排水鋼管，分別能截排的匯水面積為0.4km2與0.8km2。庫內部分的排洪設施則排泄剩下的3.3km2的匯水面積的洪水。但因為考慮在雨季時，庫外的排洪系統可能因突發、意外等情況而導致失效，所以設計時庫內部分是按全部的6.1km2的匯水面積計算的。

3.1 設計的防洪標準

因為將尾礦庫等級設計為三等，所以根據相關規定，該庫的防洪標準為，初期按照200年一遇設計，中后期按照500年一遇進行校核，庫外排洪設施的級別為五級，庫內排洪設施為三級。

3.2 庫外排洪設施的設計

3.2.1 水文計算

根據庫區左右兩岸分別可導流、截排的匯水面積，依據該省相關規定中的推理公式進行計算，防洪標準按500年一遇，庫外五級排洪設施，進行設計。

Q為洪峰流量，θ為洪峰徑流系數，B為暴雨雨力，S為匯雨面積，t為匯流歷時，d為暴雨遞減指數。

經計算，得左岸坡的洪峰流量為16.8立方米/秒，右岸（0.4km2部分）的洪峰流量為1.14立方米/秒，右岸（0.8km2部分）的洪峰流量為2.28立方米/秒。

3.2.2 庫外排洪設施

首先，左岸坡沿山體而下，修建有一條進入到庫區的公路，長度12km，在其內側修筑排水溝，長度8km，共7段排水溝，這些排水溝可將坡面的匯水引流到它處，避免雨水進入尾礦庫內。前面的6條排水溝，其凈斷面均為0.6m×0.7m。最后一條排水溝則設計為排水溝與公路相結合的方式，以保障在其他排水溝不通暢時，使匯流水流到該水溝，并引流到它處。該排水溝凈斷面為4m×1m。經此7段排水溝，可分流1.6km2的雨水至尾礦庫外側的沖溝，保障尾礦庫的安全。其次，庫區右岸的是兩支溝，因為其匯水面積較小，所以需要進行洪水分流，否則雨水入庫增加排洪壓力。因為山體又比較陡，所以不能挖掘大的排水溝，故對此采用擋水壩與排水鋼管的方式。根據計算，第一支溝的擋水壩使用了漿砌石結構，高6m，頂寬2m，擋水壩內設有排水鋼管，內徑為1m，同時挖溝槽至庫外。壩前同時設有攔沙擋渣設施，引流雨水進到鋼管從而排出。第二支溝的擋水壩也是漿砌石結構，高6.4m，頂寬2m，同樣壩內設有排水鋼管，內徑1.1m，溝槽至庫外，壩前設同樣的設施引流雨水經鋼管排出到下游。

3.3 庫內排洪設施的設計

（1）水文計算。庫外部分的排洪設施可排泄的匯水面積是2.8km2，則庫內部分排泄剩下的3.3km2的匯水面積，因為考慮雨季時，庫外部分可能因意外而失效，所以庫內的排洪設施還是按排泄全部6.1km2的匯水面積進行計算。計算如下：

m為所需排水構筑物的泄流量，Q為設計頻率為P的洪峰流量，V為某壩高時的調洪庫容，W為頻率為P的一次洪水總量。經計算，可知初期尾礦庫的調洪庫容是8-12萬立方米，中后期尾礦庫調洪庫容大于12萬立方米。依此，計算排洪設施的泄流量，當p為0.5%，調洪庫容為8萬立方米，則W為60萬立方米，構筑物的泄流量為58立方米/秒。當p為0.2%，調洪庫容為12萬立方米，則W為71萬立方米，構筑物的泄流量為73立方米/秒。

（2）庫內排洪設施。選擇什么樣的進水構筑物是修筑排洪系統的關鍵，由于庫型較窄且長，就需要進水構筑物的進水面積足夠大，所以框架式排水井比較合適，輸水構筑物則達到下泄的流量就可以，所以，最后選擇框架式排水井與排水涵管的方式。按照73立方米/秒的泄流量，因為壩高與尾礦堆積的負荷又比較大，庫區的巖層又不是很符合，所以，排水井的外徑采用4m，排水管內徑采用2.5m。經計算，這樣的方式可排泄流量達到22立方米/秒，剩下的51立方米/秒的流量經修建的溢洪道排出。溢洪道在尾礦壩肩的雙側修建，為鋼筋混凝土結構，修建后的溢洪道排泄流量一共可達到60立方米/秒，達到排洪要求。

庫內修建排水井共8座，1/3/5/7號排水井高21m，2/4/6/8號排水井高24m，排水管長1300m。因為排出的尾礦為弱堿性，所以每個水工構筑物都采用了防腐工程措施。

3.4 管理排洪設施所需的技術要求

雨季前、雨季中時期，要做好庫區內外的排洪設施的清潔工作，清理掉可能造成阻塞的雜物，保障水流的順暢，同時盡可能的減少庫內存水。發生洪水的情況時，要確保堆壩干灘長大于等于100m，安全超高要大于1m。而在正常的情況時，堆壩干灘長大于等于160m，安全超高1.6m。

4 該尾礦庫的運行效果

該尾礦庫竣工后運行至今，顯示運行正常，根據觀測的數據可知，壩體水平位移量在允許范圍內，垂直沉降量的最大值為0.6m，現已漸趨于穩定。在雨季的時候，庫內外的排洪系統排泄正常，庫內的存水量也比較少。在洪水的情況時，堆壩干灘長在130m左右，正常的情況時，堆壩干灘長在220m左右。