應(yīng)急溢洪道在上游式濕式堆存尾礦庫中的應(yīng)用

李陽

摘 要：河南省是人口第一大省，數(shù)量眾多的濕式堆存尾礦庫一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想。因此筆者提出應(yīng)急溢洪道思路，即保留原尾礦庫排水井-隧洞的排洪設(shè)施，同時在尾礦庫初期壩左岸或右岸設(shè)置應(yīng)急溢洪道。該應(yīng)急溢洪道設(shè)計防洪頻率根據(jù)尾礦庫的等級和重要性具體按照國家規(guī)范取定，即設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，從而形成尾礦庫雙排洪系統(tǒng)。同時，對應(yīng)急溢洪道采用預(yù)制混凝土渠道設(shè)計、預(yù)制渠道制作、安裝與維修等技術(shù)進(jìn)行研究。通過這樣的設(shè)計，可以大大提升尾礦庫排洪系統(tǒng)的安全系數(shù)，防止排洪系統(tǒng)失效導(dǎo)致的尾礦庫事故。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急溢洪道;雙排洪系統(tǒng);預(yù)制混凝土渠道;防滲

中圖分類號：TD926.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0063-04

Application of Emergency Spillway in Upstream

Wet Stockpiling Tailings Pond

LI Yang

（Henan Anke Institute Security Technology Service limited Company，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Henan province is the most populous province， a large number of wet stockpiling tailings ponds once the accident， the consequences are unimaginable. Therefore the author put forward some ideas of emergency spillway， which would hold the original tailings drain well - tunnel having facilities， at the same time at the beginning of the tailings dam left or the right set up emergency spillway， the emergency spillway design flood frequency according to the specific according to the national standard level and importance of the tailings， fixed the design flood control standard， thus forming the tailings double having system. Meanwhile， the design， manufacture， installation and maintenance of precast concrete channel for emergency spillway were studied. Through this design， the safety coefficient of the flood discharge system of the tailings pond can be greatly improved and the accident of the tailings pond caused by the failure of the flood discharge system can be prevented.

Keywords： emergency spillway;double drainage system;precast concrete channel;seepage control

1 現(xiàn)狀分析

1.1 國外現(xiàn)狀

隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，尾礦庫建設(shè)有了較長的歷史。尾礦庫是用于貯存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場所，主要由尾礦壩和排洪系統(tǒng)等構(gòu)成。國外最早的Brent尾礦庫建于1830年。到目前為止，世界上正在使用的各類尾礦庫有20多萬座。

據(jù)世界大壩委員會的統(tǒng)計分析，自20世紀(jì)初以來，已發(fā)生的各類尾礦庫事故不少于200起。科研人員通過對1960—2003年國外80例尾礦壩潰壩事故進(jìn)行分析可知，有明確潰壩原因的共73例，其余7例屬于不明原因造成的潰壩事故。通過對潰壩事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析，多數(shù)事故與暴雨和地震產(chǎn)生的尾礦液化有關(guān);其次是壩體強度不足造成的直接滑坡事故，共有11例;而由于地基強度不足和排水不良引發(fā)的潰壩事故各占總數(shù)的10%左右[1-3]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，我國尾礦庫病害事故中，排洪系統(tǒng)的病害事故占33.3%，洪水漫壩的占44.4%。

我國尾礦庫事故時有發(fā)生，不僅給人們生命財產(chǎn)造成極大的威脅和損失，而且對環(huán)境造成極大的破壞，這在一定程度上影響著社會的和諧與穩(wěn)定。2001—2014年底，我國共發(fā)生90起尾礦庫事故[4-5]。相關(guān)研究表明，我國尾礦庫事故中將近20%是由洪水導(dǎo)致的，主要包括排水泄洪設(shè)施發(fā)生故障或損壞、行洪不暢、超標(biāo)洪水侵襲、泄洪不力、洪水漫頂?shù)?。因此，解決尾礦庫安全度汛問題成為礦山科研人員研究的新課題。

2 增設(shè)應(yīng)急溢洪道

尾礦庫防洪系統(tǒng)通常為一套設(shè)計洪水頻率的排洪設(shè)施，該系統(tǒng)既要將庫內(nèi)澄清水和洪水有序地排出尾礦庫，又要保證尾砂不從排洪系統(tǒng)泄漏，即排水不排砂。因此，通常采用壩前排放尾礦、庫區(qū)后部澄清水質(zhì)、壩下排水形式，排洪系統(tǒng)主要由壩下排水涵洞（或排水管、排水斜槽）組成，延伸至庫外[6]。

本次研究提出應(yīng)急溢洪道思路，即保留原尾礦庫排水井-隧洞的排洪設(shè)施，同時在尾礦庫初期壩左岸或右岸設(shè)置應(yīng)急溢洪道，應(yīng)急溢洪道基礎(chǔ)宜坐落在基巖上。應(yīng)急溢洪道進(jìn)水口標(biāo)高宜與尾礦庫正常水位一致，或略低于正常水位。該應(yīng)急溢洪道設(shè)計防洪頻率根據(jù)尾礦庫的等級和重要性具體按照國家規(guī)范取定，即設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，從而形成尾礦庫雙排洪系統(tǒng)（見圖1）。當(dāng)排水井-隧洞出現(xiàn)意外時，應(yīng)急溢洪道可作為備用排洪設(shè)施予以啟用，從而確保尾礦庫防洪安全;同時，在尾礦庫閉庫時，原尾礦庫排水井-隧洞被封堵后，應(yīng)急溢洪道可作為尾礦庫閉庫后的永久排洪設(shè)施。因此，應(yīng)急溢洪道的修建既不會增加企業(yè)投資，又能提升尾礦庫運行期的本質(zhì)安全。

尾礦庫的溢洪道一般都采用自由溢流的形式，多在溢水口做一條堰，堰下連接陡坡。這種形式的溢洪道又叫作堰流式溢洪道。溢洪堰的軸線與渠道的中線正交時，稱為正堰式（寬淺式）溢洪道，大致平行時稱為側(cè)堰式（側(cè)槽式）溢洪道。

寬淺式溢洪道由進(jìn)口段（引水渠及溢流堰）、陡坡段、出口段（消能設(shè)施及泄水渠）三部分組成（見圖2）。應(yīng)急溢洪道可根據(jù)實際情況，在進(jìn)口段和陡坡段之間設(shè)置一個由寬到窄的漸變段。

側(cè)槽式溢洪道的進(jìn)口段由溢流堰和側(cè)槽（或稱深槽）構(gòu)成，其他部分和寬淺式溢洪道相同（見圖3）。

3 應(yīng)急溢洪道施工

3.1 混凝土渠道預(yù)制

3.1.1 預(yù)制混凝土渠道。應(yīng)急溢洪道的引水渠和陡坡段采用預(yù)制混凝土渠道設(shè)計，即引水渠和陡坡段渠道在尾礦庫基建期，便由具有資質(zhì)的施工單位預(yù)制完成，其預(yù)制渠道數(shù)量宜滿足尾礦庫啟用后的頭3～5年需要。隨著尾礦庫堆積壩的升高，將預(yù)制混凝土渠道安裝在處理過的基礎(chǔ)上，與之前安裝的渠道連接和固定，預(yù)制混凝土渠道之間采用防滲材料充填。

由于尾礦庫的尾礦堆積壩是隨著生產(chǎn)年限的增長而逐漸加高的，所以應(yīng)急溢洪道的溢流堰頂標(biāo)高也應(yīng)隨著庫水位的升高而逐漸（分期）提高。提高的效果如圖1所示，由低到高逐一使用不同標(biāo)高的引水渠（引水渠首設(shè)有溢流堰）。

尾礦庫運行是一個長期的過程，堆積壩每天都在升高，生產(chǎn)經(jīng)營單位難以找到具有資質(zhì)的施工單位和監(jiān)理單位長期駐扎尾礦庫，為其修建應(yīng)急溢洪道;臨時雇傭的施工隊又難以保證施工質(zhì)量。然而，應(yīng)急溢洪道屬于尾礦庫庫內(nèi)排水設(shè)施，是尾礦庫的基本安全設(shè)施，應(yīng)委托具有資質(zhì)的施工單位和監(jiān)理單位進(jìn)行建設(shè)。這兩者之間就形成了鮮明的矛盾。

尾礦庫現(xiàn)澆溢洪道需要較長的養(yǎng)護(hù)周期（一般為28 d），而大自然降雨具有不確定性，尤其在河南省，一年降水的80%主要集中在7—9月的汛期，難以保證養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)無大量降雨。

通過尾礦庫基建期預(yù)制混凝土渠道，可以有效解決尾礦庫運行期現(xiàn)澆溢洪道難以保證質(zhì)量的弊端;同時可以解決現(xiàn)澆溢洪道養(yǎng)護(hù)周期與大自然降雨不確定性的矛盾。

3.1.2 預(yù)制混凝土渠道制作。溢洪道屬于尾礦庫基本安全設(shè)施，預(yù)制混凝土渠道作為溢洪道的重要組成部分，生產(chǎn)經(jīng)營單位應(yīng)委托具有相應(yīng)資質(zhì)的施工單位和監(jiān)理單位進(jìn)行制作。

預(yù)制混凝土渠道制作技術(shù)要點歸納為鋼筋工程、模板工程和混凝土工程。鋼筋工程中，應(yīng)注意放置吊點外露的尺寸和位置，外露尺寸不一樣、位置存在偏移均會對出槽、安裝施工的進(jìn)度和安全造成影響;模板工程中，模板支立時應(yīng)保證接縫密實，防止出現(xiàn)跑漿，對預(yù)埋件進(jìn)行安裝時，需要保證其位置的準(zhǔn)確性和固定的牢固性;混凝土工程中，對骨料、水泥、外加劑的質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測合格才能投入使用。

3.2 預(yù)制混凝土渠道安裝施工

預(yù)制混凝土渠道安裝施工是預(yù)制混凝土構(gòu)件應(yīng)用于尾礦庫排洪系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，其安裝施工質(zhì)量直接影響到應(yīng)急溢洪道的排洪效果。因此，將預(yù)制混凝土渠道安裝施工工序技術(shù)要點歸納為清基處理、填土碾壓、開挖槽和安裝填縫。

3.2.1 清基處理。由預(yù)制混凝土構(gòu)件安裝而成的應(yīng)急溢洪道，其基礎(chǔ)穩(wěn)固度是應(yīng)急溢洪道壽命的重要影響因素，因此清基處理不可忽視。

應(yīng)急溢洪道宜選址在工程地質(zhì)良好的山體上，并清理山體上的腐殖土，使預(yù)制混凝土構(gòu)件坐落在基巖上。

3.2.2 填土碾壓。填土碾壓高度一般要求至渠深的3/4處，這樣既節(jié)省了碾壓方量，又便于安裝，剩余土方待安裝結(jié)束后再填平壓實。填土碾壓時，除應(yīng)保證密實度外，還要注意頂面平整，符合測量數(shù)據(jù)，以確保渠槽開挖準(zhǔn)確。

3.2.3 開挖槽。①標(biāo)中心線;②放點測量，點距一般在10～20 m;③初挖，依據(jù)標(biāo)注的中心線和相應(yīng)高程，初步確定開挖的深度和寬度;④放樣架，樣架通常放在測點處，實際土槽的上口寬度比設(shè)計渠道略寬，一般留有4～10 cm間隙以利于安裝。

3.2.4 安裝填縫。安裝填縫主要包括以下4個步驟。

①打底漿。安裝前，在預(yù)制構(gòu)件的底部先鋪設(shè)4 cm左右低標(biāo)號水泥砂漿，以使構(gòu)件底部與基礎(chǔ)接觸密實。

②安裝預(yù)制渠道（地下水位較高地區(qū)可考慮適當(dāng)鋪設(shè)反濾層）。安裝預(yù)制渠道最重要的是掌握上口兩邊線的平直，其次是表面平整，接縫均勻。

③填縫。為兼顧渠道伸縮縫和防滲要求，采用一種新型混凝土渠道接縫材料（PTN）進(jìn)行填縫[7]，縫寬度采用20 mm。進(jìn)行填縫前，應(yīng)先將預(yù)制構(gòu)件表面的灰塵、油脂、雜物等污物清除;填縫時應(yīng)上下貫通，下部采用PTN填實，上部1 cm采用砂漿勾平縫。

④背面灌砂。預(yù)制渠道背面一般都有間隙，為確保填縫密實，采用細(xì)砂填充，填后用水泥砂漿灌實。

4 結(jié)論

生產(chǎn)經(jīng)營單位通過在尾礦庫初期壩左岸或右岸設(shè)置應(yīng)急溢洪道，與庫內(nèi)排水井-隧洞系統(tǒng)組成雙排洪系統(tǒng)，能實現(xiàn)以下功能：尾礦庫防洪能力成倍提高，即便排水井-隧洞系統(tǒng)發(fā)生意外，尾礦庫仍可以通過應(yīng)急溢洪道排洪，從而提升了尾礦庫本質(zhì)安全;應(yīng)急溢洪道既是尾礦庫運行期的排洪系統(tǒng)，又可作為尾礦庫閉庫后的永久排洪設(shè)施，沒有增加生產(chǎn)經(jīng)營單位投資。

應(yīng)急溢洪道采用預(yù)制混凝土渠道，較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土渠道具有以下優(yōu)點：質(zhì)量可控，生產(chǎn)經(jīng)營單位可以委托具有資質(zhì)的施工單位和監(jiān)理單位批量制作預(yù)制混凝土渠道，并委托第三方檢驗機構(gòu)進(jìn)行檢測，從預(yù)制混凝土渠道內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量、幾何尺寸等方面檢驗，有效地控制了預(yù)制混凝土渠道質(zhì)量;工期可控，可以提前預(yù)制，隨時安裝，避免了生產(chǎn)與施工的矛盾，解決了混凝土養(yǎng)護(hù)期與大自然降雨沖突的問題;便于安裝，預(yù)制混凝土渠道分塊制作組合安裝，重量減輕，破損量小，便于彎道施工，便于“渠道搬家”;便于維修更換，運行幾年后如遇渠道損壞，可進(jìn)行局部更換，而不影響整體工程的質(zhì)量和美觀。

5 展望

對于高等別尾礦庫，其防洪標(biāo)準(zhǔn)高，需要的應(yīng)急溢洪道尺寸較大，而大尺寸的應(yīng)急溢洪道對工程地質(zhì)條件和地形條件要求較高，會出現(xiàn)應(yīng)急溢洪道選址難的問題。因此，地形條件苛刻的高等別尾礦庫，如何設(shè)置應(yīng)急溢洪道將成為今后的研究方向。

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