上游式尾礦堆積壩壩面排水系統的重要性

盧建京，祝華

(1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038；2.河源市紫金天鷗礦業有限公司，廣東河源517400)

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業廢渣的場所[1]。尾礦庫作為礦山選礦廠生產不可缺少的設施之一，是礦山企業最大的環境保護工程項目，可以防止尾礦向江、河、湖、海、沙漠及草原等處任意排放。上游式尾礦壩由于工藝簡單、經濟，是我國礦山企業尾礦庫工程普遍采用的傳統壩型，占我國有色金屬礦山尾礦壩的80%左右[2]。但該類型的尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流，一旦發生坍塌，容易造成重大、特別重大事故，因此加強上游式尾礦壩各種安全問題的研究具有重要的意義。

圍繞上游式尾礦庫的設計、施工及生產運營的安全保障問題，業內的關注重點集中在尾礦堆積壩壩體穩定和庫區排洪安全兩個方面[3]。然而，在尾礦庫整個運行系統中，尾礦堆積壩壩面排水系統、排滲系統、觀測系統、尾礦排放系統等[4]也值得關注，尤其是一些高堆積壩的尾礦庫，其壩面排水系統直接關系到整個尾礦庫安危。本文擬結合某礦山尾礦庫從設計到運行過程中具體情況，對上游式尾礦堆積壩壩面排水系統的重要性進行分析。

1 傳統尾礦庫壩面排水系統的布置

尾礦庫設置壩面排水系統的主要作用是為了防止山坡和壩面雨水對堆積壩壩肩、壩面地沖刷，同時也為有效收集壩體內滲流出水。壩面排水系統一般由壩肩截水溝與壩面排水溝組成：1）壩肩截水溝沿堆積壩下游坡與兩岸山坡結合處的山坡設置，用于攔截原始自然山體的雨水；2）壩面排水溝設置在堆積壩下游壩面上，用于收集壩面雨水和滲水，其中壩面排水溝分橫溝和縱溝兩種。

尾礦堆積壩的匯水面積普遍極小（通常不足0.1 km2），因此通常情況下不進行洪水計算。橫溝沿馬道內側布置，縱溝每間隔50～100 m設置1條。壩面縱、橫溝橫斷面均為矩形，常采用的斷面大小為0.24 m×0.30 m。橫溝和縱溝相互連通，形成壩面排水網，有效地將下游壩面的雨水和滲水排往下游。壩肩排水溝一般也采用矩形橫斷面，斷面大小以0.50 m×0.5 m居多；采用C20輕型預制鋼筋混凝土結構，每1～2 m設1節，每節接縫處只需M10水泥砂漿填塞即可，同時為防止雨水、滲流沖蝕及粉塵飛揚，在堆積壩壩坡上采用厚0.3 m的黏性土覆蓋山坡，并植草綠化。一般上游式尾礦堆積壩壩面排水系統見圖1。

圖1 一般上游式尾礦堆積壩面排水系統

2 需要注意的問題

對于四、五等尾礦庫而言，通常上游式尾礦庫壩面排水系統匯水面積小，盡管各庫的匯水面積有變化，但變化幅度不大，因此上述措施是可靠的。然而在進行尾礦庫設計時很容易被忽視的是，上游式尾礦壩隨著尾礦壩的上升，整個尾礦庫的匯水面積也在發生變化。隨著尾礦壩的上升，部分匯水從庫區轉入了堆積壩壩面，壩面排水系統承擔的匯水面積在此過程中不斷增大，而庫內排洪系統所承擔的匯水面積則不斷縮小。當尾礦堆積壩達到一定的高度時，尾礦庫匯水面積的分布會發生異常變化，導致尾礦堆積壩壩面排水系統必須重新規劃。

尾礦庫使用初期時，后期尾礦堆積壩尚未形成，因此更加容易忽略尾礦庫匯水面積變化的問題。本文以某礦山尾礦庫為例，闡述上游式尾礦堆積壩壩面排水系統的重要性，并提出解決方案。

3 某礦山尾礦庫案例分析

3.1 基本情況

某鐵礦尾礦壩由初期壩+堆積壩組成，總壩高為94.0 m，尾礦庫總庫容492.89×104m3，為二等庫，主要構筑物為2級，次要構筑物為3級，臨時構筑物為4級。尾礦庫最小干灘長度不少于100 m，最小安全超高不小于1.0 m，洪水重現期為500年一遇。尾礦庫匯水面積F＝0.84 km2。該礦尾礦粒徑+0.076 mm的顆粒占43.77%，尾礦加權平均粒徑dp＝0.063 mm。根據國內同類礦山尾礦筑壩經驗，該尾礦能用于堆壩。由于當地石料較豐富，初期壩壩型采用碾壓堆石壩。壩頂寬度取4.00 m，壩頂高程為280.0 m，初期壩建基面高程為260.0 m，壩高為19.00 m（地面以上），上游邊坡1∶1.60，下游邊坡1∶1.65，壩長為63.44 m。尾礦壩從280.0～354.0 m高程采用尾礦堆壩，尾礦堆積邊坡為1∶4.5，每堆高5 m設一級馬道，馬道寬2.50 m，平均堆積邊坡為1∶5.0。

尾礦庫一、二期排洪系統均采用排水斜槽＋連接井＋排洪隧洞的形式，兩期排洪系統考慮使用自然搭接。當尾礦堆積壩使用到高程291.0 m時，直接對一期排洪系統進行封堵，封堵材料選用鋼筋混凝土及毛石混凝土。

1）一期排洪系統：（1）3格排水斜槽，每格凈斷面大小為1.50 m×2.00 m，采用鋼筋混凝土結構。（2）一號連接井內徑為6.30 m，外徑為7.30 m，高為5.65 m，采用鋼筋混凝土結構。（3）排洪隧洞為城門洞形，襯砌段凈斷面大小為2.00 m×2.50 m，進出口段各全斷面襯砌長均為50.00 m，采用鋼筋混凝土結構；中間段只對底板和側墻襯砌，側墻襯砌高度為0.60 m；底板及側墻襯砌段凈斷面大小為2.60 m×3.00 m，采用素混凝土襯砌。

2）二期排洪系統：（1）3格排水斜槽，每格凈斷面1.50 m×2.00 m，采用鋼筋混凝土結構。（2）二號連接井內徑7.00 m，外徑9.00 m，高6.50 m采用鋼筋混凝土結構。（3）排洪隧洞為城門洞形，襯砌段凈斷面大小2.00 m×2.50 m，進口段襯砌長80.00 m，出口段襯砌長50.00 m，均采用鋼筋混凝土結構；中間段只對底板和側墻襯砌，側墻襯砌高度0.60 m；底板及側墻襯砌段凈斷面大小為2.60 m×3.00 m，采用素混凝土襯砌。

3.2 原壩面排水系統布置情況

設計人員在最初的規劃中，已經注意到兩側山坡地形的復雜情況，對兩側壩肩排水溝排水進行了區別對待，其設置情況如下：1）左壩肩排水溝橫斷面為矩形，凈斷面為0.50 m×0.50 m。2）右壩肩排水溝橫斷面為矩形，凈斷面為1.00 m×1.00 m。3）壩面排水溝橫溝沿馬道內側布置，縱坡坡度為1%，橫溝橫斷面均為矩形，凈斷面為0.24 m×0.30 m。4）橫溝和壩肩截水溝相互連通，形成壩面排水網，有效地將下游壩面的雨水和滲水排往下游。壩肩排水溝采用M7.5漿砌石結構，壩面溝采用M7.5混凝土磚砌，溝內側均采用M10水泥砂漿抹面，厚2.00 cm。

圖2 原尾礦堆積壩壩面排水系統布置

3.3 問題的發現

如前所述，盡管該尾礦庫在設計時，已經對尾礦庫匯水面積的變化有所關注，但是隨著尾礦堆積壩逐年升高，發現對匯水面積的變化仍預估不足。在尾礦堆積高程約290.0 m時，經現場踏勘，發現尾礦庫庫區右側存在一小支流，已經對尾礦堆積壩形成了沖刷，威脅壩體安全。通過詳細計算，尾礦庫運行初期，尾礦堆積壩壩面排水系統所承擔的匯水區域不足0.01 km2，而庫區匯水面積為0.84 km2，庫區匯水全部匯集至庫內排洪系統進行排泄（見圖3）；當尾礦堆積壩堆存至315.0 m高程時，壩面排水系統所承擔的匯水區域達0.31 km2，而庫區匯水面積為0.53 km2（見圖4）；當尾礦堆積壩堆存至354.0 m高程（最終堆積高程）時，壩面排水系統所承擔的匯水區域將達到0.38 km2，而庫區匯水面積為0.46 km2（見圖5）。

圖3 尾礦庫運行初期匯水面積分布

圖4 尾礦庫堆積至315 m匯水面積分布

圖5 尾礦庫堆積至終期354 m匯水面積分布

由圖3～圖5可知，尾礦堆積壩壩面排水系統需要承擔整個匯水面積的45%。因此必須對整個尾礦堆積壩壩面排水系統進行重新規劃。

3.4 壩面排水系統的改造

根據對匯水面積的重新計算結果，同時考慮到右側小支流的影響，結合礦山尾礦庫已有的壩面排水設施，對壩面排水系統進行以下改造：1）庫內山體右側新建攔擋壩1座，壩頂高程為320.0 m，壩高為6.00 m，壩長為19.50 m，采用C10細石混凝土砌塊石而成，庫內設置側槽式溢洪道與截洪溝相連；2）沿右側堆積壩與山體相交處設置壩肩截水溝，凈斷面大小為2.00 m×2.00 m，截水溝總長527.80 m。改造后的壩面排水系統改造平面布置，見圖6。

圖6 壩面排水系統改造平面布置

該排水設施（攔擋壩+壩肩截水溝）在尾礦庫堆積壩使用至300.0 m高程之前完成了建設。按照500年一遇的洪水標準重新進行洪水計算，該套設施可以滿足礦山500年一遇的洪水標準。此次對尾礦堆積壩壩面排水系統改造，從根本上消除了該尾礦庫匯水面積發生異常變化的引起的安全事故隱患，計算結果見表1。

表1 壩面排水系統改造后各區域泄流計算

4 結語

1）采用上游式尾礦筑壩的尾礦庫，堆積壩壩面排水系統的設計應受到重視。

2）進行尾礦庫設計時，關注堆積壩壩面與庫區內的匯水面積的異常變化問題，對洪水匯入尾礦堆積壩壩面排水系統進行提前統籌規劃，采取針對性的措施，得到最優解決方案。

3）對于已投入運行的尾礦庫，要特別注意隨著尾砂堆積壩的上升，庫區有無形成集中匯流的小支溝。當發現尾礦庫存在匯水面積異常變化問題時，應單獨對尾礦堆積壩壩面排水系統進行洪水計算，根據具體項目選擇不同的防洪標準。

4）堆積壩壩肩截水溝攔截的洪水，不宜通過初期壩壩前排水溝下泄，而應設置新的明渠排泄，以防沖擊初期壩。

5）匯水面積異常變化雖然增加了尾礦堆積壩壩面排水系統的投資建設，但庫區排洪設施的建設投資也相應減少了。