基于調(diào)洪演算的尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置方法

陳宜楷 莫 勇

（1.湖南有色環(huán)保研究院有限公司；2.湖南有色冶金勞動保護研究院有限責(zé)任公司）

我國對尾礦庫的安全越來越重視，為了有效防范化解我國尾礦庫安全風(fēng)險，國家相關(guān)部門要求建立完善尾礦庫安全風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警機制，對尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警進行分級并設(shè)置相應(yīng)的安全監(jiān)測預(yù)警閾值［1］。在2020年10月11日發(fā)布的《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）［2］中，將尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警由低級到高級分為藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警4個級別，比2015年5月11日發(fā)布的《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）［3］中多了1個藍(lán)色預(yù)警。《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）對安全監(jiān)測項目的部分安全監(jiān)測預(yù)警閾值，如紅色預(yù)警閾值和橙色預(yù)警閾值提出設(shè)置方法，而沒有對黃色預(yù)警閾值提出設(shè)置方法，更沒法對藍(lán)色預(yù)警閾值提出設(shè)置方法。沒有統(tǒng)一有效的尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置方法，導(dǎo)致尾礦庫4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值不能有效地對尾礦庫安全風(fēng)險進行預(yù)警，使安全監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警作用效果大打折扣，過度預(yù)警將嚴(yán)重影響尾礦庫的正常生產(chǎn)使用。

倪微等［4］對我國尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)，并提出通過相應(yīng)手段對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方案進行優(yōu)化，降低尾礦庫在線安全線監(jiān)測系統(tǒng)的運行及維護成本，提高尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)在企業(yè)中的覆蓋范圍，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；有學(xué)者［5-6］通過對尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，收集到尾礦庫監(jiān)測項目數(shù)據(jù)，對尾礦庫進行有效的監(jiān)測；熊立新等［7-8］通過收集關(guān)鍵安全監(jiān)測指標(biāo)，對尾礦庫安全風(fēng)險狀況實行多級預(yù)警預(yù)報，為區(qū)域安全管理提供決策依據(jù)；這些學(xué)者沒有對尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警閾值進行深入的研究。

郝哲［9］通過建立尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，確定了尾礦庫的安全預(yù)警級別和相應(yīng)判定標(biāo)準(zhǔn)；粟闖［10］提出了預(yù)警綜合分析功能模型與準(zhǔn)則，以結(jié)合各因素的關(guān)聯(lián)度及預(yù)測趨勢進行綜合預(yù)警；吳永剛等［11］通過調(diào)洪演算分析每年汛期來臨之前制定庫內(nèi)運行水位的控制分級預(yù)警值；這些學(xué)者提出了綜合性的預(yù)警準(zhǔn)則，但是沒有結(jié)合最新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對安全監(jiān)測預(yù)警進行分級和設(shè)置預(yù)警閾值。

鑒于此，本研究提出了基于調(diào)洪演算的尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置新方法，通過對湖南某尾礦庫進行調(diào)洪演算，并對調(diào)洪演算的計算結(jié)果進行分析，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對該尾礦庫安全監(jiān)測項目中的安全超高、干灘長度和庫水位的4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值進行設(shè)置［2-3］。

1 尾礦庫概況

湖南某尾礦庫屬于上游法尾礦庫，現(xiàn)狀總壩高107.8 m（屬于二等庫），現(xiàn)狀總庫容269.9×104m3（屬于四等庫），綜合總壩高和總庫容，該尾礦庫現(xiàn)狀等別為三等庫。

初期壩為碾壓堆石壩，初期壩壩頂寬度為4.0 m，壩頂標(biāo)高為+500.0 m，壩高40.0 m，尾砂堆積壩頂標(biāo)高約+567.8 m，尾砂堆壩高度為67.8 m，堆積壩外坡平均坡比約1∶4.9。

尾礦庫灘頂標(biāo)高約+567.2 m，庫內(nèi)干灘長度約164 m，沉積灘坡度約為1%。庫內(nèi)排洪系統(tǒng)使用的是7號排水井+排水隧洞。7號排水井直徑4.5 m，進水口標(biāo)高為+565.56 m。7號支隧洞為圓拱直墻型，尺寸為3.5 m×3.5 m，與主隧洞相連，主隧洞也是圓拱直墻型，尺寸為3.6 m×3.6 m。

2 調(diào)洪演算

2.1 調(diào)洪演算的原理

尾礦庫調(diào)洪演算的原理可以簡化為水量平衡方程和泄流方程［12］，即根據(jù)洪水過程線和排水構(gòu)筑物的泄流能力曲線與尾礦庫的調(diào)洪庫容曲線，通過水量平衡計算求出所需調(diào)洪高度及其對應(yīng)的最大泄流量和所需調(diào)洪庫容。

2.2 洪水過程線

（1）防洪標(biāo)準(zhǔn)的選取。根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020），三等庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇500 a一遇洪水（P=0.2%）。

（2）流域參數(shù)。尾礦庫流域匯水面積F為0.64 km2，溝長L為1.64 km，坡降J為0.286。

（3）洪水計算。查閱《湖南省暴雨洪水查算手冊（修編版）》，庫區(qū)位于湖南省暴雨一致區(qū)區(qū)劃圖的第8區(qū)，產(chǎn)流分區(qū)的第Ⅲ區(qū)，初損Io=27 mm，采用該手冊的推理公式計算洪峰流量和匯流時間，即計算得到500 a一遇洪水的洪峰流量QP=23.07 m3/s，匯流時間t=0.526 h。

（4）洪水過程線。根據(jù)暴雨一致區(qū)第8區(qū)的最大24 h概化雨型時程分配表，采用概化多峰三角形進行簡化處理，得到500 a一遇的洪水過程線，如表1所示。

2.3 調(diào)洪庫容曲線

根據(jù)尾礦庫1∶1 000現(xiàn)狀實測圖，圈定尾礦庫+565.56、+566.0和+567.2 m標(biāo)高時的面積，計算得出的調(diào)洪庫容見表2。

2.4 泄流能力曲線

尾礦庫排洪系統(tǒng)為排水井和排水隧洞。根據(jù)排洪系統(tǒng)水力計算公式，以+565.56 m為死水位，計算不同庫水位時的泄流能力，如表3所示。

2.5 調(diào)洪演算的結(jié)果

在灘頂標(biāo)高+567.2 m，死水位+565.56 m，通過水量平衡進行調(diào)洪演算，結(jié)果見表4。

2.6 調(diào)洪演算結(jié)果分析

（1）調(diào)洪演算結(jié)果中，最小安全超高為0.78 m，大于《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）要求的最小安全超高0.7 m；最小干灘長度78m，大于《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）要求的最小干灘長度70 m，該尾礦庫的防洪能力滿足規(guī)范要求。

（2）在達(dá)到規(guī)范要求的最小安全超高和干灘長度的要求下，該尾礦庫所需的調(diào)洪水深0.86 m，即對應(yīng)所需干灘長度86 m。

3 安全監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置及分析

3.1 安全監(jiān)測項目

根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）第3.4條規(guī)定，尾礦庫安全監(jiān)測項目應(yīng)根據(jù)尾礦庫設(shè)計等別、尾礦壩筑壩方式確定。該尾礦庫設(shè)計等別為三等尾礦庫，屬濕排尾礦庫，根據(jù)規(guī)范要求監(jiān)測項目應(yīng)包含表面位移、內(nèi)部位移、浸潤線、干灘監(jiān)測、庫水位、降雨量及視頻監(jiān)控等。這些安全監(jiān)測項目中，安全超高、干灘長度和庫水位的4級預(yù)警閾值可以根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果進行設(shè)置。

3.2 安全超高和干灘長度安全監(jiān)測預(yù)警閾值

根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）第8.3.5條規(guī)定，尾礦壩最小安全超高與最小干灘長度的紅色預(yù)警閾值應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件和現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)確定；最小安全超高的橙色預(yù)警閾值宜取紅色預(yù)警閾值的1.2～1.5倍，最小于灘長度的橙色預(yù)警閾值宜取紅色預(yù)警閾值的1.1～1.4倍；最小安全超高和最小干灘長度中任一個達(dá)到預(yù)警閾值應(yīng)預(yù)警。

該尾礦庫為三等尾礦庫，根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020），最小安全超高0.7 m，最小干灘長度70 m。當(dāng)干灘坡比陡于1%，采用最小干灘長度為約束值進行控制；當(dāng)干灘坡比緩于1%時，采用最小安全超高為約束值進行控制。

對于安全超高預(yù)警閾值，該尾礦庫的安全超高紅色預(yù)警閾值為0.7 m，按《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）要求，橙色預(yù)警閾值宜取紅色預(yù)警閾值的1.2～1.5倍，即0.84～1.05 m，但是該技術(shù)規(guī)范中只有三級預(yù)警，而《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）要求4級預(yù)警，需要調(diào)整橙色預(yù)警閾值，增加黃色預(yù)警閾值和藍(lán)色預(yù)警閾值。因此，根據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果進行安全超高的4級預(yù)警閾值設(shè)計，具體設(shè)置如下。

（1）紅色預(yù)警閾值取尾礦庫最危險狀況，按《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）取最小安全超高0.7 m。

（2）藍(lán)色預(yù)警閾值取尾礦庫臨界安全狀況，此時有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深和規(guī)范要求的最小安全超高之和，即1.56 m。

（3）橙色預(yù)警閾值可以取調(diào)洪演算結(jié)果的最小安全超高0.78 m。

（4）黃色預(yù)警閾值可以取有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深的二分之一和規(guī)范要求的最小安全超高之和，即1.13 m。

對于干灘長度預(yù)警閾值，該尾礦庫的干灘長度紅色預(yù)警閾值為70 m，按規(guī)范要求橙色預(yù)警閾值宜取紅色預(yù)警閾值的1.1～1.4倍，即77～98 m，需要調(diào)整橙色預(yù)警閾值，增加黃色預(yù)警閾值和藍(lán)色預(yù)警閾值。因此，根據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果進行干灘長度的4級預(yù)警閾值設(shè)計，具體設(shè)置如下。

（1）紅色預(yù)警閾值取尾礦庫最危險狀況，按《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）取最小干灘長度70 m。

（2）藍(lán)色預(yù)警閾值取尾礦庫臨界安全狀況，此時有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深對應(yīng)的干灘長度和規(guī)范要求的最小干灘長度之和，即156 m。

（3）橙色預(yù)警閾值可以取調(diào)洪演算結(jié)果的最小干灘長度78 m。

（4）黃色預(yù)警閾值可以取有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深的二分之一對應(yīng)的干灘長度和規(guī)范要求的最小干灘長度之和，即113 m。

3.3 庫水位預(yù)警閾值

根據(jù)《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）第8.3.6條規(guī)定，庫水位的紅色預(yù)警閾值應(yīng)根據(jù)尾礦庫最小安全超高與最小干灘長度對應(yīng)的水位確定。橙色預(yù)警閾值宜取汛前控制水位值或生產(chǎn)運行控制水位值，需要調(diào)整橙色預(yù)警閾值，增加黃色預(yù)警閾值和藍(lán)色預(yù)警閾值。因此，根據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果進行庫水位的4級預(yù)警閾值設(shè)計。

（1）紅色預(yù)警閾值取尾礦庫最危險狀況，按《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）取最小安全超高0.7 m對應(yīng)的庫水位為+566.5 m。

（2）藍(lán)色預(yù)警閾值取尾礦庫臨界安全狀況，此時有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深0.86 m和規(guī)范要求的最小安全超高0.7 m之和1.56 m，此時對應(yīng)的庫水位為+565.64 m。

（3）橙色預(yù)警閾值可以取調(diào)洪演算結(jié)果的最小安全超高0.78 m，此時對應(yīng)的庫水位為+566.42 m。

（4）黃色預(yù)警閾值可以取有足夠排500 a一遇洪水的調(diào)洪水深的二分之一（0.43 m）和規(guī)范要求的最小安全超高0.7 m之和1.13 m，此時對應(yīng)的庫水位為+566.07 m。

3.4 3級和4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值分析

通過應(yīng)用調(diào)洪演算結(jié)果，結(jié)合《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51108—2015）的3級安全監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置方法，設(shè)置了該尾礦庫安全超高、干灘長度和庫水位的4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值。按技術(shù)規(guī)范方法設(shè)置的3級安全監(jiān)測預(yù)警閾值與本文方法設(shè)置的4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值情況，見表5。

從表5可以看出，針對安全超高、干灘長度和庫水位的安全監(jiān)測項目：

（1）技術(shù)規(guī)范方法的3級安全監(jiān)測預(yù)警閾值缺少了黃色預(yù)警閾值和藍(lán)色預(yù)警閾值的設(shè)置方法，而本文方法可以將4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值都進行設(shè)置，使4級安全監(jiān)測預(yù)警完整。

（2）技術(shù)規(guī)范方法和本文方法中的安全監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置，都將最危險狀況作為紅色預(yù)警，能發(fā)揮尾礦庫最危險狀況的預(yù)警作用。

（3）本文方法中，安全超高橙色預(yù)警閾值的設(shè)置依據(jù)來自調(diào)洪演算結(jié)果，小于技術(shù)規(guī)范方法中的閾值；干灘長度橙色預(yù)警閾值的設(shè)置依據(jù)也來自調(diào)洪演算結(jié)果，位于技術(shù)規(guī)范方法中的閾值偏下值。

（4）本文方法中藍(lán)色預(yù)警閾值是根據(jù)調(diào)洪演算的結(jié)果進行設(shè)置，保證在藍(lán)色預(yù)警之前的尾礦庫符合規(guī)范要求，而技術(shù)規(guī)范方法中的庫水位橙色預(yù)警閾值比本文方法中的藍(lán)色預(yù)警閾值還低，按技術(shù)規(guī)范方法，尾礦庫在安全的情況下就會發(fā)出預(yù)警，導(dǎo)致尾礦庫正常運行中的過度預(yù)警。

（5）本文方法中黃色預(yù)警閾值是橙色預(yù)警與藍(lán)色預(yù)警中間狀況，體現(xiàn)安全監(jiān)測預(yù)警的循序遞進。

4 結(jié)論

（1）將尾礦庫調(diào)洪演算結(jié)果應(yīng)用于尾礦庫安全監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置，使尾礦庫安全監(jiān)測項目中的安全超高、干灘長度和庫水位的4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值更能體現(xiàn)尾礦庫的安全狀況，可以防止在尾礦庫安全的情況進行過度預(yù)警，也能對尾礦庫最危險情況下及時預(yù)警。

（2）通過調(diào)洪演算得到尾礦庫臨界安全狀況的調(diào)洪水深，結(jié)合規(guī)范3級安全監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置方法，對尾礦庫的安全超高、干灘長度和庫水位的4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值進行設(shè)置，將最危險狀況作為紅色預(yù)警，臨界安全狀況作為藍(lán)色預(yù)警，調(diào)洪演算的結(jié)果狀況作為橙色預(yù)警，1/2臨界安全狀況調(diào)洪水深對應(yīng)狀況作為黃色預(yù)警。

（3）將調(diào)洪演算的結(jié)果作為安全超高、干灘長度和庫水位4級安全監(jiān)測預(yù)警閾值的設(shè)置參考，為安全監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置提供了一種新的方法。