尾矿库排洪系统设计及优化方法探讨

■梁远骥 ■广东省冶金建筑设计研究院，广东 广州 510080

尾矿库排水系统作为确保尾矿库安全的一个必要设施，其系统的设计是一个核心性的问题。专家对当前使用较为广泛的排洪系统重点分析了半压流、压力流等基本流态。通过分析发现，排洪系统的进水口断面是影响堰流流量的主要参数，而排洪系统的进水深度则是影响半压力流量的主要参数，压力流量的主要影响因素则是管洞断面。在分析了流态随着进水口水头的增加速度经过分析发现，当堰流进入半压力流之后，增加的速度会呈现下降的状态，且半压力流的流量增加速度也会高于压力流。如果在进水口水深以及最大下泄流量时，提供合理的泄流关系曲线，根据该曲线来设计排洪系统是最佳的，能够简化调洪的演算过程。文章最后对尾矿库排洪系统的具体设计作了详细的步骤分析。

图1 合理的泄流关系曲线

1 排洪系统的不可忽视性

同水库排洪系统不同，尾矿库排洪系统不但要确保能够安全排除库区的澄清水以及洪水，还要能够保证尾砂不进入到被排除出去，也就是我们通常说的跑混。排洪系统包括了进水构筑物和排水构筑物两个部分［1］。前者主要是由排水井或者排水斜槽组成，进水构筑物最明显一个优势是其能够随着尾矿的堆积而不断地的升高，通过对进水的高程以及平面位置进行调整来保证尾矿库中的澄清距离，从而实现尾砂不被泄漏的目的。当尾矿库使用了一定的时间之后，进水构筑物也差不多就会被尾砂掩埋，最终达到几十甚至几百米的厚度。因为尾矿堆积坝所具有的特殊的工艺，因而决定了排洪系统在尾矿库中具有的安全保障地位。尾矿库中的排水系统是不可忽视的，主要体现在以下几个方面。

(1)当尾矿库的排洪系统出现了问题时，洪水就不能进行正常的排泄，这时尾矿库中的水位就会升高导致洪水漫过尾矿坝。因为尾矿堆积坝的坝顶不允许过流，容易引发溃坝，对下游的群众带来生命和财产危险。

(2)排洪系统排泄如果不顺畅，尤其是在汛期尾矿库内的水位就会不断的提高，尾矿堆积坝内的浸润线因此也会升高，就会导致水从坡面溢出，导致渗透性的破坏，最终致使尾矿堆积坝失稳或者坍塌［2］。

(3)由于排洪构筑物一些结构存在问题，诸如浇排水管分缝处施工不佳，预制排水管搭接不良等等都会导致排洪系统漏水和漏砂，最终会使得排洪系统淤塞并且下游的环境受到污染。

从一些资料统计中发现，我国尾矿库病害事故中，排洪系统病害事故就达到了33%，而洪水漫顶占到了4%。我国的一些有色金属矿山因为排洪系统故障而导致的灾难在整个尾矿库事故中也占到了一半。可见，对于尾矿库的排水系统的设计是不可忽视的，值得我们重视。

2 尾矿库排洪系统优化设计

2.1 尾矿库排洪系统特点

2.1.1 进水口调洪水深小

尾矿库堆积坝的筑坝工艺包括中、下、上游法尾矿筑坝，而我国采用的多是上游尾矿筑坝。采用这种筑坝工工艺时，尾砂从堆积坝前到库尾都会有水力分级的现象，粗颗粒就会沉积在坝前，而细颗粒则就会沉积到库尾中，而尾矿的粒径比较细，形成较小的沉积滩坡度，最低进水口标高到沉积滩顶的高差较小。一般而言，沟长的尾矿库不多，一般都是在300米长，根据1%的沉积滩坡度来计算，除去澄清水的水深以及安全超高，进水口的调洪水深为2米。

2.1.2 进水口水头占总水头比例过高

由于尾矿库排洪系统的调洪水的深度要比位置水头的小，调洪水深也是由尾矿库的滩长以及滩坡度等来决定。最高洪水位到管洞的入口高程差就会转化为排洪系统的流速水头。排洪系统的水头损失一般分为沿程水头和局部水头损失，一般是由排洪系统的位置的水头来提供的。

2.2 系统设计

2.2.1 确定防洪标准

为了保障矿区下游人民的生命和财产安全应该制定合理的防洪标准。防洪标准主要有两种，一种是保证大坝等建筑物安全设定的防洪标准，一种是在修筑建筑物时要使得防护对象避免洪水威胁而设定的标准。这两种标准因为其针对的对象不同，因此在设计时要进行区分。我国颁布的防洪标准是防洪系统设计的主要依据，因而在设定防洪标准时要严格按照国家规范制定。

2.2.2 排水构筑物结构形式以及形态

尾矿库在其运行的过程当中如果要确保洪水能顺利的被排出，就应该通过设置排水构筑物来使得库中的水量得到降低，这样也就能够达到对坝体浸润线降低的目的。暴雨的水量以及构筑物的排泄能力如何影响着尾矿库的防洪能力。准确合理地计算洪水，能够确保构筑物泄流的能力，尾矿库的安全也就能够有所保证。

调洪演算:之所以要对调洪进行演算是为了能够在依据排水系统的情况下能够更好地确定库容以及泄洪的流量。构筑物越小，库容也就会需要越大，坝也就会更高。调洪采用的演算方法主要还是根据洪水过程线和构筑物泄洪能力以及需水量的关系曲线来决定的，在计算好泄洪的过程线之后，才能更好的确定库容以及泄流量［3］。另外，如果把洪水的过程设想为三角形，把排水过程设定为直线，以这种方法来进行演算也是一个较好的方法，这种方法简单、快速。

排水构筑物:排水系统构筑物的设置要能够在任何的时候澄清尾矿水，这是排水系统使用过程中所必须满足的一个要求。洪水、库容以及构筑物的大小决定了构筑物排洪能力的高低。排水构筑物有排水斜槽、排水井和隧洞等形式，如果排水量不大可以选择排水斜槽+排水管的形式，如果排水量中等可以选择排水井+排水管形式，当排水量过大的时候则可以使用大断面隧洞或者是溢洪道形式。

3 结论

可以说，尾矿库中的排水系统是其安全的一个重要保障。其设计应该对当地的地形以及施工等因素加以考虑。通过优化排洪系统的设计能够最大程度节省工程量，缓解库内防洪的压力，确保下游居民生命以及财产的安全。

［1］李晓琴，万俊玲，王增辉，韩金峰.尾矿库闭库工程中排洪系统治理的探讨［J］.矿业研究与开发，2013(03):33-35，92.

［2］党宁.尾矿库排水井泄洪系统体型优化试验研究［D］.西安理工大学，2010.

［3］刘瀚和，余国平.尾矿库斜槽式排洪系统泄流能力探讨［J］.金属矿山，2012(03):131-133.