尾矿库排洪系统型式与方式选择

郭金宏

(黑龙江省冶金设计规划院，哈尔滨150040)

0 引言

当尾矿库使用至中、后期，进水构筑物大部分被尾矿砂掩埋，排洪系统多属于隐蔽性较强的建筑物，而且事故率较高，难以修复，损失严重。因此，在设计时应进行多方案比选，做到设计选型合理化［1］。

1 尾矿库排洪系统工作方式

尾矿库的排洪系统与一般水库排洪系统有所不同。坝上排放口的位置在使用过程中是不断改变的，进水构筑物与排矿口之间的距离应始终能满足安全排洪和尾矿不得以澄清的要求。因此，尾矿库的排洪系统应具有控制尾矿库的库水位，使尾矿库有足够的调洪库容、合适的沉积滩长和必要的澄清距离，同时兼作回收库内的尾矿澄清水。汛期能够及时安全的排泄尾矿库洪水，确保尾矿库的防洪安全［2］。

进水构筑物的特点是随着尾矿堆积坝高度的不断升高，尾矿滩面向库后延长及抬升，进水口高程也随之不断升高，要保证库内的澄清水距离，不让矿砂从排洪系统排出，防止堵塞排洪系统或污染环境。

2 尾矿库排水系统类型

尾矿库排洪系统通常由进水构筑物和排水构筑物组成。单纯进水构筑物的基本型式主要有排水竖井、溢洪道等;单纯排水构筑物的基本型式主要有排水管、隧洞等形式;排水斜槽、明口隧洞、山坡截洪沟、坡面排水沟等即是进水构筑物又是输水构筑物。还有库区拦洪坝、侧槽溢洪道及排洪管组成的联合排水系统。

3 排水系统类型的选择

排水系统类型的选择，应根据排水量的大小、尾矿库的地形地质条件、使用要求以及施工条件等因素，经技术经济比较，优先选用结构简单、安全、可靠、经济耐用、维护管理方便的排洪系统［3］。

3.1 排水斜槽—管式排系统

排水斜槽—管式排系统由排水斜槽—排水管—消力池接排水明沟。

排水斜槽分单槽式、双格式两种。一般靠山坡一侧布置，在过流断面一定的情况，地形越陡，泄流量越大。斜槽工作方式是斜槽泄流进水口高程随尾矿沉积面高程的升高而相应升高，需依次加盖盖板，使进水口始终处于澄清水区，防止尾砂、矿泥进入斜槽。当地形较陡时，每次加盖盖板数量较少，地形越缓每次加盖盖板数量越多。斜槽的泄流横断面越大，盖板越重，加盖盖板越困难，失事率越高［4］。

可见，老火汤虽深受中医食疗思想的影响，但并不等同于药膳。那么，“老火汤”是何时开始成为广东居民的日常饮食呢？徐珂《清稗类钞》曾载曰：“(闽粤人)餐时必佐以汤。”[注](清)徐珂编撰：《清稗类钞13》，中华书局，1986年，第6242页。即至少在晚清时期，粤人已经形成了吃饭喝汤的饮食习惯。但结合其他文献来看，清代粤人日常所食之汤应非“老火汤”类的汤品。

当斜槽上水头较低时，为自由泄流，由水位以下的斜槽两侧壁和斜槽盖板上缘泄流，当水位升高斜槽入口没有被淹没时，泄流量受斜槽断面控制，成为半压力流;当水位继续升高，排水斜槽与排水管均呈满管流时，即为压力流。

斜槽适用于中小流量排水，地形稍陡、库长不长的尾矿库中应用，单槽宽0.6～1.0 m，槽宽超过1.0 m时设计成双槽式。单槽式多采用窄深式，维护检修比较方便。一般单槽泄流量＜3.0 m3/s，双槽泄流量一般在6.0 m3/s左右。

3.2 竖井—管式排系统

竖井—管式排系统由排水竖井—排洪管—消力池—排水明沟。

常用排水竖井为窗口式和框架式。窗口式排水井由井筒、窗口、基座(含消力池)。窗口式排洪的进水塔是在井筒上开一系列轴对称等间距分布的窗口进水，多层、多窗分布于不同高程，并随着尾矿坝的升高不断封堵下层窗口，启用上层窗口而改变着进水坎的坎顶高程。窗口式排水井井径一般为1.5 m、2.0 m直径居多，泄流量一般＜6.0 m3/s，适用于小流量排水。

框架式排水井由立柱、圈梁、拱板、基座(含消力池)组成。框架式排洪的进水塔是由一系列轴对称分布的立柱和等间距分布的水平圈梁所构成，梁柱交错围成的多层、多孔分布于不同高程，并随着尾矿坝的升高不断封堵下层孔，启用上层孔而改变着进水坎的坎顶高程［5］。随运行水位和进水坎顶高程的不同，仅就进水塔水流流态而言，即有环形堰流、孔流、孔堰双层流、多层流之分，流态非常复杂。框架式排水井井径一般为2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m直径居多。排水井泄流量一般6.0 m3/s～50 m3/s，框架式适用于中、大流量排水。

窗口式排水井及框架式排水井的选择布置是否合理，关键在于对应标高时调洪演算及该标高的流态判别，决定其泄流能力大小。

井管排水系统的工作状态，随泄流水头的大小而异。当水头较低时，泄流量较小，溢水井内水位低于最低工作窗口的下缘，此时为自由泄流，当水头增大，井内被水充满，但排水管尚未呈满管流，泄流量受排水管的入口控制，此时为半压力流，当水头继续增大，排水管呈满管流时，即为压力流。

3.3 隧洞排洪

在生产初期，隧洞的进口不设其他进水构筑物，由洞口直接进水，这种隧洞称为明口隧洞。当尾矿沉积到一定的高度不宜再由洞口进水时，即将洞口封闭，改由洞口前设置排水井等进水构筑物泄洪［6］。

排洪明口隧洞适用于上游沟谷纵坡较陡、洪枯水量变幅较大且无调节要求。排洪隧洞的进水口往往处于库上游沟谷纵坡较陡，两岸山坡亦很陡、易坍塌、洪水期山洪、砂石具下的地形条件下，为确保尾矿库安全，要求进水口堰前壅水最大限度的减小，来多少流量就能排走多少流量，并保证隧洞在各级流量泄洪时开挖工程量不能太大，且均能安全运行。隧洞进水口主要由过渡坡段和开敞式的收缩段两部分组成。

隧洞的流态分无压流(短洞、厚壁孔口、长洞)、半压力流、压力流，分别采用相应泄流公式进行泄流量计算。

隧洞常用的断面的形式有圆形、圆拱直墙型、马蹄形(R=2r)、马蹄形(R=3r)。无压隧洞一般采用圆拱直墙式或马蹄形;压力隧洞则多采用圆形隧洞。

3.4 溢洪道泄洪

对于洪量很大的尾矿库，利用适当的地形开挖岸坡溢洪道比其他类型排水经济，但其维护管理复杂，要求严格，否则安全不容易得到保证。溢洪道根据地形条件可做成侧槽式或正堰式。侧槽式溢洪道由溢流堰、侧槽、泄水道及消能构筑物组成。正槽式溢洪道由进水段(引水渠)、控制段、泄槽(陡槽)、消能段、尾水渠组成。

当尾矿库周边有合适的山凹或山势平缓的山坡时，可采用宽浅式溢洪道。如岸坡较陡或可在狭窄的山谷中开溢洪道，为减少土石方量，多采用侧槽溢洪道。

由于尾矿库的尾矿堆积坝随着生产年限的增长而逐渐加高，溢洪道的溢流堰顶标高也随尾矿库水位的升高而逐渐分期提高。由低到高逐一使用不同标高的引水渠(引水渠设有溢流堰)。也可使用同一引水渠而将溢流堰顶分期分层加高。溢洪道多用于尾矿矿闭库设计阶段，排除终期洪水，进水口位置固定，相对管理方便。

3.5 拦洪坝拦洪

当上游面积汇水面积较大，库内调洪难以满足要求时，可采用上游设拦洪坝截洪和库内另设排洪系统的联合排洪系统;拦洪坝以上的库外排洪系统不宜与库内的排洪系统合并;当与库内排洪系统合并时，必须进行充分认证，合并后的排水管宜采用无压流控制。

3.6 截洪沟泄洪

山坡截洪沟即是进水构筑物也是输水构筑物，沿全部沟长均可进水。在较陡山坡处的截洪沟易遭暴雨冲毁，管理、维护工作量大。

当尾矿库周边地形、地质条件适合时，四等及五等尾矿库经论证可设截洪沟分洪。环保要求尾矿库宜采取清污分流，减少尾矿库污水量。为了避免全部洪水流经尾矿库也可沿库周边开挖截洪沟或在库后部山谷狭窄处设置拦洪坝分洪。

当库区所在地植被丰富、覆盖率较高或土壤透水性好，此时即使地形条件适宜采用截洪沟，但在大雨期间沟内的水量也很少，这是因为丰富的植被使得地面径流大大减小，相当大部分的雨水被植物及其根系所截留，透水性好的疏松土壤也会使大量的雨水迅速渗入地下，而以渗流的方式进入库区。在这种情况下不宜设置截洪沟。

3.7 坝面排水沟

坝面排水沟分为2类:

1)沿山坡与坝坡结合部设置浆砌块石截水沟，以防止山坡暴雨汇流冲刷坝肩。

2)在坝体下游坡面设置平行坝轴线的水平排水沟及垂直坝轴线顺坡排水沟，将坡面的雨水导流排出坝外，以免雨水滞留在坝面造成坝面拉沟，影响坝体安全。

4 影响排洪系统的安全因素

影响排洪系统安全的因素主要问题有:①地基不均匀沉降问题;②结构强度问题;③水流流态问题;④施工质量问题;⑤管理不到位、维护维修不及时的问题，特别是施工人员未理解设计而造成的问题较多。

因此排洪系统的安全应从设计、施工及管理着手。设计中一定要进行排洪系统方案比选，对选定的方案一定要进行结构计算、构造、流态等影响安全的关键部位进行复核及安全评价，确保设计安全可靠。在施工方面，施工单位必须是有相应施工资质的单位，同时要有相应资质的监理单位进行监督，施工单位要理解设计意图，读懂设计文件，基础部分必须进行施工验槽。在管理方面应有上岗证的专人进行管理，遇到问题及时与设计单位沟通，并及时进行相应的维护维修与加固。

［1］《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料［S］.北京:冶金工业出版社，1980.

［2］黎东亮.尾矿工程设计施工运行维护及综合效益手册［S］.北京:中国矿业出版社，2010.

［3］张明.尾矿手册［S］.北京:冶金工业出版社，2011.

［4］范恩让，徐政.影响尾矿库排洪涵洞安全的因素与对策［J］. 甘肃冶金，2008(02):27-28.

［5］李斌华，刁明军，杨海波.尾矿库排洪系统水力计算研究［J］. 自然科学报，2007(03):613-617.

［6］王世夏.高尾矿坝塔式进口竖井排洪道的泄流能力［J］.金属矿山，1994(05):36-40.