泥石流地质灾害易发区某尾矿库排洪设施的安全布置方案

甘海阔 周汉民 崔 旋

（1.北京矿冶科技集团有限公司，北京101600；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

尾矿库堆置了矿产资源开采过程中产生的大量尾矿及废水等，是一个具有高势能的泥石流源，其安全性受工程地质条件特别是库内不良地质条件的影响十分显著［1］。我国多数沟谷上游法堆坝尾矿库由于占地面积较大，同时受到建库地质条件的限制，库区边坡时常存在一定的崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象；在尾矿库的运行过程中也会由于暴雨洪水、台风、地震、施工开挖、边坡淹没等因素诱发形成新的地质灾害点；地质灾害问题给尾矿库的安全运行带来了诸多挑战［2～3］。而在尾矿库的各系统中，排洪设施受库区地质灾害的影响更为显著，这是因为多年以来我国尾矿库的建设实施常采用“井、塔、槽+洞、管、渠”的排洪方式［4］；该种排洪形式具有断面小、尺寸高、经济性好的优势，但其在布置方式缺乏安全度的情况下，遭遇地质灾害时结构抵抗能力差，排泄能力减弱，易引发排洪系统的结构损毁或行洪於堵问题。近些年来，由于库区地质灾害所引发的尾矿库排洪设施垮塌、於堵的事故时常发生。例如：2006年8月，四川会东铅锌矿老虎岩尾矿库由于汛期库区大量弃方在汛期形成泥石流，泥石流於堵尾矿库2#排洪井并造成洪水漫坝；2010年7月24日，河南栾川甘涧沟尾矿库在暴雨激发条件下形成库区泥石流，泥石流最终於堵排洪井井口导致洪水漫坝溃决；2015年11月16日，云南锡业郴州矿冶有限公司屋场坪锡矿尾矿库因连日持续强降雨导致库区山洪泥石流暴发，泥石流直泄尾矿库致使正在运行的一座排水井上部坍塌，库内尾矿经排洪涵洞大量泄出造成事故。因此，如何科学合理地在地质灾害易发区布置排洪设施，并制定有效解决方案以保证尾矿库防洪安全成为广大尾矿库科研及设计人员关注的一个重要研究方向［5-7］。

本研究以处于泥石流地质灾害相对易发区的某典型尾矿库作为案例，在全面调查库区地质灾害的基础上，分析库区范围内多条沟谷泥石流发育特征以及对主体工程的危害程度；通过采用排洪系统双进口布置方案和整体避让泥石流沟谷措施，增大排洪系统的安全裕度；充分利用尾矿库调洪库容容纳一次泥石流总量以保证尾矿库防洪安全；设置泥石流停淤场及拦挡设施，进一步减小库区泥石流的危害程度；建立库区泥石流在线监测系统实现尾矿库安全运行实时监控；通过以上措施总结形成一套完善的适用于地质灾害易发区的排洪系统布置方案，可为类似地质灾害易发区尾矿库排洪系统设计布置、建设实施及运行管理提供借鉴和指导。

1 项目介绍

某典型尾矿库项目位于我国云南省昆明市东川区境内，工程区位于小江西支断裂和东支断裂的夹持区域，工程项目的北端距小江东支断裂的最近距离仅约3.0 km；该地区抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度值0.40g。由于区域地质构造发育及地表植被覆盖条件差，东川历来是我国泥石流地质灾害高发区和水土流失综合防治的前沿基地。

由于尾矿库选址条件的极大局限性，该尾矿库库址同样面临着库区不良地质现象多、覆盖层地基深厚、库岸山高坡陡、库区狭长迂回等复杂地质工况。该尾矿库库区属狭长“V”字型河谷，全段利用的沟谷长度约4.4 km，沟底平均纵坡3.3%；沟谷上游窄、下游宽，最窄处仅27 m，最宽处约150 m；河谷内部“S”型转弯多。库岸两侧山体地形坡度均较陡，大多在45°～55°之间，库区左右两岸山体厚实，谷底和沟谷两岸分水岭高差在300～650 m，库区呈典型的“两山夹一谷”地形。该库址存在的不良地质现象主要表现为库区共发育4条中小型的稀型～过渡性泥石流沟谷。分别为大窝塘沟、小荒地沟、大地箐沟和水龙站沟，具体如图1所示。

在该库址下拟采用“初期坝（50 m）+中期分期中线法卵砾石筑坝（60 m）+后期宽体模袋上游法（20 m）”堆积建设一座总高度为130 m的尾矿坝，最终可形成的尾矿库总库容约4 800万m3，为二等库。拟在该尾矿库上游设置“拦水坝+隧洞”分流库外洪水，库内则设置排洪“框架式排水井+排水隧洞”作为排洪系统。尾矿库典型工程平面布置如图2所示。

2 地质灾害全面调查与分析

在该尾矿库选址建设最初，为充分论证泥石流等地质灾害对库址及尾矿设施的影响程度，委托第三方专业泥石流评价机构开展尾矿库库区周边泥石流调查分析工作，主要内容：通过现场实地踏勘、现场测量与取样等手段确定调查沟域的基本工程地质情况及泥石流活动程度；通过室内泥石流流动还原试验及内业计算等，分析确定库区范围内4条沟谷的泥石流发育特征和危险性；综合评价泥石流对主体工程的影响及危害程度。库区典型泥石流沟谷冲积扇形态如图3所示，库区4条泥石流沟谷的活动性及危险性分析结果汇总如表1所示。

通过地质灾害全面调查分析，得出的主要结论为：

（1）库区4条支沟泥石流中：大地箐沟、水龙站沟为中等规模的稀性～过渡性泥石流沟谷；大窝塘沟及小荒地沟两条沟谷为小型泥石流沟谷。四条沟谷均属中小规模的稀性～过渡性泥石流沟，流域范围小，设防工况下四条沟谷一次泥石流固体冲出总量合计约8.9万m3，泥石流沟谷的一次冲出总量和整个尾矿库库区流域年平均水土流失量相对不大。

（2）泥石流对推荐布置方案下的尾矿坝、库尾拦水坝及库外排洪系统不会产生威胁及危害；泥石流的主要可能危害对象为库内排洪设施（排水井+隧洞），有冲击及於堵排洪设施的可能；对于库内排洪系统的布置建议通过主体工程的主动避让和防护实现安全的目的。

（3）随着尾矿库的堆高，库区尾砂的不断堆积将改变原泥石流沟口堆积区地貌，并减缓了沟底纵坡，有利于库内泥石流的减缓和停积。

（4）对尾矿库库区及周边沟谷进行大范围泥石流治理的必要性不大，可以预防和监测为主。

3 排洪系统布置方案

3.1 双进口排洪系统避让泥石流布置

根据尾矿库库区周边泥石流调查分析的结论，该尾矿库排洪系统整体方案的布置原则：根据泥石流沟谷的位置及影响范围，采用排洪系统双进口措施并整体避让泥石流沟谷危险区范围布置，以增大系统安全度。具体措施如下。

（1）在尾矿库库区共布置8座框架式排水井，4用4备，每座排水井高度25 m，使用井与备用井高度方向搭接24 m，错位1.0 m；在极端工况下1座排水井受泥石流影响於堵失效时，确保备用排水井能够正常工作。双进口排洪系统避开泥石流危险区布置方案如图4所示。

（2）为避开库区水龙站沟中型泥石流的影响，1#排水井与2#排水井（1#，2#互为备用井）分别在该沟谷危险区范围以外的上游及下游侧布置。为避开库区中部大地箐沟中型泥石流沟谷的影响，3#及4#排水井（3#，4#互为备用井）在该沟谷危险区范围以外的下游侧布置；为避开大地箐沟、小荒地沟以及大窝塘沟3条泥石流沟谷的影响，5#～8#排水井完全避开该沟谷段，在4条泥石流沟谷的上游靠近库尾侧布置。

（3）8座排水井的进水口标高距高沟底高度均在10～15 m以上，目的是保证排水井周边始终具有一定深度的水区范围，以确保库内泥石流发生时，其所携带的固体颗粒及大块石等能够提前在库内水区范围内发生沉积，以最大限度地降低产生泥石流冲击於堵排洪系统的风险。

（4）8座排水井基座均布置在库区右岸稳固的坚硬微风化玄武岩地层上，避开库区中部中生界粉砂岩夹泥岩地层，同时确保排水井边坡及附近场地稳固，无不良地质现象。

（5）为验证布置方案下排洪设施避让泥石流的效果，委托第三方专业机构针对当前布置方案下排洪设施开展《库区泥石流对尾矿库排洪系设施影响的物理模型试验》研究工作；通过物理模型试验明确了各工况下设防泥石流对排洪设施的影响均处于可控范围内，当前布置方案下泥石流发生时不会造成排水井的於堵及冲击破坏，库区泥石流对排洪系统的正常运行影响不大。限于篇幅，涉及到泥石流对尾矿库排洪设施影响的模型试验具体内容不再展开描述。

3.2 防洪安全分析

针对该尾矿库而言，泥石流灾害发生时造成的最不利影响：致使库内排洪系统垮塌或於堵，并导致排洪系统整体失效，进而影响到尾矿库的防洪安全。

通过该尾矿库库型条件分析可得：该尾矿库可利用的河谷全长4.4 km，在整个尾矿库运行服务期，可形成足够的干滩长度和调洪库容；尾矿库运行初期的调洪库容总量约80万m3，运行后期的调洪库容总量约400万m3。在尾矿库最高洪水位的基础上考虑上述4条泥石流沟谷固体冲积物所占用的调洪高度后，库内剩余安全超高仍可满足防洪安全的要求。

同时，该尾矿库采用“初期坝+分期中线法卵砾石筑坝+宽体模袋上游法”方式设计建造；中线法每级卵砾石子坝堆坝高度为15 m；后期宽体模袋上游法每级子坝宽度约100 m，子坝高度为4.0 m，每级子坝均要求汛期前完成施工，坝体典型剖面如图5所示。如此，分级中线法坝体和模袋宽体子坝可形成沉积滩面超高之外额外的坝体超高，可进一步提高尾矿库的防洪安全裕度，降低尾矿库由于排洪系统整体失效而发生溃坝的风险。

4 泥石流拦挡与监测

4.1 泥石流停淤场及拦挡设施

《泥石流灾害防治工程设计规范》（DZ/T0239）指出：针对泥石流防治可利用天然有利地形，将泥石流引入选定的宽阔滩地或低地，使其自然减速后淤积，以此达到停淤、分流化解泥石流水沙集中的矛盾。该尾矿库狭长迂回的库区即为作为库内4条支沟泥石流水土流失的天然停淤场。而且随着尾矿库的逐渐堆排和库面抬升，将改变原泥石流沟谷的地形地貌特征，降低了泥石流沟谷平均坡度，有利于泥石流冲积物就近于沟口附近停积。

《规范》同时指出：针对泥石流治理，在地形较好的泥石流流通区地带，可采用可靠的拦挡坝、谷坊坝等，以拦载水沙，改变输水输沙条件和稳定沟谷；达到降低河床坡降，减缓泥石流流速，抑制上游河段纵、横向侵蚀，保证下游排洪设施的目的。根据尾矿库的实际现状，此次在大地箐沟的沟底坡度较缓地段设置1座格栅坝，3座副坝，并沿途设置多座小型谷坊坝，以拦截泥石流，减轻对下游排洪设施的影响。

4.2 运行期泥石流监测

泥石流监测的目的是为获取泥石流形成的固体物源、水源和流动过程中的流速、流量、顶面高程（泥位）、容重等及其变化，为泥石流的预测、预报和警报提供依据。针对该尾矿库泥石流监测，布置如下监测方案。

（1）监测范围。水源和固体的颗粒的物源区、流通段和堆积区。

（2）监测方法。视频、雷达、警报器等现代化手段和普通的测量、观测等相结合的方式进行。

（3）监测内容。①物源监测：泥石流形成区内松散土层堆积的分布和分布面积、体积的变化；松散土层是否有裂缝产生和裂缝宽度的变化；库内滑坡、崩塌的发展与变形情况；库区森林覆盖面积的增减和水土保持的状况及效果。②雨情监测：监测流域的降雨过程和降雨量，根据当地泥石流的一次暴雨激发值等经验数据判断降雨激发泥石流的可能性。

建立库区泥石流监测系统，并与该尾矿库的坝体及排洪设施等安全监测共同构成统一的库区监测体系，以实现该尾矿库安全运行实时监控。

5 结论

（1）在泥石流相对易发区布置排洪设施，应以全面调查库区地质灾害规模为基础，确定各沟谷泥石流的发育特征及其对主体工程的危害程度。本研究通过开展上述工作，明确库区泥石流沟谷均属中小规模的稀性～过渡性泥石流沟谷，泥石流的固体冲出总量和流域年平均水土流失量不大，可通过库内排洪设施的主动避让和防护保证安全。

（2）本次通过设置排洪系统双进口，并将排水井布置于库岸山坡高出沟底10～15m的位置处，实现排洪设施避让泥石流危险区的同时，使得泥石流固体颗粒能够在库内水区提前发生沉积，降低泥石流冲击、於堵排洪系统的风险；并通过泥石流物理模型试验进一步验证了上述排洪系统布置方案是安全可靠的。

（3）该尾矿库库内纵深长，调洪库容大，可充分容纳设防一次泥石流总量；同时设置了安全超高余量大的堆坝方式，降低了极端偶发工况由于排洪系统整体失效而导致尾矿坝发生溃坝的风险。

（4）对于地质灾害易发区的尾矿库，可根据尾矿库实际地形条件设置泥石流停淤场或拦挡设施，以减小库区泥石流的危害程度，并可建立泥石流监测体系以保证尾矿库运行期的安全。