某尾矿库排洪系统优化技术研究

杨明军

（山东欣鹏安全技术咨询有限公司，山东 济南 250100）

因为选厂生产排放尾矿，所以需要选定堆存尾矿的场所。为此，我国西部某矿山企业对库址进行一番比较后，选择在选厂西南方向的一侧建设尾矿库，用来堆存选厂每天排出的尾矿。选址完成后，经过地质勘察，以相关报告、选厂生产技术资料为基础，我公司对尾矿库排洪系统进行了优化技术研究，某设计院采纳后作出了设计，此后建设单位委托施工单位按照设计要求施工，工程竣工后获得主管部门的好评，尤其排洪设施部分，达到了优化的预期目标，在安全环保与经济效益方面实现了较好的效果。迄今为止，尾矿库运行良好，实现了预期目的，企业的正常生产得到了保障。在安全、环保、经济效益三个层面都取得了较好的效果。

1 该库排洪系统的地质条件概述

该尾矿库的地势为北高南低，且东西北三面环山，所处位置为一个V型沟谷，底部较窄，大约10m到25m宽，坡度较陡，其所处地理位置的气候为中亚热带西部半湿润气候区。

1.1 尾矿库工程地质条件

首先，沟谷为一条南北走向的V型沟谷，沟谷底部、谷面两侧有一些灌木，而谷坡则稳定，作为堆场没有问题。其次，其内有两个坍塌体，但比较稳定，对建设尾矿库没有影响。最后，库区有渗漏，但主要在第四系覆盖层，以及基岩上部破碎的岩层。渗漏的方向是沿谷坡向谷底，流向下游。下部基岩不易渗水，有隔水作用，地下水不会渗到底部。库区的山体较厚。

1.2 尾矿库水文地质条件

经勘察，该沟谷常年有流水，来源自沟尾部，其流量，枯季为70L/s，雨季时会稍微再大一些。库区无泉水出露点。地表水流向金沙江。钻孔均见地下水，水深1m至3.9m，由大气降水所致。

1.3 排水系统地质条件

排水系统所处的谷坡坡度为7°到10°，有较多灌木丛。第四系覆盖层的厚度为2.2m到8.2m，岸坡的表层有风化，较强烈，是砂泥岩出露地段，有裂隙，会形成一定的坍塌。所以对库岸的稳定，存在一定的负面影响。

综上，该场地总体稳定，地层较为单一，没有不良地质作用。总体适合修建尾矿库。

2 简述设计方案

该场地周围无居住人员，无历史古迹、旅游景区等。该工程设施由排洪系统、初期坝、尾矿输送、回水设施所组成。初期坝是碾压式透水石渣坝，坝轴线长187.16m，坝顶的宽度为4.6m。上游的坡面有两台两米宽的马道，上游的坡比是1:1.6。下游的坡面则每20m高有两米宽的马道，下游的坡比是1:2.4。实际的坝高是70m。且在上游坡还设置了反滤层。采用了上游式堆坝方式，堆坝的高度是106m，总坝高是181m。堆坝的外坡比是1:4.2。尾矿库的有效库容是871.6万立方米。排洪系统由库内与库外两部分排洪设施组成，库外排洪系统由左右两部分组成，左岸为沿山体而下的排水沟，右岸为挡水坝与排水管。库内排洪系统则是排水井与排水管。回水则采用坝下回水的方式，其设有2座回水泵站。

3 该库排洪系统之措施

该库的坝址以上的汇水面积为6.1km2，因为该库沟谷内常年有流水，所以需要将常流水、雨季洪水截在尾矿库之外，这样能更好地保障该库的安全。因为两侧岸坡比较陡，为了防止山体滑坡的发生，不能对山体进行大面积的挖掘。所以为了尽量降低库内排洪压力，将汇水面积划区分块，以进行导流、截排。尾矿库排洪系统的组成可见本文第三章节，排洪系统的平面布置可见图1。左岸沿山体而下，进到库区公路，此部分逐级设置排水沟，此部分能导流截排的汇水面积为1.6km2，右岸的挡水坝与排水钢管，分别能截排的汇水面积为0.4km2与0.8km2。库内部分的排洪设施则排泄剩下的3.3km2的汇水面积的洪水。但因为考虑在雨季时，库外的排洪系统可能因突发、意外等情况而导致失效，所以设计时库内部分是按全部的6.1km2的汇水面积计算的。

3.1 设计的防洪标准

因为将尾矿库等级设计为三等，所以根据相关规定，该库的防洪标准为，初期按照200年一遇设计，中后期按照500年一遇进行校核，库外排洪设施的级别为五级，库内排洪设施为三级。

3.2 库外排洪设施的设计

3.2.1 水文计算

根据库区左右两岸分别可导流、截排的汇水面积，依据该省相关规定中的推理公式进行计算，防洪标准按500年一遇，库外五级排洪设施，进行设计。

Q为洪峰流量，θ为洪峰径流系数，B为暴雨雨力，S为汇雨面积，t为汇流历时，d为暴雨递减指数。

经计算，得左岸坡的洪峰流量为16.8立方米/秒，右岸（0.4km2部分）的洪峰流量为1.14立方米/秒，右岸（0.8km2部分）的洪峰流量为2.28立方米/秒。

3.2.2 库外排洪设施

首先，左岸坡沿山体而下，修建有一条进入到库区的公路，长度12km，在其内侧修筑排水沟，长度8km，共7段排水沟，这些排水沟可将坡面的汇水引流到它处，避免雨水进入尾矿库内。前面的6条排水沟，其净断面均为0.6m×0.7m。最后一条排水沟则设计为排水沟与公路相结合的方式，以保障在其他排水沟不通畅时，使汇流水流到该水沟，并引流到它处。该排水沟净断面为4m×1m。经此7段排水沟，可分流1.6km2的雨水至尾矿库外侧的冲沟，保障尾矿库的安全。其次，库区右岸的是两支沟，因为其汇水面积较小，所以需要进行洪水分流，否则雨水入库增加排洪压力。因为山体又比较陡，所以不能挖掘大的排水沟，故对此采用挡水坝与排水钢管的方式。根据计算，第一支沟的挡水坝使用了浆砌石结构，高6m，顶宽2m，挡水坝内设有排水钢管，内径为1m，同时挖沟槽至库外。坝前同时设有拦沙挡渣设施，引流雨水进到钢管从而排出。第二支沟的挡水坝也是浆砌石结构，高6.4m，顶宽2m，同样坝内设有排水钢管，内径1.1m，沟槽至库外，坝前设同样的设施引流雨水经钢管排出到下游。

3.3 库内排洪设施的设计

（1）水文计算。库外部分的排洪设施可排泄的汇水面积是2.8km2，则库内部分排泄剩下的3.3km2的汇水面积，因为考虑雨季时，库外部分可能因意外而失效，所以库内的排洪设施还是按排泄全部6.1km2的汇水面积进行计算。计算如下：

m为所需排水构筑物的泄流量，Q为设计频率为P的洪峰流量，V为某坝高时的调洪库容，W为频率为P的一次洪水总量。经计算，可知初期尾矿库的调洪库容是8-12万立方米，中后期尾矿库调洪库容大于12万立方米。依此，计算排洪设施的泄流量，当p为0.5%，调洪库容为8万立方米，则W为60万立方米，构筑物的泄流量为58立方米/秒。当p为0.2%，调洪库容为12万立方米，则W为71万立方米，构筑物的泄流量为73立方米/秒。

（2）库内排洪设施。选择什么样的进水构筑物是修筑排洪系统的关键，由于库型较窄且长，就需要进水构筑物的进水面积足够大，所以框架式排水井比较合适，输水构筑物则达到下泄的流量就可以，所以，最后选择框架式排水井与排水涵管的方式。按照73立方米/秒的泄流量，因为坝高与尾矿堆积的负荷又比较大，库区的岩层又不是很符合，所以，排水井的外径采用4m，排水管内径采用2.5m。经计算，这样的方式可排泄流量达到22立方米/秒，剩下的51立方米/秒的流量经修建的溢洪道排出。溢洪道在尾矿坝肩的双侧修建，为钢筋混凝土结构，修建后的溢洪道排泄流量一共可达到60立方米/秒，达到排洪要求。

库内修建排水井共8座，1/3/5/7号排水井高21m，2/4/6/8号排水井高24m，排水管长1300m。因为排出的尾矿为弱碱性，所以每个水工构筑物都采用了防腐工程措施。

3.4 管理排洪设施所需的技术要求

雨季前、雨季中时期，要做好库区内外的排洪设施的清洁工作，清理掉可能造成阻塞的杂物，保障水流的顺畅，同时尽可能的减少库内存水。发生洪水的情况时，要确保堆坝干滩长大于等于100m，安全超高要大于1m。而在正常的情况时，堆坝干滩长大于等于160m，安全超高1.6m。

4 该尾矿库的运行效果

该尾矿库竣工后运行至今，显示运行正常，根据观测的数据可知，坝体水平位移量在允许范围内，垂直沉降量的最大值为0.6m，现已渐趋于稳定。在雨季的时候，库内外的排洪系统排泄正常，库内的存水量也比较少。在洪水的情况时，堆坝干滩长在130m左右，正常的情况时，堆坝干滩长在220m左右。