动态调洪演算分析在尾矿库防洪安全分级预警中的应用

吴永刚，马 壮，韩金峰

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2．北京国信安科技术有限公司，北京 100160)

20世纪以来，随着国民经济快速发展，矿产资源快速开发导致尾矿产量大幅增加，尾矿库的数量逐渐增多。虽然近年来国家出台了相关的政策，严格了尾矿库的新建项目准入，治理并且关闭了一些存在重要隐患的尾矿库，尾矿库的数量存量仍维持在较高的水平。作为重大的危险源，尾矿库的安全运行仍然面临着自然灾害、作业现场管理不当等因素的威胁[1]。防洪安全是尾矿库安全运行的重要支撑之一，有保障的防洪排水能力对于尾矿堆积体的安全稳定至关重要[2-3]。

目前，调洪演算分析是考查尾矿库防洪安全的主要有效手段之一[4]。但是，静态的调洪演算分析只能评价当前尾矿库的防洪排水构筑物布置能否满足防洪能力需求[5-6]，而对尾矿库生产运行作业现场管理的指导意义则不够突出。近年来，尾矿库安全监督管理日益强化，部分省份或地区出台了一些政策督促企业规范尾矿库作业现场管理，如采用绿、黄、红等分级标识进行库内运行水位预警[7]。

本文旨在通过一种动态调洪演算的分析方法对尾矿库的防洪安全提供指导。本文采用的评价体系是采用较为普遍的绿、黄、红三级来标识库内安全超高(实际要根据干滩平均坡度换算成干滩长度)正常运行值、警戒运行值、最小运行值。

1 调洪演算基本原理

水量平衡法是目前通用的尾矿库调洪演算方法。《尾矿设施设计规范》(GB50863)6.2.6条规定，调洪计算应采用水量平衡法按式(1)计算：

(1)

式中：QS、QZ—时段始、终尾矿库的来洪流量，m3/s；qS、qZ—时段始、终尾矿库的泄洪流量，m3/s；VS、VZ—时段始、终尾矿库的蓄洪量，m3；Δt—该时段的时间，h。

式(1)表达的含义为某一时间段内，库内蓄洪量的增加值等与该时间段内的来洪量与排洪构筑物泄洪量之差。

我国按照尾矿库的坝高和库容将尾矿库分为五个等别进行管理，针对不同等别的尾矿库，《尾矿设施设计规范》(GB50863)4.2.1条对上游式尾矿堆积坝沉积滩顶与设计洪水位的高差和滩顶至设计洪水位水边线的距离(最小干滩长度)进行了明确的规定，其值应满足表1的数值。

表1 上游式尾矿堆积坝的最小安全超高与最小干滩长度Table 1 The minimum safety superelevation and minimum dry beach length of upstream tailings dam /m

表1是基于尾矿库库内滩面的平均坡度为1%的前提下做的规定，而近年来随着选矿工艺以及技术的发展，尾矿粒度逐渐变细，上游式尾矿筑坝采用的自然沉积放矿导致库内滩面坡度进一步减小[8-9]，因此多数尾矿库在进行防洪安全校核的时候发现：在最小干滩长度满足的情况下，安全超高不能满足表1中对应的最小安全超高。

常规上游法堆筑的尾矿子坝是不能用来挡水的，因此用最小安全超高来判断尾矿库防洪是否安全是较为合适的指标[10]。但是，通常在尾矿库运行作业现场由于操作或值班人员知识结构、技术条件等原因没有办法直观的去获取库内水位与滩顶之间的高差，因此安全超高数据不易获取。在尾矿库运行作业现场，易于获取的数据是干滩长度，如尾矿库在线监测系统。因此本文采用干滩长度值配合不同标识来进行防洪安全评价和分级预警。

2 分级预警原理概述

根据《道路交通安全法》中的规定：“交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。”尾矿库防洪安全分级预警同样可以引入不同的三色标识来进行，在库内干滩面上不同距离分别竖立绿、黄、红三种标识牌标明库内水位正常运行值、警戒运行值和最小运行值，如图1所示。我国某些地方安全生产监督管理部门已出台了相关的政策或文件，如陕西省安全生产委员会发布的《陕西省安全生产委员会关于印发<陕西省进一步加强尾矿库安全风险防控工作方案>的通知》(陕安委[2017]6号)、河北省的《尾矿库生产运行作业规范》(DB13/T 2015—2014)等。

图1 尾矿库防洪安全分级预警示意图Fig.1 Schematic diagram of flood control safety forewarning classification of tailings pond

目前的调洪演算算法只能在库内水位为H0的前提下，验算排洪构筑物的排洪能力以及库内调洪库容能否满足防洪的要求，难以真正地指导尾矿库运行过程中红、黄、绿三色标识牌具体放在什么位置，从而达不到尾矿库防洪安全分级预警的目的。本文提出的尾矿库防洪安全分级预警方法的根本任务是如何科学合理地找到绿、黄、红三色标识警戒水位的依据。

本文提出的调洪演算动态分析步骤如下：

1)根据尾矿库的等别确定其防洪标准和最小安全超高值判定标准，如三等尾矿库运行中后期可确定其防洪标准为P=0.2%、最小安全超高值为0.7 m。

2)以当前的现状水位H0为起调高程计算洪水过程线、泄流量曲线和调洪库容曲线进行调洪演算，计算出最高洪水位H洪，判断滩顶高程H与H洪之差是否小于或等于规范规定的最小安全超高值，如果结果为真，则终止计算，判定该尾矿库的防洪安全是无法保障的，反之则进行第3)步。

3)以H0为基础，抬高起调高程值继续进行动态调洪演算(需要重新计算洪水过程线、泄流量曲线和调洪库容曲线)，直至计算到最小安全超高正好等于规范规定的最小安全超高值则终止计算，此时的起调高程值即为所求的最小运行值H1(图1)。

4)根据H1和现状水位H0之间的差值进行三等分，然后在H1和H0中间插入H2和H3，分别为警戒运行值和正常运行值。

5)正如之前讨论的，干滩长度是易于在现场作业管理中获取的数据，但是对于防洪安全来说更为合理的评判指标是安全超高值，因此需要根据图1中的滩顶高程H与正常水位H0之差与干滩长度L0进行比值得到干滩平均坡度i。

6)根据得到的干滩平均坡度i将H1、H2、H3分别所处位置的干滩长度值换算出来即为L1、L2和L3。

为了清晰地描述上述动态调洪演算计算过程，作流程图如图2所示。

图2 动态计算过程示意图Fig.2 Diagram of dynamic calculation process

上述计算过程的理论和客观依据是随着起调高程的上升，在防洪标准不变的前提下，计算出的洪水位是随着起调高程逐渐上升的，随之最小安全超高是逐步减小的。上述过程提出的警戒运行值和最小运行值是本文作者提出的一种平均分布的情形，在实际的运行管理中也可以采用其他分布形式进行。

3 算例

在详细描述了动态调洪演算分析在尾矿库防洪安全分级预警的作用的基础上，本文引入一个算例进行实例说明。为了更详细地展示计算的过程，本文选取的尾矿库在现状水位进行调洪演算的结果是能够满足防洪安全并且有一定的安全储备。为了方便计算展示，将该尾矿库库内水位假定为0，也即设定H0为0，其他相应高程与现状实际水位高程进行差值计算即可。

某尾矿库设计总坝高140 m，总库容为(997.04×104)m3，等别为三等库，目前已运行至中后期，因此计算采用的防洪标准为500年一遇(P=0.2%)，其洪水过程线、泄流量曲线、调洪库容曲线分别如图3～5所示。

图3 某尾矿库500年一遇洪水过程曲线Fig.3 The curve of flood process with 500 year frequency of a tailings pond

图4 泄流量曲线Fig.4 The curve of flow discharge

图5 调洪库容曲线Fig.5 The curve of flood regulation storage capacity

正如之前假定的，当前该尾矿库现状库水位为0 m，滩顶高程经过换算后约为6 m，库内干滩长度为373 m，平均沉积滩坡度约为1.61%。有了以上基础数据以后采用水量平衡法进行动态调洪演算过程。

1)首先，以当前库水位为0时进行调洪演算，算得最高洪水位为3.07 m，此时最小安全超高值为2.93 m，能够满足三等库的防洪安全要求，且安全储备较大(规范要求值为0.7 m)。计算的调洪演算过程线如图6所示。

图6 调洪演算过程曲线Fig.6 The process curve of flood regulating calculation

2)调高起调高程，继续进行调洪演算，算得的起调高程与最小安全超高值的关系曲线如图7所示。

图7 最小安全超高随起调高程变化曲线Fig.7 The curve of minimum safety superelevation changing with the elevation of starting regulation

3)通过不停试算，得到H1=3.3 m，此时最小安全超高值正好等于三等库规范要求的0.7 m，因此该尾矿库的最小运行值对应的标高为3.3 m。

4)将H1=3.3 m和H0=0 m之差值进行三等分，分别得到警戒运行值对应的标高H2=2.2 m、正常运行值对应的标高H3=1.1 m。

(5)滩顶高程H与正常水位H0之差与干滩长度L0进行比值即为干滩平均坡度i，该尾矿库滩面的平均坡度为1.61%，换算成干滩长度值即为：

L1=(H-H1)/i= 167 m；L2=(H-H2)/i=236 m；L3=(H-H3)/i= 304 m。

最终得到本算例的三色标识放置的位置，即为：距尾矿坝前167 m放置红色标识表明为干滩最小运行值，距尾矿坝前236 m放置黄色标识表明为干滩警戒运行值，距尾矿坝前304 m放置绿色标识表明为干滩正常运行值。

4 结论

1)本文首先探讨了目前尾矿库防洪安全计算的局限性，单纯的静态调洪演算无法在尾矿库的实际运行作业管理中发挥很好的作用。

2)解释了当前关于设计规范或者安全规程判定防洪安全判定标准的适用性，从实际防洪的角度提出最小安全超高值更能表征目前尾矿库的防洪安全状态。

3)引入了交通信号灯“绿黄红”三色标识对尾矿库防洪安全进行分级预警的方法，并提出了在现场作业管理环境下，干滩长度的易取用性要高于最小安全超高值，因此通过在滩面竖立“绿黄红”三色标识来进行分级预警可操作性强。

4)在分析了单纯静态调洪演算的局限性之后，提出了更为科学合理的动态调洪演算分析方法和计算程序，并通过一个合适的算例进行了计算演示。

5)采用动态调洪演算分析方法进行尾矿库防洪安全分级预警这一思想方法可操作性强、理论基础合理，适宜进行推广。