基于调洪演算的尾矿库安全监测预警阈值设置方法

陈宜楷 莫 勇

（1.湖南有色环保研究院有限公司；2.湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司）

我国对尾矿库的安全越来越重视，为了有效防范化解我国尾矿库安全风险，国家相关部门要求建立完善尾矿库安全风险监测预警机制，对尾矿库安全监测预警进行分级并设置相应的安全监测预警阈值［1］。在2020年10月11日发布的《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）［2］中，将尾矿库安全监测预警由低级到高级分为蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警4个级别，比2015年5月11日发布的《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）［3］中多了1个蓝色预警。《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）对安全监测项目的部分安全监测预警阈值，如红色预警阈值和橙色预警阈值提出设置方法，而没有对黄色预警阈值提出设置方法，更没法对蓝色预警阈值提出设置方法。没有统一有效的尾矿库安全监测预警阈值的设置方法，导致尾矿库4级安全监测预警阈值不能有效地对尾矿库安全风险进行预警，使安全监测系统的预警作用效果大打折扣，过度预警将严重影响尾矿库的正常生产使用。

倪微等［4］对我国尾矿库在线安全监测系统现状进行了分析总结，并提出通过相应手段对尾矿库在线监测系统监测方案进行优化，降低尾矿库在线安全线监测系统的运行及维护成本，提高尾矿库在线安全监测系统在企业中的覆盖范围，提高系统稳定性；有学者［5-6］通过对尾矿库在线安全监测系统进行设计，收集到尾矿库监测项目数据，对尾矿库进行有效的监测；熊立新等［7-8］通过收集关键安全监测指标，对尾矿库安全风险状况实行多级预警预报，为区域安全管理提供决策依据；这些学者没有对尾矿库安全监测预警阈值进行深入的研究。

郝哲［9］通过建立尾矿库安全监测预警系统，确定了尾矿库的安全预警级别和相应判定标准；粟闯［10］提出了预警综合分析功能模型与准则，以结合各因素的关联度及预测趋势进行综合预警；吴永刚等［11］通过调洪演算分析每年汛期来临之前制定库内运行水位的控制分级预警值；这些学者提出了综合性的预警准则，但是没有结合最新的标准规范，对安全监测预警进行分级和设置预警阈值。

鉴于此，本研究提出了基于调洪演算的尾矿库安全监测预警阈值设置新方法，通过对湖南某尾矿库进行调洪演算，并对调洪演算的计算结果进行分析，再结合标准规范对该尾矿库安全监测项目中的安全超高、干滩长度和库水位的4级安全监测预警阈值进行设置［2-3］。

1 尾矿库概况

湖南某尾矿库属于上游法尾矿库，现状总坝高107.8 m（属于二等库），现状总库容269.9×104m3（属于四等库），综合总坝高和总库容，该尾矿库现状等别为三等库。

初期坝为碾压堆石坝，初期坝坝顶宽度为4.0 m，坝顶标高为+500.0 m，坝高40.0 m，尾砂堆积坝顶标高约+567.8 m，尾砂堆坝高度为67.8 m，堆积坝外坡平均坡比约1∶4.9。

尾矿库滩顶标高约+567.2 m，库内干滩长度约164 m，沉积滩坡度约为1%。库内排洪系统使用的是7号排水井+排水隧洞。7号排水井直径4.5 m，进水口标高为+565.56 m。7号支隧洞为圆拱直墙型，尺寸为3.5 m×3.5 m，与主隧洞相连，主隧洞也是圆拱直墙型，尺寸为3.6 m×3.6 m。

2 调洪演算

2.1 调洪演算的原理

尾矿库调洪演算的原理可以简化为水量平衡方程和泄流方程［12］，即根据洪水过程线和排水构筑物的泄流能力曲线与尾矿库的调洪库容曲线，通过水量平衡计算求出所需调洪高度及其对应的最大泄流量和所需调洪库容。

2.2 洪水过程线

（1）防洪标准的选取。根据《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020），三等库的防洪标准选择500 a一遇洪水（P=0.2%）。

（2）流域参数。尾矿库流域汇水面积F为0.64 km2，沟长L为1.64 km，坡降J为0.286。

（3）洪水计算。查阅《湖南省暴雨洪水查算手册（修编版）》，库区位于湖南省暴雨一致区区划图的第8区，产流分区的第Ⅲ区，初损Io=27 mm，采用该手册的推理公式计算洪峰流量和汇流时间，即计算得到500 a一遇洪水的洪峰流量QP=23.07 m3/s，汇流时间t=0.526 h。

（4）洪水过程线。根据暴雨一致区第8区的最大24 h概化雨型时程分配表，采用概化多峰三角形进行简化处理，得到500 a一遇的洪水过程线，如表1所示。

2.3 调洪库容曲线

根据尾矿库1∶1 000现状实测图，圈定尾矿库+565.56、+566.0和+567.2 m标高时的面积，计算得出的调洪库容见表2。

2.4 泄流能力曲线

尾矿库排洪系统为排水井和排水隧洞。根据排洪系统水力计算公式，以+565.56 m为死水位，计算不同库水位时的泄流能力，如表3所示。

2.5 调洪演算的结果

在滩顶标高+567.2 m，死水位+565.56 m，通过水量平衡进行调洪演算，结果见表4。

2.6 调洪演算结果分析

（1）调洪演算结果中，最小安全超高为0.78 m，大于《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）要求的最小安全超高0.7 m；最小干滩长度78m，大于《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）要求的最小干滩长度70 m，该尾矿库的防洪能力满足规范要求。

（2）在达到规范要求的最小安全超高和干滩长度的要求下，该尾矿库所需的调洪水深0.86 m，即对应所需干滩长度86 m。

3 安全监测预警阈值设置及分析

3.1 安全监测项目

根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）第3.4条规定，尾矿库安全监测项目应根据尾矿库设计等别、尾矿坝筑坝方式确定。该尾矿库设计等别为三等尾矿库，属湿排尾矿库，根据规范要求监测项目应包含表面位移、内部位移、浸润线、干滩监测、库水位、降雨量及视频监控等。这些安全监测项目中，安全超高、干滩长度和库水位的4级预警阈值可以根据调洪演算结果进行设置。

3.2 安全超高和干滩长度安全监测预警阈值

根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）第8.3.5条规定，尾矿坝最小安全超高与最小干滩长度的红色预警阈值应根据设计文件和现行国家标准确定；最小安全超高的橙色预警阈值宜取红色预警阈值的1.2～1.5倍，最小于滩长度的橙色预警阈值宜取红色预警阈值的1.1～1.4倍；最小安全超高和最小干滩长度中任一个达到预警阈值应预警。

该尾矿库为三等尾矿库，根据《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020），最小安全超高0.7 m，最小干滩长度70 m。当干滩坡比陡于1%，采用最小干滩长度为约束值进行控制；当干滩坡比缓于1%时，采用最小安全超高为约束值进行控制。

对于安全超高预警阈值，该尾矿库的安全超高红色预警阈值为0.7 m，按《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）要求，橙色预警阈值宜取红色预警阈值的1.2～1.5倍，即0.84～1.05 m，但是该技术规范中只有三级预警，而《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）要求4级预警，需要调整橙色预警阈值，增加黄色预警阈值和蓝色预警阈值。因此，根据调洪演算的结果进行安全超高的4级预警阈值设计，具体设置如下。

（1）红色预警阈值取尾矿库最危险状况，按《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）取最小安全超高0.7 m。

（2）蓝色预警阈值取尾矿库临界安全状况，此时有足够排500 a一遇洪水的调洪水深和规范要求的最小安全超高之和，即1.56 m。

（3）橙色预警阈值可以取调洪演算结果的最小安全超高0.78 m。

（4）黄色预警阈值可以取有足够排500 a一遇洪水的调洪水深的二分之一和规范要求的最小安全超高之和，即1.13 m。

对于干滩长度预警阈值，该尾矿库的干滩长度红色预警阈值为70 m，按规范要求橙色预警阈值宜取红色预警阈值的1.1～1.4倍，即77～98 m，需要调整橙色预警阈值，增加黄色预警阈值和蓝色预警阈值。因此，根据调洪演算的结果进行干滩长度的4级预警阈值设计，具体设置如下。

（1）红色预警阈值取尾矿库最危险状况，按《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）取最小干滩长度70 m。

（2）蓝色预警阈值取尾矿库临界安全状况，此时有足够排500 a一遇洪水的调洪水深对应的干滩长度和规范要求的最小干滩长度之和，即156 m。

（3）橙色预警阈值可以取调洪演算结果的最小干滩长度78 m。

（4）黄色预警阈值可以取有足够排500 a一遇洪水的调洪水深的二分之一对应的干滩长度和规范要求的最小干滩长度之和，即113 m。

3.3 库水位预警阈值

根据《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）第8.3.6条规定，库水位的红色预警阈值应根据尾矿库最小安全超高与最小干滩长度对应的水位确定。橙色预警阈值宜取汛前控制水位值或生产运行控制水位值，需要调整橙色预警阈值，增加黄色预警阈值和蓝色预警阈值。因此，根据调洪演算的结果进行库水位的4级预警阈值设计。

（1）红色预警阈值取尾矿库最危险状况，按《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）取最小安全超高0.7 m对应的库水位为+566.5 m。

（2）蓝色预警阈值取尾矿库临界安全状况，此时有足够排500 a一遇洪水的调洪水深0.86 m和规范要求的最小安全超高0.7 m之和1.56 m，此时对应的库水位为+565.64 m。

（3）橙色预警阈值可以取调洪演算结果的最小安全超高0.78 m，此时对应的库水位为+566.42 m。

（4）黄色预警阈值可以取有足够排500 a一遇洪水的调洪水深的二分之一（0.43 m）和规范要求的最小安全超高0.7 m之和1.13 m，此时对应的库水位为+566.07 m。

3.4 3级和4级安全监测预警阈值分析

通过应用调洪演算结果，结合《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB 51108—2015）的3级安全监测预警阈值的设置方法，设置了该尾矿库安全超高、干滩长度和库水位的4级安全监测预警阈值。按技术规范方法设置的3级安全监测预警阈值与本文方法设置的4级安全监测预警阈值情况，见表5。

从表5可以看出，针对安全超高、干滩长度和库水位的安全监测项目：

（1）技术规范方法的3级安全监测预警阈值缺少了黄色预警阈值和蓝色预警阈值的设置方法，而本文方法可以将4级安全监测预警阈值都进行设置，使4级安全监测预警完整。

（2）技术规范方法和本文方法中的安全监测预警阈值设置，都将最危险状况作为红色预警，能发挥尾矿库最危险状况的预警作用。

（3）本文方法中，安全超高橙色预警阈值的设置依据来自调洪演算结果，小于技术规范方法中的阈值；干滩长度橙色预警阈值的设置依据也来自调洪演算结果，位于技术规范方法中的阈值偏下值。

（4）本文方法中蓝色预警阈值是根据调洪演算的结果进行设置，保证在蓝色预警之前的尾矿库符合规范要求，而技术规范方法中的库水位橙色预警阈值比本文方法中的蓝色预警阈值还低，按技术规范方法，尾矿库在安全的情况下就会发出预警，导致尾矿库正常运行中的过度预警。

（5）本文方法中黄色预警阈值是橙色预警与蓝色预警中间状况，体现安全监测预警的循序递进。

4 结论

（1）将尾矿库调洪演算结果应用于尾矿库安全监测预警阈值的设置，使尾矿库安全监测项目中的安全超高、干滩长度和库水位的4级安全监测预警阈值更能体现尾矿库的安全状况，可以防止在尾矿库安全的情况进行过度预警，也能对尾矿库最危险情况下及时预警。

（2）通过调洪演算得到尾矿库临界安全状况的调洪水深，结合规范3级安全监测预警阈值的设置方法，对尾矿库的安全超高、干滩长度和库水位的4级安全监测预警阈值进行设置，将最危险状况作为红色预警，临界安全状况作为蓝色预警，调洪演算的结果状况作为橙色预警，1/2临界安全状况调洪水深对应状况作为黄色预警。

（3）将调洪演算的结果作为安全超高、干滩长度和库水位4级安全监测预警阈值的设置参考，为安全监测预警阈值设置提供了一种新的方法。