尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)型式與方式選擇

郭金宏

(黑龍江省冶金設(shè)計(jì)規(guī)劃院，哈爾濱150040)

0 引言

當(dāng)尾礦庫(kù)使用至中、后期，進(jìn)水構(gòu)筑物大部分被尾礦砂掩埋，排洪系統(tǒng)多屬于隱蔽性較強(qiáng)的建筑物，而且事故率較高，難以修復(fù)，損失嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行多方案比選，做到設(shè)計(jì)選型合理化［1］。

1 尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)工作方式

尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)與一般水庫(kù)排洪系統(tǒng)有所不同。壩上排放口的位置在使用過(guò)程中是不斷改變的，進(jìn)水構(gòu)筑物與排礦口之間的距離應(yīng)始終能滿足安全排洪和尾礦不得以澄清的要求。因此，尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)應(yīng)具有控制尾礦庫(kù)的庫(kù)水位，使尾礦庫(kù)有足夠的調(diào)洪庫(kù)容、合適的沉積灘長(zhǎng)和必要的澄清距離，同時(shí)兼作回收庫(kù)內(nèi)的尾礦澄清水。汛期能夠及時(shí)安全的排泄尾礦庫(kù)洪水，確保尾礦庫(kù)的防洪安全［2］。

進(jìn)水構(gòu)筑物的特點(diǎn)是隨著尾礦堆積壩高度的不斷升高，尾礦灘面向庫(kù)后延長(zhǎng)及抬升，進(jìn)水口高程也隨之不斷升高，要保證庫(kù)內(nèi)的澄清水距離，不讓礦砂從排洪系統(tǒng)排出，防止堵塞排洪系統(tǒng)或污染環(huán)境。

2 尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)類(lèi)型

尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)通常由進(jìn)水構(gòu)筑物和排水構(gòu)筑物組成。單純進(jìn)水構(gòu)筑物的基本型式主要有排水豎井、溢洪道等;單純排水構(gòu)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、山坡截洪溝、坡面排水溝等即是進(jìn)水構(gòu)筑物又是輸水構(gòu)筑物。還有庫(kù)區(qū)攔洪壩、側(cè)槽溢洪道及排洪管組成的聯(lián)合排水系統(tǒng)。

3 排水系統(tǒng)類(lèi)型的選擇

排水系統(tǒng)類(lèi)型的選擇，應(yīng)根據(jù)排水量的大小、尾礦庫(kù)的地形地質(zhì)條件、使用要求以及施工條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)耐用、維護(hù)管理方便的排洪系統(tǒng)［3］。

3.1 排水斜槽—管式排系統(tǒng)

排水斜槽—管式排系統(tǒng)由排水斜槽—排水管—消力池接排水明溝。

排水斜槽分單槽式、雙格式兩種。一般靠山坡一側(cè)布置，在過(guò)流斷面一定的情況，地形越陡，泄流量越大。斜槽工作方式是斜槽泄流進(jìn)水口高程隨尾礦沉積面高程的升高而相應(yīng)升高，需依次加蓋蓋板，使進(jìn)水口始終處于澄清水區(qū)，防止尾砂、礦泥進(jìn)入斜槽。當(dāng)?shù)匦屋^陡時(shí)，每次加蓋蓋板數(shù)量較少，地形越緩每次加蓋蓋板數(shù)量越多。斜槽的泄流橫斷面越大，蓋板越重，加蓋蓋板越困難，失事率越高［4］。

可見(jiàn)，老火湯雖深受中醫(yī)食療思想的影響，但并不等同于藥膳。那么，“老火湯”是何時(shí)開(kāi)始成為廣東居民的日常飲食呢？徐珂《清稗類(lèi)鈔》曾載曰：“(閩粵人)餐時(shí)必佐以湯。”[注](清)徐珂編撰：《清稗類(lèi)鈔13》，中華書(shū)局，1986年，第6242頁(yè)。即至少在晚清時(shí)期，粵人已經(jīng)形成了吃飯喝湯的飲食習(xí)慣。但結(jié)合其他文獻(xiàn)來(lái)看，清代粵人日常所食之湯應(yīng)非“老火湯”類(lèi)的湯品。

當(dāng)斜槽上水頭較低時(shí)，為自由泄流，由水位以下的斜槽兩側(cè)壁和斜槽蓋板上緣泄流，當(dāng)水位升高斜槽入口沒(méi)有被淹沒(méi)時(shí)，泄流量受斜槽斷面控制，成為半壓力流;當(dāng)水位繼續(xù)升高，排水斜槽與排水管均呈滿管流時(shí)，即為壓力流。

斜槽適用于中小流量排水，地形稍陡、庫(kù)長(zhǎng)不長(zhǎng)的尾礦庫(kù)中應(yīng)用，單槽寬0.6～1.0 m，槽寬超過(guò)1.0 m時(shí)設(shè)計(jì)成雙槽式。單槽式多采用窄深式，維護(hù)檢修比較方便。一般單槽泄流量＜3.0 m3/s，雙槽泄流量一般在6.0 m3/s左右。

3.2 豎井—管式排系統(tǒng)

豎井—管式排系統(tǒng)由排水豎井—排洪管—消力池—排水明溝。

常用排水豎井為窗口式和框架式。窗口式排水井由井筒、窗口、基座(含消力池)。窗口式排洪的進(jìn)水塔是在井筒上開(kāi)一系列軸對(duì)稱(chēng)等間距分布的窗口進(jìn)水，多層、多窗分布于不同高程，并隨著尾礦壩的升高不斷封堵下層窗口，啟用上層窗口而改變著進(jìn)水坎的坎頂高程。窗口式排水井井徑一般為1.5 m、2.0 m直徑居多，泄流量一般＜6.0 m3/s，適用于小流量排水。

框架式排水井由立柱、圈梁、拱板、基座(含消力池)組成?？蚣苁脚藕榈倪M(jìn)水塔是由一系列軸對(duì)稱(chēng)分布的立柱和等間距分布的水平圈梁所構(gòu)成，梁柱交錯(cuò)圍成的多層、多孔分布于不同高程，并隨著尾礦壩的升高不斷封堵下層孔，啟用上層孔而改變著進(jìn)水坎的坎頂高程［5］。隨運(yùn)行水位和進(jìn)水坎頂高程的不同，僅就進(jìn)水塔水流流態(tài)而言，即有環(huán)形堰流、孔流、孔堰雙層流、多層流之分，流態(tài)非常復(fù)雜?？蚣苁脚潘畯揭话銥?.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m直徑居多。排水井泄流量一般6.0 m3/s～50 m3/s，框架式適用于中、大流量排水。

窗口式排水井及框架式排水井的選擇布置是否合理，關(guān)鍵在于對(duì)應(yīng)標(biāo)高時(shí)調(diào)洪演算及該標(biāo)高的流態(tài)判別，決定其泄流能力大小。

井管排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，隨泄流水頭的大小而異。當(dāng)水頭較低時(shí)，泄流量較小，溢水井內(nèi)水位低于最低工作窗口的下緣，此時(shí)為自由泄流，當(dāng)水頭增大，井內(nèi)被水充滿，但排水管尚未呈滿管流，泄流量受排水管的入口控制，此時(shí)為半壓力流，當(dāng)水頭繼續(xù)增大，排水管呈滿管流時(shí)，即為壓力流。

3.3 隧洞排洪

在生產(chǎn)初期，隧洞的進(jìn)口不設(shè)其他進(jìn)水構(gòu)筑物，由洞口直接進(jìn)水，這種隧洞稱(chēng)為明口隧洞。當(dāng)尾礦沉積到一定的高度不宜再由洞口進(jìn)水時(shí)，即將洞口封閉，改由洞口前設(shè)置排水井等進(jìn)水構(gòu)筑物泄洪［6］。

排洪明口隧洞適用于上游溝谷縱坡較陡、洪枯水量變幅較大且無(wú)調(diào)節(jié)要求。排洪隧洞的進(jìn)水口往往處于庫(kù)上游溝谷縱坡較陡，兩岸山坡亦很陡、易坍塌、洪水期山洪、砂石具下的地形條件下，為確保尾礦庫(kù)安全，要求進(jìn)水口堰前壅水最大限度的減小，來(lái)多少流量就能排走多少流量，并保證隧洞在各級(jí)流量泄洪時(shí)開(kāi)挖工程量不能太大，且均能安全運(yùn)行。隧洞進(jìn)水口主要由過(guò)渡坡段和開(kāi)敞式的收縮段兩部分組成。

隧洞的流態(tài)分無(wú)壓流(短洞、厚壁孔口、長(zhǎng)洞)、半壓力流、壓力流，分別采用相應(yīng)泄流公式進(jìn)行泄流量計(jì)算。

隧洞常用的斷面的形式有圓形、圓拱直墻型、馬蹄形(R=2r)、馬蹄形(R=3r)。無(wú)壓隧洞一般采用圓拱直墻式或馬蹄形;壓力隧洞則多采用圓形隧洞。

3.4 溢洪道泄洪

對(duì)于洪量很大的尾礦庫(kù)，利用適當(dāng)?shù)牡匦伍_(kāi)挖岸坡溢洪道比其他類(lèi)型排水經(jīng)濟(jì)，但其維護(hù)管理復(fù)雜，要求嚴(yán)格，否則安全不容易得到保證。溢洪道根據(jù)地形條件可做成側(cè)槽式或正堰式。側(cè)槽式溢洪道由溢流堰、側(cè)槽、泄水道及消能構(gòu)筑物組成。正槽式溢洪道由進(jìn)水段(引水渠)、控制段、泄槽(陡槽)、消能段、尾水渠組成。

當(dāng)尾礦庫(kù)周邊有合適的山凹或山勢(shì)平緩的山坡時(shí)，可采用寬淺式溢洪道。如岸坡較陡或可在狹窄的山谷中開(kāi)溢洪道，為減少土石方量，多采用側(cè)槽溢洪道。

由于尾礦庫(kù)的尾礦堆積壩隨著生產(chǎn)年限的增長(zhǎng)而逐漸加高，溢洪道的溢流堰頂標(biāo)高也隨尾礦庫(kù)水位的升高而逐漸分期提高。由低到高逐一使用不同標(biāo)高的引水渠(引水渠設(shè)有溢流堰)。也可使用同一引水渠而將溢流堰頂分期分層加高。溢洪道多用于尾礦礦閉庫(kù)設(shè)計(jì)階段，排除終期洪水，進(jìn)水口位置固定，相對(duì)管理方便。

3.5 攔洪壩攔洪

當(dāng)上游面積匯水面積較大，庫(kù)內(nèi)調(diào)洪難以滿足要求時(shí)，可采用上游設(shè)攔洪壩截洪和庫(kù)內(nèi)另設(shè)排洪系統(tǒng)的聯(lián)合排洪系統(tǒng);攔洪壩以上的庫(kù)外排洪系統(tǒng)不宜與庫(kù)內(nèi)的排洪系統(tǒng)合并;當(dāng)與庫(kù)內(nèi)排洪系統(tǒng)合并時(shí)，必須進(jìn)行充分認(rèn)證，合并后的排水管宜采用無(wú)壓流控制。

3.6 截洪溝泄洪

山坡截洪溝即是進(jìn)水構(gòu)筑物也是輸水構(gòu)筑物，沿全部溝長(zhǎng)均可進(jìn)水。在較陡山坡處的截洪溝易遭暴雨沖毀，管理、維護(hù)工作量大。

當(dāng)尾礦庫(kù)周邊地形、地質(zhì)條件適合時(shí)，四等及五等尾礦庫(kù)經(jīng)論證可設(shè)截洪溝分洪。環(huán)保要求尾礦庫(kù)宜采取清污分流，減少尾礦庫(kù)污水量。為了避免全部洪水流經(jīng)尾礦庫(kù)也可沿庫(kù)周邊開(kāi)挖截洪溝或在庫(kù)后部山谷狹窄處設(shè)置攔洪壩分洪。

當(dāng)庫(kù)區(qū)所在地植被豐富、覆蓋率較高或土壤透水性好，此時(shí)即使地形條件適宜采用截洪溝，但在大雨期間溝內(nèi)的水量也很少，這是因?yàn)樨S富的植被使得地面徑流大大減小，相當(dāng)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會(huì)使大量的雨水迅速滲入地下，而以滲流的方式進(jìn)入庫(kù)區(qū)。在這種情況下不宜設(shè)置截洪溝。

3.7 壩面排水溝

壩面排水溝分為2類(lèi):

1)沿山坡與壩坡結(jié)合部設(shè)置漿砌塊石截水溝，以防止山坡暴雨匯流沖刷壩肩。

2)在壩體下游坡面設(shè)置平行壩軸線的水平排水溝及垂直壩軸線順坡排水溝，將坡面的雨水導(dǎo)流排出壩外，以免雨水滯留在壩面造成壩面拉溝，影響壩體安全。

4 影響排洪系統(tǒng)的安全因素

影響排洪系統(tǒng)安全的因素主要問(wèn)題有:①地基不均勻沉降問(wèn)題;②結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題;③水流流態(tài)問(wèn)題;④施工質(zhì)量問(wèn)題;⑤管理不到位、維護(hù)維修不及時(shí)的問(wèn)題，特別是施工人員未理解設(shè)計(jì)而造成的問(wèn)題較多。

因此排洪系統(tǒng)的安全應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工及管理著手。設(shè)計(jì)中一定要進(jìn)行排洪系統(tǒng)方案比選，對(duì)選定的方案一定要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造、流態(tài)等影響安全的關(guān)鍵部位進(jìn)行復(fù)核及安全評(píng)價(jià)，確保設(shè)計(jì)安全可靠。在施工方面，施工單位必須是有相應(yīng)施工資質(zhì)的單位，同時(shí)要有相應(yīng)資質(zhì)的監(jiān)理單位進(jìn)行監(jiān)督，施工單位要理解設(shè)計(jì)意圖，讀懂設(shè)計(jì)文件，基礎(chǔ)部分必須進(jìn)行施工驗(yàn)槽。在管理方面應(yīng)有上崗證的專(zhuān)人進(jìn)行管理，遇到問(wèn)題及時(shí)與設(shè)計(jì)單位溝通，并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)維修與加固。

［1］《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫(xiě)組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料［S］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.

［2］黎東亮.尾礦工程設(shè)計(jì)施工運(yùn)行維護(hù)及綜合效益手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)礦業(yè)出版社，2010.

［3］張明.尾礦手冊(cè)［S］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［4］范恩讓?zhuān)煺?影響尾礦庫(kù)排洪涵洞安全的因素與對(duì)策［J］. 甘肅冶金，2008(02):27-28.

［5］李斌華，刁明軍，楊海波.尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)水力計(jì)算研究［J］. 自然科學(xué)報(bào)，2007(03):613-617.

［6］王世夏.高尾礦壩塔式進(jìn)口豎井排洪道的泄流能力［J］.金屬礦山，1994(05):36-40.