柳樹箐磷石膏尾礦庫在線安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

葛小博　張建博　席燦勇

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院)

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柳樹箐磷石膏尾礦庫在線安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

葛小博1,2張建博1席燦勇1

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院)

摘要尾礦庫安全監(jiān)測(cè)是獲得尾礦庫運(yùn)行中的各種準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，適時(shí)掌握尾礦庫運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)尾礦庫安全運(yùn)行管理，預(yù)防生產(chǎn)事故的重要手段。通過分析我國安全監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀，論述了尾礦庫全程在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性和國內(nèi)尾礦庫安全監(jiān)測(cè)發(fā)展的態(tài)勢(shì),提出并制定了壩體表面位移變形監(jiān)測(cè)(磷石膏壩和水工壩)、壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、浸潤線監(jiān)測(cè)、干灘監(jiān)測(cè)、庫水位監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、濁度監(jiān)測(cè)等主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的在線安全監(jiān)測(cè)方案，為后期安全生產(chǎn)提供保障。

關(guān)鍵詞尾礦庫在線監(jiān)測(cè)壩體位移浸潤線干灘庫水位

磷石膏尾礦庫受到自然因素和人為因素的影響，其工作狀態(tài)隨時(shí)都在發(fā)生變化。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范要求和礦山企業(yè)的需求，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)增強(qiáng)對(duì)尾礦庫的安全監(jiān)測(cè)和對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，實(shí)行多級(jí)綜合監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理隱患，防止事故，有利于尾礦庫的安全生產(chǎn)，也可提高尾礦庫的科學(xué)管理水平。

國內(nèi)學(xué)者在尾礦庫安全監(jiān)測(cè)研究方面做了很多工作，為研究和開發(fā)尾礦庫自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了很好的借鑒和參考。胡軍通過論述影響尾礦壩安全因素，確定了尾礦壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，繼而開發(fā)了基于Internet-Intranet的尾礦壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]；曾群偉等通過尾礦庫潰壩事故的原因分析，提出將浸潤線、防洪容量、壩體位移和降雨量作為尾礦庫監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[2]；許同樂等通過分析光纖傳輸基本原理和其在尾礦庫安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的作用，提出了基于光纖傳輸?shù)奈驳V庫安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[3]；于廣明等綜述了我國尾礦壩穩(wěn)定性、抗震性能、安全管理、在線監(jiān)測(cè)等方面的研究現(xiàn)狀，并與國際上相關(guān)研究進(jìn)行了對(duì)比、分析和討論[4]。這些均表明高科技在尾礦庫在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用是我國尾礦壩安全管理發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1工程概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫是濕法上游式筑壩法形成的典型山谷型尾礦庫，該堆積壩的最終高程為2 070 m，堆積壩高約130 m，庫底高程為1 940 m，設(shè)計(jì)總庫容(有效庫容)為5 905.2萬m3，二等庫。堆場(chǎng)滿足堆存15～20 a磷石膏排放量的要求。

柳樹箐磷石膏尾礦庫初期壩設(shè)計(jì)壩頂高程為1 970 m，壩高30 m；堆積壩壩高約130 m，5 m一級(jí)形成子壩，總共20級(jí)，迎水面坡比為1∶1.5，壩后坡比為1∶2；防洪系統(tǒng)由排水豎井和排水隧洞組成，排水豎井共有3個(gè)；在1 994.8，2 013 m高程設(shè)置水平導(dǎo)滲；初期壩后布置回水系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)水池和水工壩(擋水壩)組成，壩頂寬5 m，壩長約190 m，高約30 m，水池庫容為130萬m3。

目前，該尾礦庫正在使用第十級(jí)子壩右岸部分的灘面堆存磷石膏，堆存量約1 520萬m3，干灘長度約600 m。該尾礦庫通過壩前均勻分散的放礦支管進(jìn)行磷石膏渣漿的排放，這樣可以保證粗顆粒沉積于壩前，不出現(xiàn)威脅堆積壩壩體安全穩(wěn)定的粗、細(xì)尾礦顆粒夾層軟弱滑動(dòng)面。

2尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要性及設(shè)計(jì)原則

目前人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量收集柳樹箐磷石膏尾礦庫的安全運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，容易受天氣、現(xiàn)場(chǎng)、人員等諸多因素的影響，而且工作量大，觀測(cè)周期長，最大缺點(diǎn)是不能及時(shí)掌握尾礦庫的各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)，這些都會(huì)對(duì)尾礦庫的安全運(yùn)行和管理產(chǎn)生重大影響。

全程在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將有利于企業(yè)、安全監(jiān)管部門掌握最新、最準(zhǔn)確的尾礦庫運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)和安全狀況，將有利于尾礦庫事故預(yù)防和庫區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全保障。

柳樹箐磷石膏尾礦庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下幾個(gè)原則：

(1)滿足2個(gè)層次標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的技術(shù)要求。

(2)充分考慮本工程實(shí)際，選擇必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及合適的安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置必須體現(xiàn)代表性和特殊性。

(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測(cè)尾礦壩及水工壩的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩體異常跡象，為壩體現(xiàn)代化運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)資料。

(4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型要遵循先進(jìn)、實(shí)用的原則，在滿足安全監(jiān)測(cè)各項(xiàng)基本要求的情況下做到經(jīng)濟(jì)合理。

3安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

柳樹箐磷石膏尾礦庫為二等庫，根據(jù)規(guī)范要求[5]，應(yīng)進(jìn)行浸潤線、位移、庫水位、干灘、降水量等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。根據(jù)工程實(shí)際情況，還需要對(duì)尾礦庫的滲流水混濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1壩體表面位移變形監(jiān)測(cè)

壩體位移是尾礦庫潰壩災(zāi)害演化過程中的直觀反映指標(biāo)[6]。尾礦壩壩體變形率和發(fā)展速度的監(jiān)測(cè)主要通過壩體下游坡變形來掌握，這樣可以及時(shí)采取相應(yīng)預(yù)防措施。壩體表面位移監(jiān)測(cè)主要范圍包括磷石膏堆積體初期壩(初始?jí)?、堆積子壩(堆積壩)。

壩體表面變形監(jiān)測(cè)的方法很多，有人工監(jiān)測(cè)方法，以傳感器、激光技術(shù)和全站儀TPS為基礎(chǔ)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。柳樹箐磷石膏渣庫不僅要監(jiān)測(cè)磷石膏壩體表面位移，還要監(jiān)測(cè)回水井上方的邊坡棄土，原則上考慮采用監(jiān)測(cè)范圍跨度較大的GPS監(jiān)測(cè)方案，但必須解決幾個(gè)問題：①磷石膏壩體滲流的液體具有強(qiáng)酸腐蝕性，不利于GPS埋線布設(shè)；②GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)必須考慮防雷措施；③后期維護(hù)成本較高；④GPS監(jiān)測(cè)墩不具有靈活可移動(dòng)性；⑤GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不利于系統(tǒng)的擴(kuò)容。綜合分析，在保證監(jiān)測(cè)精度和施工方便的前提下，本方案設(shè)計(jì)采用全站儀監(jiān)測(cè)方法。

磷石膏壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)可根據(jù)規(guī)范中關(guān)于斷面選擇和布置方式進(jìn)行布設(shè)。為了使位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與浸潤線監(jiān)測(cè)孔一起印證、相互校核，將位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)就近布設(shè)在水位孔旁，同時(shí)兼顧規(guī)范中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的要求。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定[6]：初期壩頂和后期壩頂各布設(shè)一排，每30～60 m高差布設(shè)一排，一般不少于3排。測(cè)點(diǎn)的間距，一般壩長小于300 m時(shí)，宜取20～100 m；壩長大于300 m時(shí)，宜取50～200 m；壩長大于1 000 m 時(shí)，宜取100～300 m。柳樹箐磷石膏堆積壩、初期壩位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及工作基點(diǎn)參數(shù)見表1。

表1　磷石膏壩體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及工作基點(diǎn)相關(guān)參數(shù)

目前，尾礦庫壩體表面位移的預(yù)警值尚不明確，本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)為水平方向預(yù)警值10 mm,垂直方向預(yù)警值10 mm;最小預(yù)警值為水平方向1 mm，垂直方向2 mm;可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置多級(jí)預(yù)警值。

3.2壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)

尾礦庫壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)主要是堆積壩代表性子壩壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)和庫基底內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。

常見的壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)設(shè)備有測(cè)斜兼沉降儀和垂直水平位移計(jì)。垂直水平位移計(jì)由沉降位移監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)組成，一般同時(shí)布置。這種設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)精度較低，易受摻氣、滲漏、線路、不均勻沉降等的影響，而且埋設(shè)安裝難度較大。測(cè)斜兼沉降儀系統(tǒng)則采用由活動(dòng)式測(cè)斜儀和電磁式沉降儀組成的埋設(shè)在壩體中的測(cè)斜管、沉降管進(jìn)行觀測(cè)，在施工初期就能進(jìn)行埋設(shè)和觀測(cè)，并對(duì)位移進(jìn)行累加記錄，可監(jiān)測(cè)到整個(gè)施工期壩體內(nèi)部位移情況。

根據(jù)壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)的國家相關(guān)規(guī)范要求，柳樹箐磷石膏尾礦庫擬采用不銹鋼測(cè)斜兼沉降儀系統(tǒng)，在一般尾礦庫50 m孔深以內(nèi)，其精度可以達(dá)到或優(yōu)于2mm。結(jié)合工程的實(shí)際情況，由于其壩體較大，分別在第四級(jí)、第六級(jí)、第八級(jí)子壩表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近布設(shè)3條監(jiān)測(cè)垂線，其中第六級(jí)子壩的監(jiān)測(cè)垂線設(shè)在壩體中軸線附近；3級(jí)子壩的監(jiān)測(cè)孔中分別埋設(shè)3、4、5個(gè)測(cè)斜儀兼沉降儀，共計(jì)12個(gè)。

3.3浸潤線監(jiān)測(cè)

浸潤線即滲流網(wǎng)的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關(guān)系到壩體穩(wěn)定及安全狀況。因此，浸潤線位置的監(jiān)測(cè)是尾礦庫安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一[7]。浸潤線監(jiān)測(cè)范圍主要是堆積壩壩體內(nèi)部。

由于特殊的監(jiān)測(cè)環(huán)境，各種鋼式材料傳感器都不適合本項(xiàng)目的長期埋設(shè)監(jiān)測(cè)，必須考慮具有防強(qiáng)腐蝕的陶瓷材料傳感器。本工程采用防強(qiáng)腐蝕液位變送器。浸潤線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖1。浸潤線監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)見表2。測(cè)壓管布設(shè)見圖2。

圖1　浸潤線監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

位置標(biāo)高/m壩長/m監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目/個(gè)監(jiān)測(cè)孔間距/m備注第2級(jí)子壩1980224350沿用老孔第4級(jí)子壩1990320450沿用老孔3個(gè),新增鉆孔1個(gè)第6級(jí)子壩2000382450第8級(jí)子壩2010450450新增鉆孔

圖2　測(cè)壓管布設(shè)示意

3.4干灘監(jiān)測(cè)

尾礦壩自身的運(yùn)行特點(diǎn)決定了干灘標(biāo)高不同于其他點(diǎn)標(biāo)高的測(cè)量，隨著尾礦壩不斷填筑加高，由于灘頂標(biāo)高和設(shè)計(jì)最高洪水位下允許達(dá)到的干灘標(biāo)高是2個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，標(biāo)高監(jiān)測(cè)設(shè)備不能固定設(shè)置在某一位置。

張記峰詳細(xì)介紹了近景攝影測(cè)量在礦山尾礦庫干灘監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和精度對(duì)比分析[8]。根據(jù)干灘監(jiān)測(cè)的國家相關(guān)規(guī)范要求，在尾礦庫右側(cè)3#、4#豎井間布置2臺(tái)近景立體攝影測(cè)量儀。測(cè)量斷面垂直于壩軸線布置，在幾個(gè)測(cè)量結(jié)果中，選最小者作為該尾礦庫的沉積灘干灘長度監(jiān)測(cè)值。沉積干灘坡度按照各測(cè)量斷面的磷石膏沉積干灘坡度加權(quán)平均計(jì)算。

3.5庫水位監(jiān)測(cè)

尾礦庫內(nèi)一般存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監(jiān)測(cè)的目的是根據(jù)水位高低判斷壩體是否滿足安全要求。對(duì)于庫水位位置的監(jiān)控和把握，可以直接防止尾礦庫在汛期因洪水漫頂發(fā)生潰壩事故[9]。

由于現(xiàn)場(chǎng)無法靠近或不能實(shí)現(xiàn)人力監(jiān)控庫水位，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控。不同的尾礦庫有著不同的實(shí)際情況和技術(shù)要求，而且?guī)焖粎?shù)的測(cè)量方法和測(cè)量位置不同，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求也有所不同。因此，在綜合研究柳樹箐磷石膏尾礦庫的實(shí)際情況及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，擬采用分體式超聲波液位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量庫水位。

目前，回水庫水工壩已設(shè)置有雷達(dá)液位計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控。尾礦庫存水的水位則由設(shè)置于排洪回水豎井井架上的水位標(biāo)尺人工讀取。本方案考慮繼續(xù)使用水工壩雷達(dá)液位計(jì)，將該臺(tái)液位計(jì)讀數(shù)納入本方案尾礦庫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前正在使用的4#溢水井處安裝一臺(tái)超聲波液位計(jì)，根據(jù)庫水位的實(shí)際情況，2個(gè)不同溢水塔分為初期安裝位置和后期安裝位置，布線時(shí)充分考慮不同時(shí)期水位計(jì)的布設(shè)位置。

3.6雨量監(jiān)測(cè)

隨著極端降雨造成的安全事故頻繁出現(xiàn)，降雨量監(jiān)測(cè)越來越重要。結(jié)合實(shí)地踏勘結(jié)果和雨量計(jì)安裝點(diǎn)位規(guī)范，并考慮到安裝調(diào)試難度、后期維護(hù)難度等因素，選址在第六級(jí)子壩上MCU旁邊，也可在值班室房頂(即視頻監(jiān)控中心房頂)，本方案選擇在值班室房頂。庫區(qū)降水預(yù)警值設(shè)計(jì)參考柳樹箐磷石膏尾礦庫設(shè)計(jì)資料、往年庫區(qū)降水量數(shù)據(jù)及庫水位等信息，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多級(jí)預(yù)警值設(shè)置。

3.7濁度監(jiān)測(cè)

根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求，一、二、三等庫有必要監(jiān)測(cè)混濁度。實(shí)地考察后，壩體內(nèi)常年有水滲出，混濁度反應(yīng)出庫內(nèi)漏沙情況，直接關(guān)系到尾礦庫的安全。目前，庫區(qū)尚未布置濁度監(jiān)測(cè)設(shè)施，擬在初期壩腳處布設(shè)一臺(tái)濁度監(jiān)測(cè)儀。

4結(jié)語

尾礦庫安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提高尾礦庫的安全技術(shù)和監(jiān)管水平，增強(qiáng)對(duì)尾礦庫災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力。但是，我國尾礦庫安全監(jiān)測(cè)的力度和方法仍然存在著一定的漏洞和局限性。主要突出表現(xiàn)在觀測(cè)設(shè)備陳舊，技術(shù)手段單一，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不全面，自動(dòng)化程度低，觀測(cè)周期長，觀測(cè)數(shù)據(jù)并不能完全反映尾礦庫實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化情況。為適應(yīng)發(fā)展的要求，應(yīng)加快壩體表面位移變形監(jiān)測(cè)、壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、浸潤線監(jiān)測(cè)、干灘監(jiān)測(cè)、庫水位監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、濁度監(jiān)測(cè)等主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的尾礦庫全程在線安全監(jiān)測(cè)方案的推廣應(yīng)用進(jìn)程，為及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)尾礦庫的隱患提供技術(shù)保障。

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(收稿日期2015-12-05)

葛小博(1980—)，男，高級(jí)工程師，550081 貴州省貴陽市興黔路16。