泥石流地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)某尾礦庫排洪設(shè)施的安全布置方案

甘海闊 周漢民 崔 旋

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京101600；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102628）

尾礦庫堆置了礦產(chǎn)資源開采過程中產(chǎn)生的大量尾礦及廢水等，是一個(gè)具有高勢(shì)能的泥石流源，其安全性受工程地質(zhì)條件特別是庫內(nèi)不良地質(zhì)條件的影響十分顯著［1］。我國多數(shù)溝谷上游法堆壩尾礦庫由于占地面積較大，同時(shí)受到建庫地質(zhì)條件的限制，庫區(qū)邊坡時(shí)常存在一定的崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象；在尾礦庫的運(yùn)行過程中也會(huì)由于暴雨洪水、臺(tái)風(fēng)、地震、施工開挖、邊坡淹沒等因素誘發(fā)形成新的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)；地質(zhì)災(zāi)害問題給尾礦庫的安全運(yùn)行帶來了諸多挑戰(zhàn)［2～3］。而在尾礦庫的各系統(tǒng)中，排洪設(shè)施受庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響更為顯著，這是因?yàn)槎嗄暌詠砦覈驳V庫的建設(shè)實(shí)施常采用“井、塔、槽+洞、管、渠”的排洪方式［4］；該種排洪形式具有斷面小、尺寸高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，但其在布置方式缺乏安全度的情況下，遭遇地質(zhì)災(zāi)害時(shí)結(jié)構(gòu)抵抗能力差，排泄能力減弱，易引發(fā)排洪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損毀或行洪於堵問題。近些年來，由于庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害所引發(fā)的尾礦庫排洪設(shè)施垮塌、於堵的事故時(shí)常發(fā)生。例如：2006年8月，四川會(huì)東鉛鋅礦老虎巖尾礦庫由于汛期庫區(qū)大量棄方在汛期形成泥石流，泥石流於堵尾礦庫2#排洪井并造成洪水漫壩；2010年7月24日，河南欒川甘澗溝尾礦庫在暴雨激發(fā)條件下形成庫區(qū)泥石流，泥石流最終於堵排洪井井口導(dǎo)致洪水漫壩潰決；2015年11月16日，云南錫業(yè)郴州礦冶有限公司屋場(chǎng)坪錫礦尾礦庫因連日持續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致庫區(qū)山洪泥石流暴發(fā)，泥石流直泄尾礦庫致使正在運(yùn)行的一座排水井上部坍塌，庫內(nèi)尾礦經(jīng)排洪涵洞大量泄出造成事故。因此，如何科學(xué)合理地在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)布置排洪設(shè)施，并制定有效解決方案以保證尾礦庫防洪安全成為廣大尾礦庫科研及設(shè)計(jì)人員關(guān)注的一個(gè)重要研究方向［5-7］。

本研究以處于泥石流地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)易發(fā)區(qū)的某典型尾礦庫作為案例，在全面調(diào)查庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，分析庫區(qū)范圍內(nèi)多條溝谷泥石流發(fā)育特征以及對(duì)主體工程的危害程度；通過采用排洪系統(tǒng)雙進(jìn)口布置方案和整體避讓泥石流溝谷措施，增大排洪系統(tǒng)的安全裕度；充分利用尾礦庫調(diào)洪庫容容納一次泥石流總量以保證尾礦庫防洪安全；設(shè)置泥石流停淤場(chǎng)及攔擋設(shè)施，進(jìn)一步減小庫區(qū)泥石流的危害程度；建立庫區(qū)泥石流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尾礦庫安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過以上措施總結(jié)形成一套完善的適用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的排洪系統(tǒng)布置方案，可為類似地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)尾礦庫排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置、建設(shè)實(shí)施及運(yùn)行管理提供借鑒和指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目介紹

某典型尾礦庫項(xiàng)目位于我國云南省昆明市東川區(qū)境內(nèi)，工程區(qū)位于小江西支斷裂和東支斷裂的夾持區(qū)域，工程項(xiàng)目的北端距小江東支斷裂的最近距離僅約3.0 km；該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.40g。由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及地表植被覆蓋條件差，東川歷來是我國泥石流地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)和水土流失綜合防治的前沿基地。

由于尾礦庫選址條件的極大局限性，該尾礦庫庫址同樣面臨著庫區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象多、覆蓋層地基深厚、庫岸山高坡陡、庫區(qū)狹長迂回等復(fù)雜地質(zhì)工況。該尾礦庫庫區(qū)屬狹長“V”字型河谷，全段利用的溝谷長度約4.4 km，溝底平均縱坡3.3%；溝谷上游窄、下游寬，最窄處僅27 m，最寬處約150 m；河谷內(nèi)部“S”型轉(zhuǎn)彎多。庫岸兩側(cè)山體地形坡度均較陡，大多在45°～55°之間，庫區(qū)左右兩岸山體厚實(shí)，谷底和溝谷兩岸分水嶺高差在300～650 m，庫區(qū)呈典型的“兩山夾一谷”地形。該庫址存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為庫區(qū)共發(fā)育4條中小型的稀型～過渡性泥石流溝谷。分別為大窩塘溝、小荒地溝、大地箐溝和水龍站溝，具體如圖1所示。

在該庫址下擬采用“初期壩（50 m）+中期分期中線法卵礫石筑壩（60 m）+后期寬體模袋上游法（20 m）”堆積建設(shè)一座總高度為130 m的尾礦壩，最終可形成的尾礦庫總庫容約4 800萬m3，為二等庫。擬在該尾礦庫上游設(shè)置“攔水壩+隧洞”分流庫外洪水，庫內(nèi)則設(shè)置排洪“框架式排水井+排水隧洞”作為排洪系統(tǒng)。尾礦庫典型工程平面布置如圖2所示。

2 地質(zhì)災(zāi)害全面調(diào)查與分析

在該尾礦庫選址建設(shè)最初，為充分論證泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)庫址及尾礦設(shè)施的影響程度，委托第三方專業(yè)泥石流評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)開展尾礦庫庫區(qū)周邊泥石流調(diào)查分析工作，主要內(nèi)容：通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與取樣等手段確定調(diào)查溝域的基本工程地質(zhì)情況及泥石流活動(dòng)程度；通過室內(nèi)泥石流流動(dòng)還原試驗(yàn)及內(nèi)業(yè)計(jì)算等，分析確定庫區(qū)范圍內(nèi)4條溝谷的泥石流發(fā)育特征和危險(xiǎn)性；綜合評(píng)價(jià)泥石流對(duì)主體工程的影響及危害程度。庫區(qū)典型泥石流溝谷沖積扇形態(tài)如圖3所示，庫區(qū)4條泥石流溝谷的活動(dòng)性及危險(xiǎn)性分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

通過地質(zhì)災(zāi)害全面調(diào)查分析，得出的主要結(jié)論為：

（1）庫區(qū)4條支溝泥石流中：大地箐溝、水龍站溝為中等規(guī)模的稀性～過渡性泥石流溝谷；大窩塘溝及小荒地溝兩條溝谷為小型泥石流溝谷。四條溝谷均屬中小規(guī)模的稀性～過渡性泥石流溝，流域范圍小，設(shè)防工況下四條溝谷一次泥石流固體沖出總量合計(jì)約8.9萬m3，泥石流溝谷的一次沖出總量和整個(gè)尾礦庫庫區(qū)流域年平均水土流失量相對(duì)不大。

（2）泥石流對(duì)推薦布置方案下的尾礦壩、庫尾攔水壩及庫外排洪系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生威脅及危害；泥石流的主要可能危害對(duì)象為庫內(nèi)排洪設(shè)施（排水井+隧洞），有沖擊及於堵排洪設(shè)施的可能；對(duì)于庫內(nèi)排洪系統(tǒng)的布置建議通過主體工程的主動(dòng)避讓和防護(hù)實(shí)現(xiàn)安全的目的。

（3）隨著尾礦庫的堆高，庫區(qū)尾砂的不斷堆積將改變?cè)嗍鳒峡诙逊e區(qū)地貌，并減緩了溝底縱坡，有利于庫內(nèi)泥石流的減緩和停積。

（4）對(duì)尾礦庫庫區(qū)及周邊溝谷進(jìn)行大范圍泥石流治理的必要性不大，可以預(yù)防和監(jiān)測(cè)為主。

3 排洪系統(tǒng)布置方案

3.1 雙進(jìn)口排洪系統(tǒng)避讓泥石流布置

根據(jù)尾礦庫庫區(qū)周邊泥石流調(diào)查分析的結(jié)論，該尾礦庫排洪系統(tǒng)整體方案的布置原則：根據(jù)泥石流溝谷的位置及影響范圍，采用排洪系統(tǒng)雙進(jìn)口措施并整體避讓泥石流溝谷危險(xiǎn)區(qū)范圍布置，以增大系統(tǒng)安全度。具體措施如下。

（1）在尾礦庫庫區(qū)共布置8座框架式排水井，4用4備，每座排水井高度25 m，使用井與備用井高度方向搭接24 m，錯(cuò)位1.0 m；在極端工況下1座排水井受泥石流影響於堵失效時(shí)，確保備用排水井能夠正常工作。雙進(jìn)口排洪系統(tǒng)避開泥石流危險(xiǎn)區(qū)布置方案如圖4所示。

（2）為避開庫區(qū)水龍站溝中型泥石流的影響，1#排水井與2#排水井（1#，2#互為備用井）分別在該溝谷危險(xiǎn)區(qū)范圍以外的上游及下游側(cè)布置。為避開庫區(qū)中部大地箐溝中型泥石流溝谷的影響，3#及4#排水井（3#，4#互為備用井）在該溝谷危險(xiǎn)區(qū)范圍以外的下游側(cè)布置；為避開大地箐溝、小荒地溝以及大窩塘溝3條泥石流溝谷的影響，5#～8#排水井完全避開該溝谷段，在4條泥石流溝谷的上游靠近庫尾側(cè)布置。

（3）8座排水井的進(jìn)水口標(biāo)高距高溝底高度均在10～15 m以上，目的是保證排水井周邊始終具有一定深度的水區(qū)范圍，以確保庫內(nèi)泥石流發(fā)生時(shí)，其所攜帶的固體顆粒及大塊石等能夠提前在庫內(nèi)水區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生沉積，以最大限度地降低產(chǎn)生泥石流沖擊於堵排洪系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）8座排水井基座均布置在庫區(qū)右岸穩(wěn)固的堅(jiān)硬微風(fēng)化玄武巖地層上，避開庫區(qū)中部中生界粉砂巖夾泥巖地層，同時(shí)確保排水井邊坡及附近場(chǎng)地穩(wěn)固，無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

（5）為驗(yàn)證布置方案下排洪設(shè)施避讓泥石流的效果，委托第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)針對(duì)當(dāng)前布置方案下排洪設(shè)施開展《庫區(qū)泥石流對(duì)尾礦庫排洪系設(shè)施影響的物理模型試驗(yàn)》研究工作；通過物理模型試驗(yàn)明確了各工況下設(shè)防泥石流對(duì)排洪設(shè)施的影響均處于可控范圍內(nèi)，當(dāng)前布置方案下泥石流發(fā)生時(shí)不會(huì)造成排水井的於堵及沖擊破壞，庫區(qū)泥石流對(duì)排洪系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響不大。限于篇幅，涉及到泥石流對(duì)尾礦庫排洪設(shè)施影響的模型試驗(yàn)具體內(nèi)容不再展開描述。

3.2 防洪安全分析

針對(duì)該尾礦庫而言，泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的最不利影響：致使庫內(nèi)排洪系統(tǒng)垮塌或於堵，并導(dǎo)致排洪系統(tǒng)整體失效，進(jìn)而影響到尾礦庫的防洪安全。

通過該尾礦庫庫型條件分析可得：該尾礦庫可利用的河谷全長4.4 km，在整個(gè)尾礦庫運(yùn)行服務(wù)期，可形成足夠的干灘長度和調(diào)洪庫容；尾礦庫運(yùn)行初期的調(diào)洪庫容總量約80萬m3，運(yùn)行后期的調(diào)洪庫容總量約400萬m3。在尾礦庫最高洪水位的基礎(chǔ)上考慮上述4條泥石流溝谷固體沖積物所占用的調(diào)洪高度后，庫內(nèi)剩余安全超高仍可滿足防洪安全的要求。

同時(shí)，該尾礦庫采用“初期壩+分期中線法卵礫石筑壩+寬體模袋上游法”方式設(shè)計(jì)建造；中線法每級(jí)卵礫石子壩堆壩高度為15 m；后期寬體模袋上游法每級(jí)子壩寬度約100 m，子壩高度為4.0 m，每級(jí)子壩均要求汛期前完成施工，壩體典型剖面如圖5所示。如此，分級(jí)中線法壩體和模袋寬體子壩可形成沉積灘面超高之外額外的壩體超高，可進(jìn)一步提高尾礦庫的防洪安全裕度，降低尾礦庫由于排洪系統(tǒng)整體失效而發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。

4 泥石流攔擋與監(jiān)測(cè)

4.1 泥石流停淤場(chǎng)及攔擋設(shè)施

《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DZ/T0239）指出：針對(duì)泥石流防治可利用天然有利地形，將泥石流引入選定的寬闊灘地或低地，使其自然減速后淤積，以此達(dá)到停淤、分流化解泥石流水沙集中的矛盾。該尾礦庫狹長迂回的庫區(qū)即為作為庫內(nèi)4條支溝泥石流水土流失的天然停淤場(chǎng)。而且隨著尾礦庫的逐漸堆排和庫面抬升，將改變?cè)嗍鳒瞎鹊牡匦蔚孛蔡卣?，降低了泥石流溝谷平均坡度，有利于泥石流沖積物就近于溝口附近停積。

《規(guī)范》同時(shí)指出：針對(duì)泥石流治理，在地形較好的泥石流流通區(qū)地帶，可采用可靠的攔擋壩、谷坊壩等，以攔載水沙，改變輸水輸沙條件和穩(wěn)定溝谷；達(dá)到降低河床坡降，減緩泥石流流速，抑制上游河段縱、橫向侵蝕，保證下游排洪設(shè)施的目的。根據(jù)尾礦庫的實(shí)際現(xiàn)狀，此次在大地箐溝的溝底坡度較緩地段設(shè)置1座格柵壩，3座副壩，并沿途設(shè)置多座小型谷坊壩，以攔截泥石流，減輕對(duì)下游排洪設(shè)施的影響。

4.2 運(yùn)行期泥石流監(jiān)測(cè)

泥石流監(jiān)測(cè)的目的是為獲取泥石流形成的固體物源、水源和流動(dòng)過程中的流速、流量、頂面高程（泥位）、容重等及其變化，為泥石流的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和警報(bào)提供依據(jù)。針對(duì)該尾礦庫泥石流監(jiān)測(cè)，布置如下監(jiān)測(cè)方案。

（1）監(jiān)測(cè)范圍。水源和固體的顆粒的物源區(qū)、流通段和堆積區(qū)。

（2）監(jiān)測(cè)方法。視頻、雷達(dá)、警報(bào)器等現(xiàn)代化手段和普通的測(cè)量、觀測(cè)等相結(jié)合的方式進(jìn)行。

（3）監(jiān)測(cè)內(nèi)容。①物源監(jiān)測(cè)：泥石流形成區(qū)內(nèi)松散土層堆積的分布和分布面積、體積的變化；松散土層是否有裂縫產(chǎn)生和裂縫寬度的變化；庫內(nèi)滑坡、崩塌的發(fā)展與變形情況；庫區(qū)森林覆蓋面積的增減和水土保持的狀況及效果。②雨情監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)流域的降雨過程和降雨量，根據(jù)當(dāng)?shù)啬嗍鞯囊淮伪┯昙ぐl(fā)值等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷降雨激發(fā)泥石流的可能性。

建立庫區(qū)泥石流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與該尾礦庫的壩體及排洪設(shè)施等安全監(jiān)測(cè)共同構(gòu)成統(tǒng)一的庫區(qū)監(jiān)測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)該尾礦庫安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié)論

（1）在泥石流相對(duì)易發(fā)區(qū)布置排洪設(shè)施，應(yīng)以全面調(diào)查庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模為基礎(chǔ)，確定各溝谷泥石流的發(fā)育特征及其對(duì)主體工程的危害程度。本研究通過開展上述工作，明確庫區(qū)泥石流溝谷均屬中小規(guī)模的稀性～過渡性泥石流溝谷，泥石流的固體沖出總量和流域年平均水土流失量不大，可通過庫內(nèi)排洪設(shè)施的主動(dòng)避讓和防護(hù)保證安全。

（2）本次通過設(shè)置排洪系統(tǒng)雙進(jìn)口，并將排水井布置于庫岸山坡高出溝底10～15m的位置處，實(shí)現(xiàn)排洪設(shè)施避讓泥石流危險(xiǎn)區(qū)的同時(shí)，使得泥石流固體顆粒能夠在庫內(nèi)水區(qū)提前發(fā)生沉積，降低泥石流沖擊、於堵排洪系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)；并通過泥石流物理模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述排洪系統(tǒng)布置方案是安全可靠的。

（3）該尾礦庫庫內(nèi)縱深長，調(diào)洪庫容大，可充分容納設(shè)防一次泥石流總量；同時(shí)設(shè)置了安全超高余量大的堆壩方式，降低了極端偶發(fā)工況由于排洪系統(tǒng)整體失效而導(dǎo)致尾礦壩發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的尾礦庫，可根據(jù)尾礦庫實(shí)際地形條件設(shè)置泥石流停淤場(chǎng)或攔擋設(shè)施，以減小庫區(qū)泥石流的危害程度，并可建立泥石流監(jiān)測(cè)體系以保證尾礦庫運(yùn)行期的安全。