動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算分析在尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警中的應(yīng)用

吳永剛，馬 壯，韓金峰

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2．北京國(guó)信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

20世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源快速開(kāi)發(fā)導(dǎo)致尾礦產(chǎn)量大幅增加，尾礦庫(kù)的數(shù)量逐漸增多。雖然近年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)的政策，嚴(yán)格了尾礦庫(kù)的新建項(xiàng)目準(zhǔn)入，治理并且關(guān)閉了一些存在重要隱患的尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)的數(shù)量存量仍維持在較高的水平。作為重大的危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行仍然面臨著自然災(zāi)害、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理不當(dāng)?shù)纫蛩氐耐{[1]。防洪安全是尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的重要支撐之一，有保障的防洪排水能力對(duì)于尾礦堆積體的安全穩(wěn)定至關(guān)重要[2-3]。

目前，調(diào)洪演算分析是考查尾礦庫(kù)防洪安全的主要有效手段之一[4]。但是，靜態(tài)的調(diào)洪演算分析只能評(píng)價(jià)當(dāng)前尾礦庫(kù)的防洪排水構(gòu)筑物布置能否滿足防洪能力需求[5-6]，而對(duì)尾礦庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理的指導(dǎo)意義則不夠突出。近年來(lái)，尾礦庫(kù)安全監(jiān)督管理日益強(qiáng)化，部分省份或地區(qū)出臺(tái)了一些政策督促企業(yè)規(guī)范尾礦庫(kù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理，如采用綠、黃、紅等分級(jí)標(biāo)識(shí)進(jìn)行庫(kù)內(nèi)運(yùn)行水位預(yù)警[7]。

本文旨在通過(guò)一種動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算的分析方法對(duì)尾礦庫(kù)的防洪安全提供指導(dǎo)。本文采用的評(píng)價(jià)體系是采用較為普遍的綠、黃、紅三級(jí)來(lái)標(biāo)識(shí)庫(kù)內(nèi)安全超高(實(shí)際要根據(jù)干灘平均坡度換算成干灘長(zhǎng)度)正常運(yùn)行值、警戒運(yùn)行值、最小運(yùn)行值。

1 調(diào)洪演算基本原理

水量平衡法是目前通用的尾礦庫(kù)調(diào)洪演算方法?！段驳V設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50863)6.2.6條規(guī)定，調(diào)洪計(jì)算應(yīng)采用水量平衡法按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：QS、QZ—時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的來(lái)洪流量，m3/s；qS、qZ—時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的泄洪流量，m3/s；VS、VZ—時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的蓄洪量，m3；Δt—該時(shí)段的時(shí)間，h。

式(1)表達(dá)的含義為某一時(shí)間段內(nèi)，庫(kù)內(nèi)蓄洪量的增加值等與該時(shí)間段內(nèi)的來(lái)洪量與排洪構(gòu)筑物泄洪量之差。

我國(guó)按照尾礦庫(kù)的壩高和庫(kù)容將尾礦庫(kù)分為五個(gè)等別進(jìn)行管理，針對(duì)不同等別的尾礦庫(kù)，《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50863)4.2.1條對(duì)上游式尾礦堆積壩沉積灘頂與設(shè)計(jì)洪水位的高差和灘頂至設(shè)計(jì)洪水位水邊線的距離(最小干灘長(zhǎng)度)進(jìn)行了明確的規(guī)定，其值應(yīng)滿足表1的數(shù)值。

表1 上游式尾礦堆積壩的最小安全超高與最小干灘長(zhǎng)度Table 1 The minimum safety superelevation and minimum dry beach length of upstream tailings dam /m

表1是基于尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)灘面的平均坡度為1%的前提下做的規(guī)定，而近年來(lái)隨著選礦工藝以及技術(shù)的發(fā)展，尾礦粒度逐漸變細(xì)，上游式尾礦筑壩采用的自然沉積放礦導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)灘面坡度進(jìn)一步減小[8-9]，因此多數(shù)尾礦庫(kù)在進(jìn)行防洪安全校核的時(shí)候發(fā)現(xiàn)：在最小干灘長(zhǎng)度滿足的情況下，安全超高不能滿足表1中對(duì)應(yīng)的最小安全超高。

常規(guī)上游法堆筑的尾礦子壩是不能用來(lái)?yè)跛?，因此用最小安全超高?lái)判斷尾礦庫(kù)防洪是否安全是較為合適的指標(biāo)[10]。但是，通常在尾礦庫(kù)運(yùn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于操作或值班人員知識(shí)結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件等原因沒(méi)有辦法直觀的去獲取庫(kù)內(nèi)水位與灘頂之間的高差，因此安全超高數(shù)據(jù)不易獲取。在尾礦庫(kù)運(yùn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，易于獲取的數(shù)據(jù)是干灘長(zhǎng)度，如尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此本文采用干灘長(zhǎng)度值配合不同標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行防洪安全評(píng)價(jià)和分級(jí)預(yù)警。

2 分級(jí)預(yù)警原理概述

根據(jù)《道路交通安全法》中的規(guī)定：“交通信號(hào)燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示?！蔽驳V庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警同樣可以引入不同的三色標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行，在庫(kù)內(nèi)干灘面上不同距離分別豎立綠、黃、紅三種標(biāo)識(shí)牌標(biāo)明庫(kù)內(nèi)水位正常運(yùn)行值、警戒運(yùn)行值和最小運(yùn)行值，如圖1所示。我國(guó)某些地方安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門已出臺(tái)了相關(guān)的政策或文件，如陜西省安全生產(chǎn)委員會(huì)發(fā)布的《陜西省安全生產(chǎn)委員會(huì)關(guān)于印發(fā)<陜西省進(jìn)一步加強(qiáng)尾礦庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)防控工作方案>的通知》(陜安委[2017]6號(hào))、河北省的《尾礦庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行作業(yè)規(guī)范》(DB13/T 2015—2014)等。

圖1 尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警示意圖Fig.1 Schematic diagram of flood control safety forewarning classification of tailings pond

目前的調(diào)洪演算算法只能在庫(kù)內(nèi)水位為H0的前提下，驗(yàn)算排洪構(gòu)筑物的排洪能力以及庫(kù)內(nèi)調(diào)洪庫(kù)容能否滿足防洪的要求，難以真正地指導(dǎo)尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中紅、黃、綠三色標(biāo)識(shí)牌具體放在什么位置，從而達(dá)不到尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警的目的。本文提出的尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警方法的根本任務(wù)是如何科學(xué)合理地找到綠、黃、紅三色標(biāo)識(shí)警戒水位的依據(jù)。

本文提出的調(diào)洪演算動(dòng)態(tài)分析步驟如下：

1)根據(jù)尾礦庫(kù)的等別確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)和最小安全超高值判定標(biāo)準(zhǔn)，如三等尾礦庫(kù)運(yùn)行中后期可確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=0.2%、最小安全超高值為0.7 m。

2)以當(dāng)前的現(xiàn)狀水位H0為起調(diào)高程計(jì)算洪水過(guò)程線、泄流量曲線和調(diào)洪庫(kù)容曲線進(jìn)行調(diào)洪演算，計(jì)算出最高洪水位H洪，判斷灘頂高程H與H洪之差是否小于或等于規(guī)范規(guī)定的最小安全超高值，如果結(jié)果為真，則終止計(jì)算，判定該尾礦庫(kù)的防洪安全是無(wú)法保障的，反之則進(jìn)行第3)步。

3)以H0為基礎(chǔ)，抬高起調(diào)高程值繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算(需要重新計(jì)算洪水過(guò)程線、泄流量曲線和調(diào)洪庫(kù)容曲線)，直至計(jì)算到最小安全超高正好等于規(guī)范規(guī)定的最小安全超高值則終止計(jì)算，此時(shí)的起調(diào)高程值即為所求的最小運(yùn)行值H1(圖1)。

4)根據(jù)H1和現(xiàn)狀水位H0之間的差值進(jìn)行三等分，然后在H1和H0中間插入H2和H3，分別為警戒運(yùn)行值和正常運(yùn)行值。

5)正如之前討論的，干灘長(zhǎng)度是易于在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理中獲取的數(shù)據(jù)，但是對(duì)于防洪安全來(lái)說(shuō)更為合理的評(píng)判指標(biāo)是安全超高值，因此需要根據(jù)圖1中的灘頂高程H與正常水位H0之差與干灘長(zhǎng)度L0進(jìn)行比值得到干灘平均坡度i。

6)根據(jù)得到的干灘平均坡度i將H1、H2、H3分別所處位置的干灘長(zhǎng)度值換算出來(lái)即為L(zhǎng)1、L2和L3。

為了清晰地描述上述動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算計(jì)算過(guò)程，作流程圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程示意圖Fig.2 Diagram of dynamic calculation process

上述計(jì)算過(guò)程的理論和客觀依據(jù)是隨著起調(diào)高程的上升，在防洪標(biāo)準(zhǔn)不變的前提下，計(jì)算出的洪水位是隨著起調(diào)高程逐漸上升的，隨之最小安全超高是逐步減小的。上述過(guò)程提出的警戒運(yùn)行值和最小運(yùn)行值是本文作者提出的一種平均分布的情形，在實(shí)際的運(yùn)行管理中也可以采用其他分布形式進(jìn)行。

3 算例

在詳細(xì)描述了動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算分析在尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警的作用的基礎(chǔ)上，本文引入一個(gè)算例進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明。為了更詳細(xì)地展示計(jì)算的過(guò)程，本文選取的尾礦庫(kù)在現(xiàn)狀水位進(jìn)行調(diào)洪演算的結(jié)果是能夠滿足防洪安全并且有一定的安全儲(chǔ)備。為了方便計(jì)算展示，將該尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)水位假定為0，也即設(shè)定H0為0，其他相應(yīng)高程與現(xiàn)狀實(shí)際水位高程進(jìn)行差值計(jì)算即可。

某尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高140 m，總庫(kù)容為(997.04×104)m3，等別為三等庫(kù)，目前已運(yùn)行至中后期，因此計(jì)算采用的防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇(P=0.2%)，其洪水過(guò)程線、泄流量曲線、調(diào)洪庫(kù)容曲線分別如圖3～5所示。

圖3 某尾礦庫(kù)500年一遇洪水過(guò)程曲線Fig.3 The curve of flood process with 500 year frequency of a tailings pond

圖4 泄流量曲線Fig.4 The curve of flow discharge

圖5 調(diào)洪庫(kù)容曲線Fig.5 The curve of flood regulation storage capacity

正如之前假定的，當(dāng)前該尾礦庫(kù)現(xiàn)狀庫(kù)水位為0 m，灘頂高程經(jīng)過(guò)換算后約為6 m，庫(kù)內(nèi)干灘長(zhǎng)度為373 m，平均沉積灘坡度約為1.61%。有了以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以后采用水量平衡法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算過(guò)程。

1)首先，以當(dāng)前庫(kù)水位為0時(shí)進(jìn)行調(diào)洪演算，算得最高洪水位為3.07 m，此時(shí)最小安全超高值為2.93 m，能夠滿足三等庫(kù)的防洪安全要求，且安全儲(chǔ)備較大(規(guī)范要求值為0.7 m)。計(jì)算的調(diào)洪演算過(guò)程線如圖6所示。

圖6 調(diào)洪演算過(guò)程曲線Fig.6 The process curve of flood regulating calculation

2)調(diào)高起調(diào)高程，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)洪演算，算得的起調(diào)高程與最小安全超高值的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 最小安全超高隨起調(diào)高程變化曲線Fig.7 The curve of minimum safety superelevation changing with the elevation of starting regulation

3)通過(guò)不停試算，得到H1=3.3 m，此時(shí)最小安全超高值正好等于三等庫(kù)規(guī)范要求的0.7 m，因此該尾礦庫(kù)的最小運(yùn)行值對(duì)應(yīng)的標(biāo)高為3.3 m。

4)將H1=3.3 m和H0=0 m之差值進(jìn)行三等分，分別得到警戒運(yùn)行值對(duì)應(yīng)的標(biāo)高H2=2.2 m、正常運(yùn)行值對(duì)應(yīng)的標(biāo)高H3=1.1 m。

(5)灘頂高程H與正常水位H0之差與干灘長(zhǎng)度L0進(jìn)行比值即為干灘平均坡度i，該尾礦庫(kù)灘面的平均坡度為1.61%，換算成干灘長(zhǎng)度值即為：

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

最終得到本算例的三色標(biāo)識(shí)放置的位置，即為：距尾礦壩前167 m放置紅色標(biāo)識(shí)表明為干灘最小運(yùn)行值，距尾礦壩前236 m放置黃色標(biāo)識(shí)表明為干灘警戒運(yùn)行值，距尾礦壩前304 m放置綠色標(biāo)識(shí)表明為干灘正常運(yùn)行值。

4 結(jié)論

1)本文首先探討了目前尾礦庫(kù)防洪安全計(jì)算的局限性，單純的靜態(tài)調(diào)洪演算無(wú)法在尾礦庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行作業(yè)管理中發(fā)揮很好的作用。

2)解釋了當(dāng)前關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)范或者安全規(guī)程判定防洪安全判定標(biāo)準(zhǔn)的適用性，從實(shí)際防洪的角度提出最小安全超高值更能表征目前尾礦庫(kù)的防洪安全狀態(tài)。

3)引入了交通信號(hào)燈“綠黃紅”三色標(biāo)識(shí)對(duì)尾礦庫(kù)防洪安全進(jìn)行分級(jí)預(yù)警的方法，并提出了在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理環(huán)境下，干灘長(zhǎng)度的易取用性要高于最小安全超高值，因此通過(guò)在灘面豎立“綠黃紅”三色標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行分級(jí)預(yù)警可操作性強(qiáng)。

4)在分析了單純靜態(tài)調(diào)洪演算的局限性之后，提出了更為科學(xué)合理的動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算分析方法和計(jì)算程序，并通過(guò)一個(gè)合適的算例進(jìn)行了計(jì)算演示。

5)采用動(dòng)態(tài)調(diào)洪演算分析方法進(jìn)行尾礦庫(kù)防洪安全分級(jí)預(yù)警這一思想方法可操作性強(qiáng)、理論基礎(chǔ)合理，適宜進(jìn)行推廣。