上游式尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)的重要性

盧建京，祝華

(1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038；2.河源市紫金天鷗礦業(yè)有限公司，廣東河源517400)

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所[1]。尾礦庫作為礦山選礦廠生產不可缺少的設施之一，是礦山企業(yè)最大的環(huán)境保護工程項目，可以防止尾礦向江、河、湖、海、沙漠及草原等處任意排放。上游式尾礦壩由于工藝簡單、經濟，是我國礦山企業(yè)尾礦庫工程普遍采用的傳統(tǒng)壩型，占我國有色金屬礦山尾礦壩的80%左右[2]。但該類型的尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流，一旦發(fā)生坍塌，容易造成重大、特別重大事故，因此加強上游式尾礦壩各種安全問題的研究具有重要的意義。

圍繞上游式尾礦庫的設計、施工及生產運營的安全保障問題，業(yè)內的關注重點集中在尾礦堆積壩壩體穩(wěn)定和庫區(qū)排洪安全兩個方面[3]。然而，在尾礦庫整個運行系統(tǒng)中，尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)、排滲系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)、尾礦排放系統(tǒng)等[4]也值得關注，尤其是一些高堆積壩的尾礦庫，其壩面排水系統(tǒng)直接關系到整個尾礦庫安危。本文擬結合某礦山尾礦庫從設計到運行過程中具體情況，對上游式尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)的重要性進行分析。

1 傳統(tǒng)尾礦庫壩面排水系統(tǒng)的布置

尾礦庫設置壩面排水系統(tǒng)的主要作用是為了防止山坡和壩面雨水對堆積壩壩肩、壩面地沖刷，同時也為有效收集壩體內滲流出水。壩面排水系統(tǒng)一般由壩肩截水溝與壩面排水溝組成：1）壩肩截水溝沿堆積壩下游坡與兩岸山坡結合處的山坡設置，用于攔截原始自然山體的雨水；2）壩面排水溝設置在堆積壩下游壩面上，用于收集壩面雨水和滲水，其中壩面排水溝分橫溝和縱溝兩種。

尾礦堆積壩的匯水面積普遍極?。ㄍǔ２蛔?.1 km2），因此通常情況下不進行洪水計算。橫溝沿馬道內側布置，縱溝每間隔50～100 m設置1條。壩面縱、橫溝橫斷面均為矩形，常采用的斷面大小為0.24 m×0.30 m。橫溝和縱溝相互連通，形成壩面排水網，有效地將下游壩面的雨水和滲水排往下游。壩肩排水溝一般也采用矩形橫斷面，斷面大小以0.50 m×0.5 m居多；采用C20輕型預制鋼筋混凝土結構，每1～2 m設1節(jié)，每節(jié)接縫處只需M10水泥砂漿填塞即可，同時為防止雨水、滲流沖蝕及粉塵飛揚，在堆積壩壩坡上采用厚0.3 m的黏性土覆蓋山坡，并植草綠化。一般上游式尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)見圖1。

圖1 一般上游式尾礦堆積壩面排水系統(tǒng)

2 需要注意的問題

對于四、五等尾礦庫而言，通常上游式尾礦庫壩面排水系統(tǒng)匯水面積小，盡管各庫的匯水面積有變化，但變化幅度不大，因此上述措施是可靠的。然而在進行尾礦庫設計時很容易被忽視的是，上游式尾礦壩隨著尾礦壩的上升，整個尾礦庫的匯水面積也在發(fā)生變化。隨著尾礦壩的上升，部分匯水從庫區(qū)轉入了堆積壩壩面，壩面排水系統(tǒng)承擔的匯水面積在此過程中不斷增大，而庫內排洪系統(tǒng)所承擔的匯水面積則不斷縮小。當尾礦堆積壩達到一定的高度時，尾礦庫匯水面積的分布會發(fā)生異常變化，導致尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)必須重新規(guī)劃。

尾礦庫使用初期時，后期尾礦堆積壩尚未形成，因此更加容易忽略尾礦庫匯水面積變化的問題。本文以某礦山尾礦庫為例，闡述上游式尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)的重要性，并提出解決方案。

3 某礦山尾礦庫案例分析

3.1 基本情況

某鐵礦尾礦壩由初期壩+堆積壩組成，總壩高為94.0 m，尾礦庫總庫容492.89×104m3，為二等庫，主要構筑物為2級，次要構筑物為3級，臨時構筑物為4級。尾礦庫最小干灘長度不少于100 m，最小安全超高不小于1.0 m，洪水重現(xiàn)期為500年一遇。尾礦庫匯水面積F＝0.84 km2。該礦尾礦粒徑+0.076 mm的顆粒占43.77%，尾礦加權平均粒徑dp＝0.063 mm。根據(jù)國內同類礦山尾礦筑壩經驗，該尾礦能用于堆壩。由于當?shù)厥陷^豐富，初期壩壩型采用碾壓堆石壩。壩頂寬度取4.00 m，壩頂高程為280.0 m，初期壩建基面高程為260.0 m，壩高為19.00 m（地面以上），上游邊坡1∶1.60，下游邊坡1∶1.65，壩長為63.44 m。尾礦壩從280.0～354.0 m高程采用尾礦堆壩，尾礦堆積邊坡為1∶4.5，每堆高5 m設一級馬道，馬道寬2.50 m，平均堆積邊坡為1∶5.0。

尾礦庫一、二期排洪系統(tǒng)均采用排水斜槽＋連接井＋排洪隧洞的形式，兩期排洪系統(tǒng)考慮使用自然搭接。當尾礦堆積壩使用到高程291.0 m時，直接對一期排洪系統(tǒng)進行封堵，封堵材料選用鋼筋混凝土及毛石混凝土。

1）一期排洪系統(tǒng)：（1）3格排水斜槽，每格凈斷面大小為1.50 m×2.00 m，采用鋼筋混凝土結構。（2）一號連接井內徑為6.30 m，外徑為7.30 m，高為5.65 m，采用鋼筋混凝土結構。（3）排洪隧洞為城門洞形，襯砌段凈斷面大小為2.00 m×2.50 m，進出口段各全斷面襯砌長均為50.00 m，采用鋼筋混凝土結構；中間段只對底板和側墻襯砌，側墻襯砌高度為0.60 m；底板及側墻襯砌段凈斷面大小為2.60 m×3.00 m，采用素混凝土襯砌。

2）二期排洪系統(tǒng)：（1）3格排水斜槽，每格凈斷面1.50 m×2.00 m，采用鋼筋混凝土結構。（2）二號連接井內徑7.00 m，外徑9.00 m，高6.50 m采用鋼筋混凝土結構。（3）排洪隧洞為城門洞形，襯砌段凈斷面大小2.00 m×2.50 m，進口段襯砌長80.00 m，出口段襯砌長50.00 m，均采用鋼筋混凝土結構；中間段只對底板和側墻襯砌，側墻襯砌高度0.60 m；底板及側墻襯砌段凈斷面大小為2.60 m×3.00 m，采用素混凝土襯砌。

3.2 原壩面排水系統(tǒng)布置情況

設計人員在最初的規(guī)劃中，已經注意到兩側山坡地形的復雜情況，對兩側壩肩排水溝排水進行了區(qū)別對待，其設置情況如下：1）左壩肩排水溝橫斷面為矩形，凈斷面為0.50 m×0.50 m。2）右壩肩排水溝橫斷面為矩形，凈斷面為1.00 m×1.00 m。3）壩面排水溝橫溝沿馬道內側布置，縱坡坡度為1%，橫溝橫斷面均為矩形，凈斷面為0.24 m×0.30 m。4）橫溝和壩肩截水溝相互連通，形成壩面排水網，有效地將下游壩面的雨水和滲水排往下游。壩肩排水溝采用M7.5漿砌石結構，壩面溝采用M7.5混凝土磚砌，溝內側均采用M10水泥砂漿抹面，厚2.00 cm。

圖2 原尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)布置

3.3 問題的發(fā)現(xiàn)

如前所述，盡管該尾礦庫在設計時，已經對尾礦庫匯水面積的變化有所關注，但是隨著尾礦堆積壩逐年升高，發(fā)現(xiàn)對匯水面積的變化仍預估不足。在尾礦堆積高程約290.0 m時，經現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)尾礦庫庫區(qū)右側存在一小支流，已經對尾礦堆積壩形成了沖刷，威脅壩體安全。通過詳細計算，尾礦庫運行初期，尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)所承擔的匯水區(qū)域不足0.01 km2，而庫區(qū)匯水面積為0.84 km2，庫區(qū)匯水全部匯集至庫內排洪系統(tǒng)進行排泄（見圖3）；當尾礦堆積壩堆存至315.0 m高程時，壩面排水系統(tǒng)所承擔的匯水區(qū)域達0.31 km2，而庫區(qū)匯水面積為0.53 km2（見圖4）；當尾礦堆積壩堆存至354.0 m高程（最終堆積高程）時，壩面排水系統(tǒng)所承擔的匯水區(qū)域將達到0.38 km2，而庫區(qū)匯水面積為0.46 km2（見圖5）。

圖3 尾礦庫運行初期匯水面積分布

圖4 尾礦庫堆積至315 m匯水面積分布

圖5 尾礦庫堆積至終期354 m匯水面積分布

由圖3～圖5可知，尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)需要承擔整個匯水面積的45%。因此必須對整個尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)進行重新規(guī)劃。

3.4 壩面排水系統(tǒng)的改造

根據(jù)對匯水面積的重新計算結果，同時考慮到右側小支流的影響，結合礦山尾礦庫已有的壩面排水設施，對壩面排水系統(tǒng)進行以下改造：1）庫內山體右側新建攔擋壩1座，壩頂高程為320.0 m，壩高為6.00 m，壩長為19.50 m，采用C10細石混凝土砌塊石而成，庫內設置側槽式溢洪道與截洪溝相連；2）沿右側堆積壩與山體相交處設置壩肩截水溝，凈斷面大小為2.00 m×2.00 m，截水溝總長527.80 m。改造后的壩面排水系統(tǒng)改造平面布置，見圖6。

圖6 壩面排水系統(tǒng)改造平面布置

該排水設施（攔擋壩+壩肩截水溝）在尾礦庫堆積壩使用至300.0 m高程之前完成了建設。按照500年一遇的洪水標準重新進行洪水計算，該套設施可以滿足礦山500年一遇的洪水標準。此次對尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)改造，從根本上消除了該尾礦庫匯水面積發(fā)生異常變化的引起的安全事故隱患，計算結果見表1。

表1 壩面排水系統(tǒng)改造后各區(qū)域泄流計算

4 結語

1）采用上游式尾礦筑壩的尾礦庫，堆積壩壩面排水系統(tǒng)的設計應受到重視。

2）進行尾礦庫設計時，關注堆積壩壩面與庫區(qū)內的匯水面積的異常變化問題，對洪水匯入尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)進行提前統(tǒng)籌規(guī)劃，采取針對性的措施，得到最優(yōu)解決方案。

3）對于已投入運行的尾礦庫，要特別注意隨著尾砂堆積壩的上升，庫區(qū)有無形成集中匯流的小支溝。當發(fā)現(xiàn)尾礦庫存在匯水面積異常變化問題時，應單獨對尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)進行洪水計算，根據(jù)具體項目選擇不同的防洪標準。

4）堆積壩壩肩截水溝攔截的洪水，不宜通過初期壩壩前排水溝下泄，而應設置新的明渠排泄，以防沖擊初期壩。

5）匯水面積異常變化雖然增加了尾礦堆積壩壩面排水系統(tǒng)的投資建設，但庫區(qū)排洪設施的建設投資也相應減少了。