新型排洪方式在尾礦庫擴容工程中的應(yīng)用分析

李道明，王明文，吳國高，羅敏杰，肖文璨

（1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，南昌 330031；2.中國黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司，江西 德興 334213）

排洪設(shè)施是尾礦庫必須設(shè)置的安全設(shè)施［1］，尾礦庫的排洪方式選擇與筑壩方式密切相關(guān)。目前在運行的尾礦庫有部分是采用一次建壩成庫［2-4］，尤其自2012年安監(jiān)總管一［2012］32號文《關(guān)于進(jìn)一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見》要求“新建四、五等尾礦庫應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用一次性筑壩方式”以及2020年最新發(fā)布的《尾礦庫安全規(guī)程》［5］要求“上游式尾礦庫有足夠的初、終期庫長以及上游式尾礦庫庫底平均縱坡不得陡于20%”后，大部分新建四、五等尾礦庫采用一次性筑壩的建庫方案，排洪方式多以溢洪道為主。這些尾礦庫由于庫容小、服務(wù)時間短，很難滿足工礦企業(yè)的尾礦堆存需求，受國家相關(guān)政策以及征地、拆遷等影響，要新建一座尾礦庫審批實施的可行性極低，一般會考慮對尾礦庫進(jìn)行擴容以延長服務(wù)年限［6-7］。在進(jìn)行尾礦庫擴容設(shè)計中，需要結(jié)合擴容方案特點以及現(xiàn)有排洪設(shè)施綜合分析后，提出經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的排洪方式。

1 項目概況

某尾礦庫采用一次建壩成庫，排洪設(shè)施主要為溢洪道。該尾礦庫建成投入使用后，礦方在庫區(qū)中段進(jìn)行放礦，使得尾礦庫形成庫尾與壩前均有澄清水而庫中間為尾砂干灘面的情況。隨著企業(yè)擴產(chǎn)，尾礦堆存量逐年增加，而尾礦庫所剩庫容已不多，為此礦方?jīng)Q定對該尾礦庫進(jìn)行擴容以延長服務(wù)年限。

根據(jù)尾礦庫現(xiàn)狀情況和筑壩材料的供應(yīng)量，并結(jié)合礦方生產(chǎn)要求，擴容方案采用模袋筑壩方式，利用庫內(nèi)尾砂在干灘面上就地取材，由庫尾向壩前分期采用模袋充填尾砂筑壩進(jìn)行加高［8］，與周邊自然山體圍合形成階梯式庫容。

尾礦庫擴容前尾礦壩壩頂高程120.0 m，最大壩高33.8 m，總庫容約390×104m3，為四等庫，洪水重現(xiàn)期為200 a。擴容后尾礦壩最終壩頂高程140.0 m，總壩高53.8 m，總庫容約873×104m3，仍為四等庫，但考慮到尾礦庫下游有村莊和進(jìn)礦道路，洪水重現(xiàn)期取為500 a。

2 排洪方案

2.1 現(xiàn)有排洪方式

現(xiàn)狀庫內(nèi)設(shè)置了一套排水設(shè)施，滿足日常尾礦庫排水及回水，采用雙格斜槽＋連接井＋排水管。雙格斜槽為矩形斷面，單格凈斷面尺寸1.0 m×1.4 m；連接井內(nèi)徑3.5 m、高4.9 m；排水管為圓形斷面，內(nèi)徑2.0 m；斜槽、連接井及排水管均為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該套排水系統(tǒng)的泄流能力為7.4 m3／s，由于不能完全滿足尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)下的最大下泄流量10.1 m3／s，在尾礦庫左壩肩位置另設(shè)置了一套排洪設(shè)施，為永久性溢洪道，溢洪道由進(jìn)口段、溢流堰、明渠漸變段、陡槽段組成，為 M7.5漿砌塊石結(jié)構(gòu)，該套排洪系統(tǒng)的泄流能力為6.5 m3／s，排水設(shè)施＋排洪設(shè)施同時工作，可滿足尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)下的排洪要求。

2.2 擴容排洪方案

尾礦庫擴容后，洪水重現(xiàn)期為500 a，根據(jù)調(diào)洪演算，要求的最大下泄流量為41.23 m3／s，而現(xiàn)有的排洪（水）設(shè)施最大泄流能力為13.9 m3／s，遠(yuǎn)不能滿足尾礦庫擴容后的排洪要求，因此需要對現(xiàn)有排洪設(shè)施進(jìn)行改造。

尾礦庫的擴容方案是在庫內(nèi)分期新建模袋壩形成多個分區(qū)的階梯式庫容，因此尾礦庫擴容后需要考慮分區(qū)排洪，而現(xiàn)有的排水、排洪構(gòu)筑物均設(shè)置在壩前，針對此特點，為滿足尾礦庫擴容后的排洪要求，提出以下兩種排洪方案。

方案一：尾礦庫擴容后在庫內(nèi)分區(qū)之間設(shè)置溢洪道形成階梯式排洪，庫內(nèi)洪水從地勢高的分區(qū)逐級排至現(xiàn)有尾礦壩前所在分區(qū)，再通過現(xiàn)有的排水設(shè)施和壩肩溢洪道最終將庫內(nèi)洪水排出庫外。由于現(xiàn)有的排水設(shè)施在日常運行過程中出現(xiàn)過漏水漏砂現(xiàn)象，且位于庫內(nèi)不適合進(jìn)行改造，只能對其加固或封堵，而現(xiàn)有的壩肩溢洪道又不能滿足擴容后的泄流要求，因此，考慮對現(xiàn)有壩肩溢洪道進(jìn)行改造，根據(jù)地形條件，考慮在現(xiàn)有壩肩溢洪道的左側(cè)增加一座永久溢洪道，構(gòu)成雙溢洪道排洪方案。該排洪方式需要新建兩座永久性溢洪道，其中一座設(shè)在庫內(nèi)，滿足分區(qū)之間的排洪，另外一座設(shè)在現(xiàn)有尾礦壩的壩肩，布置在現(xiàn)有溢洪道的一側(cè)。根據(jù)尾礦庫擴容后的分區(qū)匯水面積進(jìn)行計算，庫內(nèi)設(shè)置的溢洪道所需最大下泄流量為32.74 m3／s，為盡可能增加有效庫容提高庫容利用率，溢洪道設(shè)計成寬淺式，凈斷面尺寸為B×H＝35 m×1 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；新增的壩肩溢洪道所需最大下泄流量為32.39 m3／s，設(shè)計采用駝峰堰，進(jìn)口段寬5.0 m、長8.76 m，后接溢流堰，堰高0.85 m、寬5.0 m、長5.1 m，收縮段為矩形斷面，寬度由5.0 m過渡到2.5 m，后接陡槽段＋消力井＋穿路箱涵，最終接入下游明渠，新增的壩肩溢洪道也采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

方案二：尾礦庫擴容后除尾礦壩前所在分區(qū)外的其他分區(qū)在庫內(nèi)新建一套排洪設(shè)施，采用排水井＋排洪隧洞方式，每個分區(qū)形成獨立的排洪區(qū)域，同時考慮對現(xiàn)有排水設(shè)施進(jìn)行加固或封堵。該排洪方式需要在庫內(nèi)新建一座排水井，再新建一條排洪隧洞與之相接，形成庫內(nèi)排洪系統(tǒng)，根據(jù)洪水計算結(jié)果，設(shè)計排水井采用八柱框架式圓型結(jié)構(gòu)，井身內(nèi)徑4.0 m、外徑4.5 m，井架高18 m，井座內(nèi)徑3.5 m、高6.0 m。排洪隧洞設(shè)計采用城門洞型，凈斷面尺寸為B×H＝3.0 m×3.5 m，長712 m，全線考慮鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌。

以上兩種排洪方案的比較具體詳見表1。

根據(jù)表1可以看出，階梯式排洪是通過設(shè)置溢洪道逐級聯(lián)合排洪，而分區(qū)獨立排洪需要在庫內(nèi)設(shè)置排水井＋排洪隧洞進(jìn)行排洪，由于排水井井座基礎(chǔ)、拱圈蓋板質(zhì)量等要求高，而且在運行過程中易被木頭、樹枝等雜物堵塞，國內(nèi)已發(fā)生過多起因尾礦庫排水井問題引起的安全及環(huán)境污染事件［9-12］，因此，階梯式排洪方式相對可靠性高，尾礦庫防洪安全風(fēng)險較低；該尾礦庫已運行多年，庫內(nèi)排入的尾砂比較厚且為濕排尾礦庫，排水井和排洪隧洞施工難度非常大，施工質(zhì)量及安全難以得到保證，工期也比較長，對企業(yè)生產(chǎn)會造成一定的影響；排水井在運行過程中需要根據(jù)庫內(nèi)排尾以及水位情況人工去操作增加或拆卸蓋板，運行管理復(fù)雜且不方便；采用分區(qū)獨立排洪所需的排洪隧洞斷面較大，總長超700 m，全斷面襯砌，并考慮到在已排尾砂的庫內(nèi)施工排水井措施費用高，總的工程造價明顯高于采用階梯式排洪新建兩座溢洪道。從排洪安全、施工難度及工期、運行管理以及工程造價等方面分析，再考慮到該尾礦庫是礦山企業(yè)正在使用的唯一尾礦庫，施工過程中不能影響企業(yè)生產(chǎn)，綜合以上，推薦方案一即采用階梯式排洪方式，分別在庫內(nèi)新建模袋壩上和已有尾礦壩肩設(shè)置溢洪道。

2.3 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計

在推薦的排洪方案中，需要在尾礦庫內(nèi)新建永久性溢洪道，以滿足逐級聯(lián)合排水要求。由于溢洪道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通常的做法是考慮開挖山體作為基礎(chǔ)再現(xiàn)澆鋼筋混凝土形成溢洪道，但本尾礦庫擴容，為提高有效庫容，溢洪道采用寬淺式，斷面寬度達(dá)35 m，這樣開挖量非常大且現(xiàn)場地形條件很難滿足，因此，設(shè)計考慮將溢洪道設(shè)置在模袋壩上。但由于模袋壩是采用庫內(nèi)的尾砂充填模袋形成的柔性壩體，壩基為尾砂面，沉降變形特別是初期相對比較大，如果采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計容易產(chǎn)生開裂，為此，需要對溢洪道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，考慮將常規(guī)的溢洪道整體結(jié)構(gòu)設(shè)計成多個Z型板，Z型板間根據(jù)自身結(jié)構(gòu)上下進(jìn)行自由搭接，并采用止水帶水平固定連接。該溢洪道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度小，自身強度高，適應(yīng)變形能力強，具有良好的應(yīng)用效果。中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司針對該溢洪道結(jié)構(gòu)已申請了《一種尾砂充填模袋筑壩溢洪道裝置》實用新型專利［13］。該尾礦庫擴容工程現(xiàn)已竣工驗收投入使用多年，目前尾礦庫排洪正常，庫內(nèi)模袋壩上的永久溢洪道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)大的開裂，運行正常。圖1為模袋壩上設(shè)置的溢洪道剖面圖，圖2為模袋壩上設(shè)置的溢洪道使用效果。

圖1 模袋壩上設(shè)置的溢洪道剖面圖Fig.1 Profile of spillway set on geofabriform dam

圖2 模袋壩上設(shè)置的溢洪道使用效果Fig.2 Using effect of spillway set on geofabriform dam

3 結(jié)論

在進(jìn)行尾礦庫擴容工程設(shè)計時，需要結(jié)合擴容方案、現(xiàn)有排洪方式以及施工工期等多因素綜合考慮，因地制宜地提出安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的排洪方式。對于采用模袋筑壩的階梯式排洪方式，在模袋壩上設(shè)置溢洪道，可避免開挖山體及占地等問題。溢洪道采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計適應(yīng)壩體沉降變形，解決了模袋壩上設(shè)置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溢洪道容易出現(xiàn)開裂的問題，為礦山企業(yè)贏得了尾礦庫擴容的時間和效益，創(chuàng)造了實實在在的價值，具有推廣的意義。