閉庫尾礦庫的排洪系統(tǒng)整治研究

孫會東

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006）

0 引言

目前，我國共有尾礦庫近8 000 座[1，2]，總量居世界第一。伴隨著大量尾礦庫逐漸達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，在建設(shè)新尾礦庫時，需要對已達(dá)到設(shè)計標(biāo)高的尾礦庫進(jìn)行閉庫。根據(jù)《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》[3]要求，運行到設(shè)計最終標(biāo)高或者不再進(jìn)行排尾作業(yè)的尾礦庫，應(yīng)當(dāng)在一年內(nèi)完成閉庫。另外，我國尾礦庫中“頭頂庫”（尾礦庫下游1 km 范圍內(nèi)有居民或重要設(shè)施）眾多，截至2020年，全國共有“頭頂庫”1 112 座[1，2]，閉庫治理作為化解“頭頂庫”安全風(fēng)險的有效措施，在“頭頂庫”治理中被較多地采用。排洪系統(tǒng)整治作為尾礦庫閉庫的重要環(huán)節(jié)，對保證閉庫尾礦庫的安全穩(wěn)定具有重要意義。沈樓燕[4]對尾礦庫排洪系統(tǒng)的形式選擇進(jìn)行研究，認(rèn)為尾礦庫閉庫后，管理力度較生產(chǎn)時小，隱蔽形式的井-管式排洪系統(tǒng)容易堵塞，不便于管理，建議閉庫后的排洪設(shè)施應(yīng)首選溢洪道式的地表排洪構(gòu)筑物。沃廷樞等[5-10]對尾礦庫排水系統(tǒng)的類型進(jìn)行歸納總結(jié)，認(rèn)為排水系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)排水量、地形地質(zhì)條件、使用要求、施工條件等因素綜合確定，排水系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、經(jīng)濟耐用、方便管理。

當(dāng)前對閉庫尾礦庫排洪系統(tǒng)治理的研究以定性為主，對不同地形、不同建設(shè)條件下的尾礦庫尚無針對性的處理措施。

1 排洪系統(tǒng)整治方式

1.1 概述

根據(jù)GB 39496-2020《尾礦庫安全規(guī)程》[8]要求，尾礦庫閉庫設(shè)計應(yīng)包含生產(chǎn)安全事故隱患的治理。排洪系統(tǒng)治理作為尾礦庫閉庫的重要環(huán)節(jié)，主要步驟：1）復(fù)核原有排洪系統(tǒng)的防洪能力，復(fù)核應(yīng)采用規(guī)范要求的防洪標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)防洪能力不足時，應(yīng)采取新建排洪系統(tǒng)或增大調(diào)洪庫容等工程措施；2）復(fù)核原有排洪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，當(dāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足要求時，應(yīng)考慮加固的可能性，必要時新建排洪系統(tǒng)。

繼續(xù)利用原有排洪系統(tǒng)，雖然可以節(jié)約成本，使資源利用最大化，但是進(jìn)入閉庫階段的尾礦庫多數(shù)已經(jīng)運行多年，排洪系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)磨損和破壞，還可能存在尺寸偏小、淤堵、地基軟弱等問題。因此，在閉庫工程中新建排洪系統(tǒng)較為常見。

1.2 新建排洪系統(tǒng)的方式

1.2.1 溢洪道式排洪

新建溢洪道式排洪是排洪系統(tǒng)整治常見的處理方式，具有安全性高、過流能力大、庫內(nèi)不積水、便于施工、便于后期維護等優(yōu)勢。新建的溢洪道通常位于尾礦壩的中部或壩肩，庫內(nèi)降水經(jīng)灘面匯流至溢洪道，最終引至下游溝谷。但溢洪道排洪需要改變原有灘面的坡向，土方量較大，不適用于灘面地基軟弱或土料運輸困難的尾礦庫。

1.2.2 井-管式排洪

新建井-管式排洪常用于庫內(nèi)匯流面積不大、灘面存在軟弱地基的尾礦庫。新建的排水井位于庫區(qū)中部，排水井底部連接排水管，庫內(nèi)段排水管在灘面上建設(shè)，庫外段排水管沿壩體外坡建設(shè)，排水管最終接入下游溝谷。井-管式排洪不改變原有灘面坡向，土方量較小，且排水系統(tǒng)內(nèi)的水流流態(tài)較好，不容易產(chǎn)生沖刷破壞。但井-管式排洪的過流能力較小，需在庫內(nèi)留有足夠的調(diào)洪庫容；庫內(nèi)易積水，不利于土地的再利用。

1.2.3 隧洞式排洪

新建隧洞式排洪適用于尾礦庫下游存在重要設(shè)施或同一溝谷內(nèi)存在2 座及以上尾礦庫的情形。新建的隧洞需要在合適的位置穿越山體，將庫內(nèi)匯水引至相鄰的溝谷。隧洞式排洪可以保護下游的重要設(shè)施，過流能力較大，安全性較高。但隧洞式排洪的投資高，施工難度大、周期長，且隧洞式排洪改變了水流的原始排泄路徑，需要論證洪水排放對相鄰溝谷的影響。

2 新建溢洪道式排洪系統(tǒng)算例

新建溢洪道式排洪系統(tǒng)在尾礦庫閉庫中廣泛應(yīng)用，本文以河南省頭道溝赤泥庫為例，通過洪水計算、泄流能力計算、消能防沖計算對溢洪道式排洪系統(tǒng)的安全性進(jìn)行論證。

2.1 工程概況

河南省頭道溝赤泥庫屬于Ⅲ等庫，總壩高為99.00 m，總庫容約為2 615 萬m3，壩體級別為3 級，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇洪水，壩體綜合外坡比為1∶2.5。庫區(qū)分為Ⅰ區(qū)（南側(cè)）和Ⅱ區(qū)（北側(cè)），兩個庫區(qū)通過分隔壩隔開，且相互獨立，匯水面積分別為23.7，29.8 萬m2。目前，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)均通過各自的井-管式排水系統(tǒng)獨立排洪。Ⅰ區(qū)的排水井采用窗口式鋼井，內(nèi)徑0.80 m，井壁每排開設(shè)4個排水窗口，窗口內(nèi)徑0.20 m，排距0.50 m；Ⅱ區(qū)的排水井采用窗口式鋼井，內(nèi)徑0.50 m，井壁每排開設(shè)2 個排水窗口，窗口內(nèi)徑0.20 m，排距0.30 m；Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的排水管直徑均為1.00 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 排洪系統(tǒng)整治

由于原有的排水井和排水管直徑偏小，泄流能力不足，排洪設(shè)施的尺寸及目前的防洪標(biāo)準(zhǔn)均不滿足規(guī)范要求，且排水管已被深厚的尾礦層覆蓋，無法改造和利用，因此，需要將原有的排水井和排水管的出入口用C30 混凝土灌實封堵，然后新建溢洪道式排洪系統(tǒng)。

Ⅰ區(qū)新建排洪系統(tǒng)：在Ⅰ區(qū)的庫內(nèi)建設(shè)導(dǎo)流溝收集庫內(nèi)匯水，導(dǎo)流溝與排洪溝相連，排洪溝接入溢洪道，最終將水排入下游溝槽中。溢洪道由進(jìn)水口、陡坡、消力池、跌水等構(gòu)筑物組成。導(dǎo)流溝間隔100.00 m 設(shè)置1 道，坡度不小于0.14%，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，斷面形式為矩形，尺寸為0.60 m×0.30 m（寬×深，下同）。排洪溝共1道，縱坡不小于0.1%，坡向溢洪道，斷面形式為梯形，尺寸為10.00 mm×（0.95～5.50 m），溝兩側(cè)坡比1∶2，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。排洪溝與溢洪道采用渠道連接，排洪溝的末端尺寸即為進(jìn)水口的尺寸。溢洪道陡坡的斷面形式為矩形，尺寸為10.00 m×1.30 m，坡比同壩坡，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。溢洪道共包括3 段陡坡、1 處跌水，陡坡段的高度分別為32.80，10.30，44.40 m。每個陡坡的末端設(shè)置1處消力池，尺寸為13.00 m×10.00 m×1.50 m（長×寬×深，下同）。消力池末端設(shè)置1 處跌水，尺寸為14.00 m×10.00 m×4.50 m。Ⅰ區(qū)新建排洪系統(tǒng)縱剖圖見圖1。

圖1 Ⅰ區(qū)新建排洪系統(tǒng)縱剖圖（單位：m）

Ⅱ區(qū)新建排洪系統(tǒng)：在Ⅱ區(qū)的庫內(nèi)建設(shè)導(dǎo)流溝收集庫內(nèi)匯水，導(dǎo)流溝接入排洪溝，然后通過溢洪道排入上游的隧洞內(nèi)，再通過上游的隧洞接入相鄰的溝谷。導(dǎo)流溝斷面尺寸和結(jié)構(gòu)形式同Ⅰ區(qū)。排洪溝的斷面形式為梯形，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為10.00 m×（1.00～2.90 m），縱坡不小于0.1%，溝兩側(cè)坡比為1∶2。溢洪道包括1 段陡坡，高度為25.30 m，結(jié)構(gòu)形式和尺寸同Ⅰ區(qū)；陡坡的末端設(shè)置1個消力池，尺寸為12.00 m×10.00 m×1.50 m。

2.3 洪水計算

洪水計算按《河南省暴雨參數(shù)圖集》（2005年版）給出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，主要結(jié)果包括洪峰流量、洪水總量，暴雨計算參數(shù)見表1，水文計算結(jié)果見表2。

表1 暴雨計算參數(shù)

表2 水文計算結(jié)果

洪峰流量Qp及24 h 洪水總量W24P按照《尾礦庫手冊》[6]推薦的簡化推理公式計算：

式中：φp為徑流系數(shù)；Sp為暴雨雨力；F為匯水面積；τp為流域匯流時間；np為暴雨遞減指數(shù)；μ為入滲率，L為主河槽長度；m為匯流參數(shù)；J為主河槽平均坡降；R24為24 h 徑雨深。

2.4 排洪系統(tǒng)泄流能力計算

2.4.1 排洪溝

排洪溝按明渠水流進(jìn)行計算，其泄流能力計算公式：

式中：Q為泄流量；C為謝才系數(shù)；A為過流面積；R為水力半徑；J為排洪溝底坡。排洪溝泄流能力計算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知，該工程排洪溝的設(shè)計泄流量大于洪峰流量，且安全超高滿足規(guī)范要求。

表3 排洪溝泄流能力計算

2.4.2 溢洪道

1）進(jìn)水口水力計算

當(dāng)陡坡與上游寬頂堰或渠道連接時，可將連接點以下3hk（hk為臨界水深）處作為陡坡水面線的起始計算斷面，該斷面的水深h1作為起點水深，h1=0.6hk。臨界水深hk計算公式：

式中：AK為根據(jù)臨界水深hk計算的過流面積；BK為進(jìn)水口的頂面寬度；α為流量系數(shù)，取1.0。

臨界水深的求解采用試算法，當(dāng)給定流量Q和斷面形狀后，等式左側(cè)的為定值，假設(shè)水深為h，等式右端算出與之對應(yīng)的，當(dāng)?shù)仁降淖蠖说扔谟叶藭r，與之對應(yīng)的水深即為臨界水深hk。進(jìn)水口水力計算見表4。

表4 進(jìn)水口水力計算

根據(jù)表4可知，工程進(jìn)水口的設(shè)計泄流量大于洪峰流量，且安全超高滿足規(guī)范要求。

2）陡坡水力計算

陡坡的水面線計算采用明渠恒定漸變流方程，其差分方程：

式中：hi+1，hi分別為下游、上游水深；Ai+1，Ai為下游、上游斷面的面積；△s為上下游斷面間距；i為渠道的底坡；為水力坡降；n為糙率；Ri+1，Ri分別為下游、上游斷面的水力半徑。

水面線計算采用分段求和法，即從上游起始水深h1開始，按一定的變化幅度遞減水深值，假設(shè)水深為h2，從而求出△s；根據(jù)逐段計算的結(jié)果可以求出陡坡的水面線，且需對水面線進(jìn)行摻氣修正。陡坡段水流摻氣水深按下式計算：

式中：hb為計入摻氣影響的水深；ζ為修正系數(shù)，取1.0～1.4 s/m；v為不計摻氣影響的陡坡計算斷面流速；h為不計摻氣影響的水深。陡坡泄流能力計算結(jié)果見表5。

表5 陡坡泄流能力計算

根據(jù)表5可知，工程陡坡的設(shè)計泄流量大于洪峰流量，且安全超高滿足規(guī)范要求。

2.4.3 消能防沖計算

1）陡坡消力池計算，當(dāng)已知上游渠道的設(shè)計流量Q和相應(yīng)的下游水深后，可以利用下列公式聯(lián)解得出消力池深度s：

式中：hc為陡坡末端收縮水深；h″c為hc的共軛水深；q為單寬流量；E0為上游總水頭；σ為安全系數(shù)，取1.05～1.10；ht為下游渠道正常水深；△z為消力池出口水面落差。

消力池長度ls的計算公式：

消力池計算結(jié)果見表6。根據(jù)表6可知，消力池的實際深度和長度均大于計算值，消能防沖能夠滿足要求。

表6 消力池計算

2）跌水計算

工程第三級陡坡的消力池與下游之間存在4.50 m的高差，需要設(shè)通過跌水進(jìn)行水流銜接，見圖2。圖2中，P為跌水高度；h為入口水深；ht為出口水深；收縮水深hc=0.54D0.425P；躍后水深h″c=1.66D0.27P；水舌后水深hp=D0.22P；跌落水舌長度ld=4.3D0.27P，，其中，q為單寬流量；水躍長度lj=6.9(h″c-hc)；消力池深s=h″c-ht；消力池長ls=ld+0.8lj。跌水段計算結(jié)果見表7。

圖2 跌水段示意圖

表7 跌水段計算

根據(jù)表7可知，跌水的實際深度和長度均大于計算值，跌水的消能防沖能夠滿足要求。

綜上所述，頭道溝赤泥庫通過新建排洪溝、溢洪道、消能設(shè)施，計算頻率下的洪水能夠安全地疏導(dǎo)至下游，排洪設(shè)施能夠滿足泄流要求和消能防沖要求，保證庫區(qū)的防洪安全。

3 結(jié)語

進(jìn)入閉庫階段的尾礦庫多數(shù)已經(jīng)運行多年，排洪系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)磨損和破壞，還可能存在尺寸偏小、淤堵、地基軟弱等問題，在閉庫工程中通常新建排洪系統(tǒng)，常用的排洪方式為溢洪道式排洪。通過上文的計算分析，對河南省頭道溝赤泥庫排洪設(shè)施的安全性進(jìn)行了論證，結(jié)果表明，溢洪道式排洪系統(tǒng)可以保證尾礦庫閉庫后的防洪安全，可為今后的尾礦庫排洪系統(tǒng)整治提供參考借鑒。