尾矿库排水井盖板失事的原因及对策

刘瀚和，赵自越

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

我国作为一个矿业大国，伴随着矿产资源开发产生了大量尾矿库。据统计，截止到2012年底，全国共有尾矿库12 273座[1]。尾矿库作为一种必要的尾矿堆存处置措施，也是重大危险源。一般尾矿中含有大量的重金属危害元素，一旦产生泄露或溃坝，尾矿及库内废水将排入下游，将对下游环境及人民生命财产造成严重危害。据不完全统计，将近20%的尾矿库事故是由于洪水导致，主要原因包括排水泄流设施发生故障或损坏等[2]。

我国大多数尾矿库采用上游式堆积筑坝型式，由于其排水系统进水口需随着坝体上升而逐渐提高，因而常采用排水井或斜槽作为进水构筑物。其中排水井由于进水能力较强越来越多被采用。但近年来，随着众多尾矿库使用到后期，陆续发生了多起排水井盖板失事事故。本文通过2个典型案例，对排水井盖板失事原因进行扩展分析，进而提出系统的解决对策。

1 盖板失事案例

从笔者所接触的盖板失事案例来看，以下2个案例具有典型代表意义。

1988年6月19～23日，东乡铜矿尾矿库排水井盖板断裂，导致泄漏尾砂约55 000 m3，外排尾矿水约6 000 m3，冲刷山坡泥石约6 000 m3，致使农田44.76 hm2、鱼塘1.47 hm2和7条灌溉渠道被污染。后期分析，排洪井盖板失事的直接原因是矿方设计有误，盖板受力未能实现双铰拱环形受压状态，且配筋有误；间接原因是施工质量差原因[3]。

2015年11月23日晚，甘肃省陇南市西和县甘肃陇星锑业有限责任公司选矿厂尾矿库排水井水面下约6 m处的拱圈盖板破裂，导致溢流井周围尾矿浆流入太石河。此次事件有25 000 m3的尾矿及尾矿水泄漏，直接经济损失6 120.79万元。事件还造成了甘肃省西和县至四川省广元市境内346 km河道锑浓度超标，导致甘肃、陕西、四川3省10.8万人供水受到影响。后期分析，该事故盖板失事的直接原因是排水井拱板与立柱之间较大缝隙未合理填塞，导致排水井拱板未形成双铰拱环形受压状态；间接原因有施工质量差等原因[4]。

2 失事原因分析

一般而言，框架式排水井高15~24 m，盖板高度一般为30 cm。对于常见的外径为3 m尺寸排水井，其有6柱，在使用年限内将有300~480块盖板投入使用。一座排水井从设计、施工、投入使用到后期封堵，一般运行时间短则3~5年，长则达10年以上，在这期间，任何一块盖板失事，都将导致泄漏，且事故的发生往往是由很多原因促成的。排水井盖板失事的前期主要包括设计过程、施工过程、管理过程。这3个过程的主要参与方如自身出现失误，或者在系统衔接上出现漏洞，都有可能导致事故的发生。下文从这3个过程的主体入手进行盖板失事原因分析。

2.1 设计因素

分析上述2个典型事故案例原因，主要是由于盖板未能实现双铰拱环形受压状态，导致在盖板受到尾砂及水的压力时，其中间受到弯矩的作用拉裂，进而折断。图1为典型1座外径3 m的典型排水井平面图。图2为典型盖板受力图。

图1 典型排水井平面

图2 典型盖板受力图

由图1可知，排水井由6根立柱和圈梁组成，外面设置盖板。盖板两端与立柱突出部分垂直，当收到均匀环向外压时，盖板通过立柱传递力，实现环向整体受力。根据计算，在此工况下，盖板呈现理想的双脚拱受力情况，仅受轴向压力作用，而不存在弯矩及剪力的作用[5-6]。根据测算，30 m的尾砂及水压力条件下，盖板可采用C20钢筋混凝土结构，其厚度取10 cm，配筋只要满足最小配筋率要求即可。

由图2可知，当立柱突出部分或者盖板两端不垂直，则盖板受力状态不再是环形受压，而会出现类似梁的受力情况，从而出现弯矩受力情况。此时，按照上述配筋及结构尺寸做的盖板，其抵挡荷载能力大大降低，甚至仅能抵挡不到5 m高的尾砂和水压力。这也是上述案例出现事故时，其尾砂和水的压力荷载远没有达到设计工况的主要原因。根据此情况，设计只要按照几何尺寸设计，并进行结构计算，盖板安全是有保障的。

2.2 施工因素

盖板一般采用钢筋混凝土预制结构，早期浇筑时常采用木模，施工质量不高。近年来随着钢模的普遍使用，盖板施工质量有所提升。盖板施工主要存在以下问题：1）盖板几何尺寸不满足要求。有些盖板的两端没有严格按照设计来施工，呈现尖角状。根据设计工况，此类盖板放置于排水井时，不能起到拱的作用，容易出事。2）混凝土的质量达不到设计要求。施工单位不注重混凝土试验，配合比、水灰比、骨料质量等未严格把关，均可能导致混凝土质量强度不满足要求。当作业完成后未能及时养护，也可能导致混凝土强度不能满足要求。3）施工作业不规范。在立模时，未能考虑到浇筑和振捣时的力而导致脱模；在钢筋放置时，未严格按照设计要求做到混凝土保护层厚度；在浇筑时，振捣不足或过振导致蜂窝、麻面、沟洞严重，结构强度不能满足要求。上述3个主要因素均可能导致盖板质量不满足设计要求，不能服务至排水井封堵时间。其中，第（1）条因素，是最容易忽视，也是最容易出现失事的情况。

2.3 管理因素

排水井服务周期较长，后期运营管理时基本由矿方组织生产人员进行盖板安装。管理主要存在以下问题：1）安全意识不强。多数尾矿操作工并不具备对尾矿库、排水井等重要设施的安全意识。对于盖板安装，认为只要当时安装上去，就没问题了。2）对盖板安装要求不了解。安装前对盖板质量没有进行认真核实，对盖板几何尺寸不达标或者多年露天放置而出现混凝土表面碳化的盖板，以及存在漏筋情况的盖板均不以为然。在排水井安装盖板时，多为水上作业，安装时不注意用水泥砂浆填塞，有的用麻丝，甚至用小石块填塞缝隙即完成安装任务。

2.4 综合分析

综合分析上述3个因素，结合现有尾矿库的实际运行情况，多数呈现施工质量不达标，安装时不注意细节等情况。当出现几何尺寸不达标或者安装时填塞不好时，会导致盖板受力不能呈现完整的双脚拱环形受压情况，此时危险最大，应坚决杜绝。另外，3个因素中的任何因素的脱节，都会导致事故的发生。

3 解决对策

根据盖板失事原因分析，本文从设计方、施工方、管理方3个方面提出建议，以此来提高盖板运行安全的可靠度。

3.1 设计方建议

设计方建议包括：1）施工图明确。设计人员在施工图设计时，要对盖板内外半径、弧长标注清楚，对立柱突出部分的角度也需明确，务必确保盖板两端与立柱突出处几何上呈垂直状态。2）注重施工交底。在施工图施工交底时，要明确排水井系统（盖板）的重要性。鉴于现有施工技术的发展，建议设计提出盖板施工时采用钢膜，并对外观尺寸要求、混凝土标号、钢筋保护层厚度强调说明。3）注重安全管理要求的叙述。设计人员在施工图的安全管理图纸中，要明确排水井盖板的安装要求，并重点交代矿方尾矿库管理人员。为便于矿方尾矿库管理人员安装盖板，建议在每个立柱外侧设置钢筋，便于安装时用力。4）注重验收程序。尾矿库排洪系统竣工验收时，对盖板的几何尺寸、表面质量、混凝土标号验证记录等进行着重查看。若有不达标，坚决要求废弃。

3.2 施工方建议

施工方在预制盖板时，首先要认真理解设计图纸要求，并按照规范程序进行施工作业。具体建议包括：1）盖板预制时要求采用钢模浇筑，确保几何尺寸达到设计要求。考虑模板支撑时，必须保证模板的变形要求，架力牢靠，不能在浇筑时跑模或变形过大。浇筑前要涂抹脱模剂。2）重视混凝土试验。在实施浇筑前完成混凝土试验，以控制好原材料、水灰比、砂率、骨料级配、塌落度指标。3）重视各环节细节要求。盖板施工包括架设钢筋、支模板、浇筑、养护等工序。钢筋必须按照设计的直径和位置架设，在架设时确保保护层厚度达标。混凝土浇筑时，认真振捣，不得漏振或过振。浇筑完成后必须保持一定强度后再拆模，拆模过早则容易引起裂缝。脱模后，必须加强养护，严防因暴晒失水，降低混凝土的强度和防渗、抗冻能力。4）必要时按照盖板数量预留1.1~1.2倍的富余。由于盖板使用时间较长，难以确保每块盖板在后期仍能满足设计要求。因此，建议施工时预留一些富余，防止当盖板不够用时，矿方使用临时队伍浇筑的质量不达标的盖板。

3.3 管理方建议

尾矿库管理人员主要负责盖板的安装作业。几百块盖板的安装，任何一块盖板安装不合理，均可能导致尾砂泄露事故的发生，因此管理人员应首先在思想上重视起来。针对管理方的建议有：1）落实设计方的安装盖板要求，对安装人员进行培训上岗。2）安装时重点把关。安装盖板前，要检查盖板是否满足要求，几何尺寸是否达标。如果出现漏筋、蜂窝麻面较多的情况，坚决不能再用。3）重视最后一道施工工序。盖板安装时，首先要将盖板放置在合理位置，两端与立柱突出部分呈垂直状态，然后对缝隙进行砂浆填实。4）对暂时不用的盖板进行保护。由于盖板使用期限较长，有条件的情况下，可以将盖板放置于尾矿库管理车间。没有条件时，可采用防雨棚等对盖板进行防雨保护。

4 结语

排水井盖板的安全是一个系统问题，设计过程、施工过程、管理过程的各参与方为盖板安全的利益共同体，需按照各自的要求把好关。设计方在技术把控上，应担当起对盖板施工和管理安装需符合双脚拱环形受压的设计工况的要求上，注重施工交底。施工方须严格按照设计方的要求执行到位，使盖板质量达标。管理方应重视排水井盖板的重要性，注重细节把控，确保盖板安装后能达到设计运行工况。