上游式尾矿堆积坝坝面排水系统的重要性

卢建京，祝华

(1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌330038；2.河源市紫金天鸥矿业有限公司，广东河源517400)

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所[1]。尾矿库作为矿山选矿厂生产不可缺少的设施之一，是矿山企业最大的环境保护工程项目，可以防止尾矿向江、河、湖、海、沙漠及草原等处任意排放。上游式尾矿坝由于工艺简单、经济，是我国矿山企业尾矿库工程普遍采用的传统坝型，占我国有色金属矿山尾矿坝的80%左右[2]。但该类型的尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流，一旦发生坍塌，容易造成重大、特别重大事故，因此加强上游式尾矿坝各种安全问题的研究具有重要的意义。

围绕上游式尾矿库的设计、施工及生产运营的安全保障问题，业内的关注重点集中在尾矿堆积坝坝体稳定和库区排洪安全两个方面[3]。然而，在尾矿库整个运行系统中，尾矿堆积坝坝面排水系统、排渗系统、观测系统、尾矿排放系统等[4]也值得关注，尤其是一些高堆积坝的尾矿库，其坝面排水系统直接关系到整个尾矿库安危。本文拟结合某矿山尾矿库从设计到运行过程中具体情况，对上游式尾矿堆积坝坝面排水系统的重要性进行分析。

1 传统尾矿库坝面排水系统的布置

尾矿库设置坝面排水系统的主要作用是为了防止山坡和坝面雨水对堆积坝坝肩、坝面地冲刷，同时也为有效收集坝体内渗流出水。坝面排水系统一般由坝肩截水沟与坝面排水沟组成：1）坝肩截水沟沿堆积坝下游坡与两岸山坡结合处的山坡设置，用于拦截原始自然山体的雨水；2）坝面排水沟设置在堆积坝下游坝面上，用于收集坝面雨水和渗水，其中坝面排水沟分横沟和纵沟两种。

尾矿堆积坝的汇水面积普遍极小（通常不足0.1 km2），因此通常情况下不进行洪水计算。横沟沿马道内侧布置，纵沟每间隔50～100 m设置1条。坝面纵、横沟横断面均为矩形，常采用的断面大小为0.24 m×0.30 m。横沟和纵沟相互连通，形成坝面排水网，有效地将下游坝面的雨水和渗水排往下游。坝肩排水沟一般也采用矩形横断面，断面大小以0.50 m×0.5 m居多；采用C20轻型预制钢筋混凝土结构，每1～2 m设1节，每节接缝处只需M10水泥砂浆填塞即可，同时为防止雨水、渗流冲蚀及粉尘飞扬，在堆积坝坝坡上采用厚0.3 m的黏性土覆盖山坡，并植草绿化。一般上游式尾矿堆积坝坝面排水系统见图1。

图1 一般上游式尾矿堆积坝面排水系统

2 需要注意的问题

对于四、五等尾矿库而言，通常上游式尾矿库坝面排水系统汇水面积小，尽管各库的汇水面积有变化，但变化幅度不大，因此上述措施是可靠的。然而在进行尾矿库设计时很容易被忽视的是，上游式尾矿坝随着尾矿坝的上升，整个尾矿库的汇水面积也在发生变化。随着尾矿坝的上升，部分汇水从库区转入了堆积坝坝面，坝面排水系统承担的汇水面积在此过程中不断增大，而库内排洪系统所承担的汇水面积则不断缩小。当尾矿堆积坝达到一定的高度时，尾矿库汇水面积的分布会发生异常变化，导致尾矿堆积坝坝面排水系统必须重新规划。

尾矿库使用初期时，后期尾矿堆积坝尚未形成，因此更加容易忽略尾矿库汇水面积变化的问题。本文以某矿山尾矿库为例，阐述上游式尾矿堆积坝坝面排水系统的重要性，并提出解决方案。

3 某矿山尾矿库案例分析

3.1 基本情况

某铁矿尾矿坝由初期坝+堆积坝组成，总坝高为94.0 m，尾矿库总库容492.89×104m3，为二等库，主要构筑物为2级，次要构筑物为3级，临时构筑物为4级。尾矿库最小干滩长度不少于100 m，最小安全超高不小于1.0 m，洪水重现期为500年一遇。尾矿库汇水面积F＝0.84 km2。该矿尾矿粒径+0.076 mm的颗粒占43.77%，尾矿加权平均粒径dp＝0.063 mm。根据国内同类矿山尾矿筑坝经验，该尾矿能用于堆坝。由于当地石料较丰富，初期坝坝型采用碾压堆石坝。坝顶宽度取4.00 m，坝顶高程为280.0 m，初期坝建基面高程为260.0 m，坝高为19.00 m（地面以上），上游边坡1∶1.60，下游边坡1∶1.65，坝长为63.44 m。尾矿坝从280.0～354.0 m高程采用尾矿堆坝，尾矿堆积边坡为1∶4.5，每堆高5 m设一级马道，马道宽2.50 m，平均堆积边坡为1∶5.0。

尾矿库一、二期排洪系统均采用排水斜槽＋连接井＋排洪隧洞的形式，两期排洪系统考虑使用自然搭接。当尾矿堆积坝使用到高程291.0 m时，直接对一期排洪系统进行封堵，封堵材料选用钢筋混凝土及毛石混凝土。

1）一期排洪系统：（1）3格排水斜槽，每格净断面大小为1.50 m×2.00 m，采用钢筋混凝土结构。（2）一号连接井内径为6.30 m，外径为7.30 m，高为5.65 m，采用钢筋混凝土结构。（3）排洪隧洞为城门洞形，衬砌段净断面大小为2.00 m×2.50 m，进出口段各全断面衬砌长均为50.00 m，采用钢筋混凝土结构；中间段只对底板和侧墙衬砌，侧墙衬砌高度为0.60 m；底板及侧墙衬砌段净断面大小为2.60 m×3.00 m，采用素混凝土衬砌。

2）二期排洪系统：（1）3格排水斜槽，每格净断面1.50 m×2.00 m，采用钢筋混凝土结构。（2）二号连接井内径7.00 m，外径9.00 m，高6.50 m采用钢筋混凝土结构。（3）排洪隧洞为城门洞形，衬砌段净断面大小2.00 m×2.50 m，进口段衬砌长80.00 m，出口段衬砌长50.00 m，均采用钢筋混凝土结构；中间段只对底板和侧墙衬砌，侧墙衬砌高度0.60 m；底板及侧墙衬砌段净断面大小为2.60 m×3.00 m，采用素混凝土衬砌。

3.2 原坝面排水系统布置情况

设计人员在最初的规划中，已经注意到两侧山坡地形的复杂情况，对两侧坝肩排水沟排水进行了区别对待，其设置情况如下：1）左坝肩排水沟横断面为矩形，净断面为0.50 m×0.50 m。2）右坝肩排水沟横断面为矩形，净断面为1.00 m×1.00 m。3）坝面排水沟横沟沿马道内侧布置，纵坡坡度为1%，横沟横断面均为矩形，净断面为0.24 m×0.30 m。4）横沟和坝肩截水沟相互连通，形成坝面排水网，有效地将下游坝面的雨水和渗水排往下游。坝肩排水沟采用M7.5浆砌石结构，坝面沟采用M7.5混凝土砖砌，沟内侧均采用M10水泥砂浆抹面，厚2.00 cm。

图2 原尾矿堆积坝坝面排水系统布置

3.3 问题的发现

如前所述，尽管该尾矿库在设计时，已经对尾矿库汇水面积的变化有所关注，但是随着尾矿堆积坝逐年升高，发现对汇水面积的变化仍预估不足。在尾矿堆积高程约290.0 m时，经现场踏勘，发现尾矿库库区右侧存在一小支流，已经对尾矿堆积坝形成了冲刷，威胁坝体安全。通过详细计算，尾矿库运行初期，尾矿堆积坝坝面排水系统所承担的汇水区域不足0.01 km2，而库区汇水面积为0.84 km2，库区汇水全部汇集至库内排洪系统进行排泄（见图3）；当尾矿堆积坝堆存至315.0 m高程时，坝面排水系统所承担的汇水区域达0.31 km2，而库区汇水面积为0.53 km2（见图4）；当尾矿堆积坝堆存至354.0 m高程（最终堆积高程）时，坝面排水系统所承担的汇水区域将达到0.38 km2，而库区汇水面积为0.46 km2（见图5）。

图3 尾矿库运行初期汇水面积分布

图4 尾矿库堆积至315 m汇水面积分布

图5 尾矿库堆积至终期354 m汇水面积分布

由图3～图5可知，尾矿堆积坝坝面排水系统需要承担整个汇水面积的45%。因此必须对整个尾矿堆积坝坝面排水系统进行重新规划。

3.4 坝面排水系统的改造

根据对汇水面积的重新计算结果，同时考虑到右侧小支流的影响，结合矿山尾矿库已有的坝面排水设施，对坝面排水系统进行以下改造：1）库内山体右侧新建拦挡坝1座，坝顶高程为320.0 m，坝高为6.00 m，坝长为19.50 m，采用C10细石混凝土砌块石而成，库内设置侧槽式溢洪道与截洪沟相连；2）沿右侧堆积坝与山体相交处设置坝肩截水沟，净断面大小为2.00 m×2.00 m，截水沟总长527.80 m。改造后的坝面排水系统改造平面布置，见图6。

图6 坝面排水系统改造平面布置

该排水设施（拦挡坝+坝肩截水沟）在尾矿库堆积坝使用至300.0 m高程之前完成了建设。按照500年一遇的洪水标准重新进行洪水计算，该套设施可以满足矿山500年一遇的洪水标准。此次对尾矿堆积坝坝面排水系统改造，从根本上消除了该尾矿库汇水面积发生异常变化的引起的安全事故隐患，计算结果见表1。

表1 坝面排水系统改造后各区域泄流计算

4 结语

1）采用上游式尾矿筑坝的尾矿库，堆积坝坝面排水系统的设计应受到重视。

2）进行尾矿库设计时，关注堆积坝坝面与库区内的汇水面积的异常变化问题，对洪水汇入尾矿堆积坝坝面排水系统进行提前统筹规划，采取针对性的措施，得到最优解决方案。

3）对于已投入运行的尾矿库，要特别注意随着尾砂堆积坝的上升，库区有无形成集中汇流的小支沟。当发现尾矿库存在汇水面积异常变化问题时，应单独对尾矿堆积坝坝面排水系统进行洪水计算，根据具体项目选择不同的防洪标准。

4）堆积坝坝肩截水沟拦截的洪水，不宜通过初期坝坝前排水沟下泄，而应设置新的明渠排泄，以防冲击初期坝。

5）汇水面积异常变化虽然增加了尾矿堆积坝坝面排水系统的投资建设，但库区排洪设施的建设投资也相应减少了。