某尾矿库工程排洪方案研究

李 斌

尾矿库作为矿山的一个重要的设施，是用来贮存金属或者非金属矿山所排出的尾矿、其他废渣的场所，是通过筑坝拦截河谷、围地等而构成的。在我们国家，尾矿库通常都是采取湿法排放或者上游式筑坝等，所以在库区的尾部，通常都会出现相应的一片澄清的水域。但是重要的地方在于在上游通常也都会有一定的、较大的汇水面积。对此情况如若不高度重视，不采用相关的措施，那么，这些汇水一旦进入到了库区，就会造成库区的水位急剧上升以及尾矿库的沉积滩变短等等。这样一来，一旦到达一定的程度，就会使得矿坝发生事故，像是洪水漫顶或者渗流破坏等等。一旦发生这样的事故，就将会对位于尾矿库下游的人民的生命、财产等产生严重的危害。不仅如此，这样的事故对环境也会严重的污染。根据相关的研究统计，在我国，尾矿库的事故中，因为洪水漫顶造成的尾矿库事故占到将近45%，因为排洪系统造成的尾矿库事故占了将近34%。防洪排洪的安全一直是视作矿山的生命线，所以，在尾矿库的建设与运行中，排洪工作是一项十分重要的工作，需要高度重视，否则一旦发生事故，后果不堪设想。那么，如何做好尾矿库的防洪排洪工作呢？本文以某尾矿库为例，分析研究尾矿库中排洪设施的布置及相关的结构设计，以期能够为同行借鉴参考，同时抛砖引玉，让大家能够更广泛的讨论，以激发出更多好的方案。

1 尾矿库概况

该尾矿库属于一个中型工程，为三等，其位置在一主干系的支流河流上，并且还涉及到一个国家自然保护区的实验区。该尾矿库的总库容是4940 万立方米，其中调洪库容是125 万立方米，兴利库容是3520 万立方米，死库容是1295 万立方米，该尾矿库的主要挡水设施是一个砂砾石坝。该大坝的最大坝高是81.4 米。泄水设施则主要包含溢洪道、导流洞、泄洪排沙。该尾矿库的主要设施如溢洪道、大坝、泄洪排沙兼导流洞等是按100 年一遇洪水标准进行的设计，其洪峰流量是530 立方米每秒。校核是200年一遇洪水，其洪峰流量是950 立方米每秒。施工期的临时度汛洪水是按100 年一遇洪水，红梗流量是530 立方米每秒，该尾矿库的大坝平面布置示意图请见图1。

图1 尾矿库大坝平面布置示意图

2 泄洪设施的布置

该尾矿库的坝址的右岸牵扯到了一个国家自然保护区的实验区，以及一个国家天然林保护区。并且大坝坝址所在位置是一个辽阔的不对称“U”字形峡谷。该峡谷左岸有些弯曲，右岸则是比较顺直。该峡谷右岸的条件不适宜修建泄洪设施，所以，综合考虑交通、地形和地貌等因素，决定泄洪设施均在左岸修建。

2.1 布置溢洪道

方案有溢洪道方案、溢洪洞方案两个方案，它们之间的对比，可以见表1。

表1 溢洪道方案、溢洪洞方案分析对比表

由上表可知，最终决定布置的方案采用岸坡式溢洪道方案，根据该方案布置溢洪道在左岸，紧靠着左坝肩。其组成部分包括泄槽段、引渠段、控制段、出口挑流消能段。并且在引渠段设置弯道，以便可以绕开左坝肩，把洪水排入到下游的河道。溢洪道的出口在山洪沟道的沟口，其轴线跟河道成30 度的夹角。

2.2 布置泄洪排沙兼导流洞

考虑到泄洪排沙兼导流洞既要排沙泄洪又要放空尾矿库，以及施工导流度汛，所以它的洞轴线高程、洞进口都比较低，所以，在左右两岸，它都可以布置在基岩之中，但是右岸比较陡峭，虽河岸比较的顺直，阶地却高出河床130 米，不适宜洞进口在此进行布置。左岸虽河岸是比较弯的，却比较适宜布置进口设施且其比较易进水。所以最终决定选择左岸布置泄洪排沙兼导流洞。

3 设计泄水设施的体型

3.1 溢洪道

溢洪道采取了开敞式的溢洪道，长度共543.22 米，泄量最大为521.46 米，组成部分包括泄槽段、控制段、出口挑流消能段、引渠段等。

3.1.1 结构设计的重点

（1）挖掘的深度比较大，最深的地方可以挖到42 米。挖掘形成的高边坡其所需的加固处理措施、稳定性是需要做好的重点。

（2）由于在左岸没有天然形成的垭口，坝轴线与岸线又几乎呈垂直。所以让溢洪道绕开坝肩是比较有难度的。

（3）进水渠、泄槽挡墙都比较高，所以如何选择挡墙结构对工程的安全来讲是需重点考虑的地方。

（4）在工程中，控制段有一部分是在洪积砾石土中，这一片的地基，结构都比较松散，所以该处的持力效果也比较差、抗冲刷、抗滑的性能都比较低，对于这样的情况，提高泄槽段的抗滑力、闸基的承载能力是重点，同时，做好控制段的截渗也是一个非常重要的方法，这些都需要重点考虑。

（5）在坝线下游的地方，该地左侧有一个沟道，该沟道的沟口处于下游处坝脚的位置，其与溢洪道的出口相距较近，需要重点注意，其会对大坝的整体安全构成一定的危害。

（6）工程中因为护坦段齿槽、挑流消力池它们比河道的水位要低些，那么，在挖掘的时候，会出现河水倒灌的现象，这个地方需要高度重视。并且溢洪道的出口与坝体的坝脚在下游的地方靠的比较近，所以，这样也会容易造成对坝脚、设施的破坏。

3.1.2 解决方案

（1）根据问题，经考虑，最后决定采取贴坡式挡墙、重力式挡墙+锚杆加固的结构。该结构可以很好地解决高挡墙的受力变形、稳定性等问题。并且这样的设计不会使得挡墙体型很大，可以较好地减轻工程的经济成本。进口引渠的左侧墙，高15 米，直接现浇钢筋混凝土贴坡式挡墙，其背部用锚杆定固，锚杆长三米，间距两米。控制段闸室至泄槽段，侧墙高度为四米至十八米，直接现浇钢筋混凝土衡重式挡墙。其背部、底板同样用锚杆定固，锚杆长三米，间距两米。

（2）对该问题的解决，经考虑，对进口引渠段运用直线段加弧段的方案。直线段长108.17 米，弧段长87.2 米。圆心角是103度，半径是51 米。

（3）经考虑，对岩石边坡采取现浇钢筋混凝土网格梁、混凝土预制块、锚杆进行防护的方案，其中锚杆的间距两米，长四米。对砂砾石边坡采取现浇钢筋混凝土网格梁、混凝土预制块的方案进行防护。并且与排水措施相结合以提高高边坡的稳定性。

（4）为了解决控制段的闸基所存在的渗透的问题，以及存在的承载力的问题，经过慎重的考虑，决定采取截渗墙、刺墙、固结灌浆相结合的技术以解决上述存在的问题。将截渗墙、刺墙设立于闸墩的两侧之处，并且于刺墙、闸基下设立帷幕灌浆，这一设立是要沿着坝体沥青心墙的中心线的，此为前提。具体的设置是将刺墙设立于闸的右侧，刺墙的底部连接的是心墙的基座，刺墙的端部则连接的是沥青心墙，刺墙是与控制闸进行的整体的设计。刺墙设计的高度是12 米，刺墙的厚度设计的是3.3 米。将刺墙设计完后，则设计将截渗墙设立于控制闸的左侧之处，截渗墙是用现浇的钢筋混凝土进行浇筑而成的。截渗墙的高度设计的为12 米，截渗墙的墙顶设计的厚度是1 米，墙底的厚度则设计的为3.3 米。需要知晓的是刺墙、截渗墙的中心线皆是沥青心墙的中心线。

在进行固结灌浆的时候，是在闸基的基础范围内进行，布置的时候是按梅花形进行的，其深度为5 米。固结灌浆的间距与排距皆是3 米。为了解决泄槽的抗冲刷、抗滑能力比较差的问题，经慎重的考虑，将泄槽每隔15 米进行分缝，且使用搭接嵌套的方式将泄槽的底板连接起来，搭接底板的齿的厚度是1 米。

（5）为了解决水沟道对坝体构成的危害，采取措施，具体是将现在的水沟道进行改道，防护坝体的安全。经改道，将水流转引入到河道，具体的做法是设立挡墙在水沟道的出口处，以便拦截泄水。且在河床的左侧，挖掘排洪涵洞，以及护砌行沟道。这样，可以将洪水导引到坝脚与泄洪洞出口之间的河道之中，将沟道的出口用挡墙挡了之后，再用其他工程的挖掘料将其夯填。如此，便能够保障坝脚、挡墙的安全。

（6）对于河水倒灌的问题，可以在工程建设的时候，选择在坝体下游的地方修建施工挡水围堰。该围堰在施工的时候可以发挥它的作用，在完工后，也是可以当做永久工程进行保留的。那么，可以经该围堰以及相应的防护工程，通过它们的作用的发挥，可以很好地解决在施工期间的河水倒灌的问题，在运行期时候的水流对坝脚的冲刷破坏，也是可以有效的解决的。

3.2 泄洪排沙兼导流洞

泄洪排沙洞是有压洞。泄洪洞的下泄流量是462 立方米每秒，校核洪水位的时候，泄洪洞的下泄流量是464.1 立方米每秒。根据前期运行需要的同时也考虑到年泥沙淤积的影响，所以泄洪排沙洞设置了低位、高位两个进水口，低位进水口作用为保障施工期、前期的输水，将其设置在了坝轴线上游125 米处。高位进水口作用为保障正常运行期、运行后期的输水，将其设置在坝轴线上游278 米处。

3.2.1 结构设计的重点

（1）一个重点问题是隧洞围岩地质条件比较差，开挖毛洞之后很难自稳。拱顶处、边墙都容易变形坍塌。隧洞围岩以砂质泥岩、夹砂岩为主，岩体的结构也是不均一。洞身的岩体岩性软弱，透水性也比较差，岩体是比较软的岩体，加之稳定性差，自稳时间比较短，局部常有坍塌现象，围岩属于四类围岩。洞身局部受到相关地质、气候影响，围岩稳定性更差，极不稳定，出现地面塌陷现象，围岩属于五类类别。

（2）坝址左岸的隧洞比较多，既有原来的输水洞，也有新建的输水洞，还有导流洞等。隧洞较为集中，如何科学安排隧洞之间的距离、位置关系成为了关键问题。

（3）依照洞泾、最大泄量等数据，复核计算，隧洞泄洪最大流速为17.9 米每秒，泄洪流速比较高，所以在对隧洞洞壁抗冲耐磨的用料、洞身安全等问题是需要考虑的重点。

3.2.2 解决方案

（1）对于地质条件问题，进行加强支护。在顶拱180 度范围内布置锚杆，锚杆间距1 米，长3 米。以梅花形布置挂钢筋网。再于紧贴岩面处架设钢拱架，喷2 米厚混凝土。二次衬砌现浇钢筋混凝土，厚度达8 米，再迎水面架设钢板，且预留灌浆孔。

（2）经勘查，原来的输水洞的型式为城门洞型，其平面位置相交于左坝肩坝轴线。考虑将泄洪排沙洞布置为与该输水洞呈近平行状，它们的间距是16 米。同时将泄洪排沙洞的洞底高程设计为低于原来的输水洞的洞底高程。新建输水洞与泄洪排沙洞平面相交，新建输水洞高程高于泄洪排沙洞的洞顶。因为两个洞相距比较近，开挖会易发生坍塌现象。新的输水洞因为是长流水，有渗漏的现象，也需要加强排水和支护措施。因为原来的输水洞相交与左坝肩，部分部位会影响尾矿库的安全运行，所以对穿过左坝肩的原来的输水洞洞段，采取使用混凝土灌浆封堵。

（3）对于水流高速冲刷的问题，采取隧洞二次衬砌混凝土，现浇抗冲耐磨的混凝土。并且再于迎水面加衬钢板以便提高洞壁的抗冲耐磨的稳定性。

4 结语

该工程有受到复杂地质条件、较为顺直的河谷、多工程交叉、国家自然保护区等多重因素的影响，在设计的时候，也要考虑安排好泄洪设施的布置、结构选型等问题，对于以上多个因素的制约、存在的问题，本文提出了相应的科学且经济的可行性方案，希望能够抛砖引玉，对同类型工程的泄洪设施的设置、结构选型能够具有参考意义，也希望能有更好的方案出现供同行参考借鉴。尾矿库的排洪方案做的好不好对尾矿坝的运行的安全性、稳定性有着举足轻重的作用，一个好的排洪系统不仅仅能够节省工程的投资成本，更重要的是能够在最大程度上保障人民的财产不受损失、人民的安全不受到威胁，这是最重要的也是最本质的意义的所在。为此，作为业内人士更应时刻重视尾矿库的排洪工作，时刻将人民的财产、安全放于心间，只有这样，方能时刻警醒自己，不大意，不放松，做好相关安全工作。

为了更好的解决导流洞中高速水流冲刷的问题，文中选择了一种新型的高强抗冲耐磨的混凝土进行现浇以解决该问题。为了在未来能够更好地进一步量化材料的相应的抗冲耐磨的效果，可以对这种新型的抗冲耐磨的材料及其抗冲耐磨的效果做进一步的研究，这是未来的一个可以尝试的研究的方向，相信会有更多的收获的。