尾矿库排洪回水隧洞成洞条件探讨

何明亮

（长春黄金设计院有限公司，吉林 长春 130012）

在选厂尾矿设施运行期间，涉及到多方面系统，如尾矿库排洪系统、尾矿输送系统、尾矿回水系统等，这些系统能够提升矿山尾矿库的运行稳定性，使其处于可持续性的运行阶段，虽然排洪系统并不参与到正常生产中，但却是尾矿库安全的重要保障。通常情况下，排洪工程路线最长可达几公里，包含的工程量特别大，所需的资金非常多，直接影响了尾矿库项目的建设。排洪回水隧洞作为尾矿库基本的排洪构筑物之一，其结构可靠、排洪效果良好，能够将洪水有效排泄出去，保障尾矿库处于安全运营的状态。与此同时，地形地貌和水文工程地质条件也直接限制了隧洞工程的实施，除了加剧施工难度之外，上部的构筑物、围岩、地下水等也直接影响着实际运行状态[1]。通过相关分析得出，我国出现的尾矿库病害事故中排洪系统病害事故占据的比例都是非常大，加强尾矿库排洪系统的隧洞洞线选取和建设质量极为重要，如果发生排泄不流畅、堵塞等事故以后，必定会引起严峻的尾矿库危害和地质灾害，甚至是引发周边环境污染和下游村庄被淹等一系列安全、环保问题。本文以某排洪回水隧洞工程为例，研究尾矿库隧洞的成洞条件和安全对策措施。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌情况

在排洪回水隧洞沿线，围岩发育规模不一致，大多数处于老年期，有一小部分为中年期，有活动性非常弱，中等切割，浅切割库岸山体，库岸自然坡度25°～40°支沟自然坡降8°～15°。排洪回水隧洞沿着线路地表植被生长状态良好，沟谷段主要生长树木包含了灌木和草类植被等，山坡段则是成长期，中年期的云南松和灌木，地貌上则属于低中山中等切割构造剥蚀坡地地貌[2]。

1.2 地质构造

对于排洪回水隧洞上游段来讲，主要断层影响存在破碎带构造，破碎带层底高程远远低于地表，下游地层沉积次序正常，构造作用不是特别明显。排洪回水隧道主要是通过断裂构造作用，对其稳定性没有影响。

1.3 地层岩性

在排洪回水隧洞工程中，一般是借助地层结构以及里程长度依照各段岩土层特征实施相关的分段工作，主要分为A段和B段。A段的地貌为支山梁和内沟相间发育，坡残积粘土沟谷段包含了少量的坡洪积粘土，厚度小于2m，下面是全风化绢云母板岩，沟谷段埋深非常长，梁段埋深较小；B段的地貌是缓坡沟谷，沟谷段有着少量的坡洪积粘土，全风化绢云母板岩。

2 水文地质条件

库区排洪回水隧洞通过的地层局部为灰质板岩构造破碎带，剩余的地段是弱风化灰色板岩，排洪回水隧道通过的地下水主要流经炭质板岩构造破碎带。碳质板岩构造破碎带和主沟谷内地表地下水有着密切的联系。整体上而言，稳定性良好，含水量非常大。

3 分析成洞条件

3.1 评价围岩的稳定性

当前阶段，完成洞室开挖工作以后围岩的稳定性受到二次应力和围岩之间关系等因素的影响，在洞室附近将会形成三向不同的区域，分别表现为塑性松动圈、应力增高区和原始应力区。洞室开挖形成了新的凌空面，洞壁原有的三向应力转变为了二向应力，洞周围一定范围内的岩体应力重新调整，重新分布应力，在应力重新分布的领域内一般为三倍洞径左右，在该项领域内，岩体处于原始应力状态，本身不会被洞室开挖工作所干扰，应力重新分布导致松动圈原岩和原岩体分离，产生的荷载作用在支护结构上。因为排洪回水隧道各段穿越的地层岩性，强度厚度、岩体完整程度之间差别非常大，岩体的稳定能力和塑性圈大小之间有着明显的不同之处。其次，隧洞出口位置处于山前坡脚部位，地形十分平缓，粘土暴露在坡面期间。基于干湿交替作用下容易形成全风化绢云母板岩，边坡暴露在外部稳定能力下降，容易产生小部分的塌落情况。强风化绢云母板岩质粒稳定性能极好，暴露在挖方边坡坡面的情况下无水力冲刷以及外地破坏作用中自立稳定。隧洞出口揭露的地层为上述三层，隧洞洞身在出口段主要穿越弱风化灰色板岩，部分穿越风化绢云母板岩，成洞以后稳定性比较短，容易产生变形破坏情况。最后，隧洞进口处于岸坡地段，岸坡自然坡度为35°，暴露在挖方边坡坡面的情况下自立稳定性较差，容易成形成塌陷现象，有渗水或者是低于表水经过以后破坏规模程度更高，隧洞进口埋设在构造破碎带，变形现象极为严重。

3.2 地下水的地表渗流方式体现

炭质板岩构造破碎带中的裂隙水地表排泄特征呈现出微透水性，流量比较小，地下水道出水方式是以涌流状态为主。当洞底标高远远比邻近组沟底要低时，容易产生沟底汇水回灌补给现象，增加出水量。下游段洞室地下水的出水方式是以淋浴状态为主，穿越内沟地段距离水塘比较近，出水量增加。

3.3 评价隧洞施工支护

进口和出口段洞顶上部岩土层厚度比较小的情况下，设计期间必须确保相应厚度的安全覆盖层，施工期间尽可能不使自然边坡形态发生改变，加强植被的保护力度，过洞口段开挖形成的边坡。以设计施工规范要求为主，并考虑采取坡面挂钢筋网喷水泥沙浆支护，种植草类植被护坡。应用全断面浇筑钢筋混凝土梁板支护，排洪回水隧洞洞身可以应用全断面浇筑钢筋混凝土梁板支护，库区排洪回水隧洞使用期间一直处于酸性水的浸泡状态，洞身支护材料和洞内生产设施有着腐蚀性特征，应考虑与准的设计使用年限要求相一致，排洪回水隧洞沿线围岩大部分是较软岩，局部为软岩围岩，类别比较低，岩体完整性较差，差异幅度比较大，洞身自身稳定性也是特别差。这就需要加强支护稳固处理力度，特别是洞身穿越里程围岩施工难度非常大的情况下，隧洞施工期间可以应用工艺极为先进的盾构法。该项工艺施工安全性良好，便于加快施工进度，确保工程在规定期限内完成。但从实际情况来看，整体成本非常高，也可以采取传统的矿山巷井挖掘工艺，施工方式遵循少扰动、一边施工、一边支护、超前预报的基本原则。

3.4 隧洞进出口的高边坡上截水沟措施

隧洞进出口地势较为平缓，粘土厚实，洞口开挖施工时，必然影响区域稳定性，洞口形成困难。故需要根据洞口地貌特征和地质构造，选择合理的洞口位置，在洞口开挖的高边坡上以及上部山坡除支护外，还需修筑数条截水沟，防止水流冲刷洞脸，发生次生灾害事故[3]。隧洞洞口地貌通过段支沟沟谷相间发育，地形起伏变化幅度是非常大的，截水沟途经沿线植被十分茂密，水土保持良好，山坡地带为生长期和壮年期的云南松及少量灌木，沟谷地带是草类植被和灌木，没有不良地质作用和其他地质灾害发育，无其他地表水体。截水沟沿线地层包含了沟谷和沟谷两侧斜坡地带，坡洪积黏土厚度比较大，变化幅度大，结构非常柔软，不适合作为截水沟基础的直接持力层。全风化和强风化绢云母板岩层有着一定的低压缩性特征，力学强度和抗变破坏能力比较好，都可以当成截水沟的基础直接持力层。

4 尾矿库排洪回水隧洞勘察设计和管理措施

尾矿库排洪回水隧洞工程水文地质条件和洞径的大小对成洞条件至关重要。地质条件越差、隧洞洞径越大，成洞难度也就越大，安全风险也就越高，所以尾矿库设计时，需要了解拟建隧洞沿线的工程水文地质特征。确定尾矿库的防洪标准和汇水面积大小，选择合适经济的洞径。另外隧洞投入使用后，应定期观察和测量隧洞的运行情况，尤其是成洞条件不好的地段，保证排洪回水隧洞运行正常。

4.1 尾矿库排洪回水隧洞设计

（1）隧洞断面尺寸的确定。排洪构筑物在运行期间，任何时刻都应满足在澄清尾矿水的条件下，保证泄洪满足规范要求。这就确定了排水构筑物的排水能力、调洪库容以及排水构筑物形式和尺寸，确保经济性和稳定性，在消除和根治尾矿库安全隐患方面起到了较高的作用。对此，需要做好尾矿库洪水设计和排水构筑物的设计工作。首先应确定尾矿库的等别，由坝高和库容两方面，以及下游周边环境确定；第二是选定防洪标准，依照尾矿库的等别综合性考虑使用年限和对下游造成的危害性，选择合理的设计防洪标准。第三是洪水计算，根据当地的水文图集、水文报告、推荐的计算方法确定洪峰流量和洪水总量，以及洪水过程线。第四是排洪回水隧洞尺寸的确定。根据尾矿库的洪水过程线、调洪库容，在满足尾矿库干滩长度和安全超高的规范要求下，水量平衡法选择经济、满足泄洪要求的排洪回水隧洞断面尺寸。隧洞的横断面结构型式应根据流态确定，无压力时宜选用圆拱直墙式断面，地质条件较差时可选用圆形或马蹄形；圆拱直墙式断面圆拱处中心角宜为90°～180°，断面高宽比应根据水力条件、地质条件选用，宜为1.0～1.5。采用钻爆法施工时非圆形断面的高度不宜小于1.8m，宽度不宜小于1.5m。

（2）隧洞沿线的工程地质和水文地质条件。为了保证排洪回水隧洞成洞良好，洞线布置时应先了解隧洞沿线的工程地质情况，如岩层分界、性质、产状和主要地质构造，围岩的分类及主要物理、力学参数、不良地质问题等；了解沿线的水文地质情况，如地下水、水温和水化学成分，尤其是涌水量丰富的含水层、溶洞、透水带、断层、破碎带等；了解进出口成洞条件和洞边坡稳定性情况。洞线布置时，在满足工程总体布置要求的条件下，宜选择沿线地质构造简单，岩体完整稳定、水文地质条件有利、且施工便利的地区。洞线与岩层、构造断裂面及主要软弱带走向应有较大的夹角；通过较大地质构造带时，要研究不利构造及其组合对隧洞围岩稳定的影响程度，以及施工、工期、投资等各种因素，通过经济技术比较后选取；隧洞沿线遇到断裂构造、不利构造面、软弱带、膨胀岩、溶岩等时，应考虑地下水对成洞的影响；洞线的埋深和侧向岩体最小覆盖厚度，应根据地形、地质条件、岩体的抗抬能力、抗渗透特性、洞内水压力，以及衬砌型式等因素确定，局部出现岩体不稳定时，应选择可靠的工程措施。

（3）隧洞洞线布线要求。洞线在平面上布置尽量直线，当需要转弯时首尾应设置直线段，长度不宜小于5倍的洞宽，无压隧洞的转弯半径不宜小于5倍的洞宽，转角不宜大于60°，低流速有压隧洞可适当降低要求，转弯半径不宜小于3倍的洞宽，转角不宜大于60°；隧洞的纵坡应根据运行要求、水力学条件、沿线构筑物高程、上下游衔接、施工和检修条件、不淤流速、不冲刷流速确定，且隧洞纵坡不宜变化过多；隧洞掘进机掘进时，洞线布置宜避开制约机械的地质区域。隧洞进出口应根据工程总体布置和地形地质条件等因素综合确定，应满足使用功能和安全运行条件，应使水流顺畅，进流均匀，出流平稳，应有防淤、防冰、防冲刷等要求；进出口宜布置在地质构造简单、岩体完整、风化程度低的地区，应避开不良地质构造、冲沟和容易发生崩塌、滑坡及泥石流的区域；进出口洞脸和两侧边坡宜避免高边坡开挖，并根据边坡稳定性分析，采取必要的加固和防水、排水措施等。

4.2 加强尾矿库及隧洞安全管理措施

最近几年内尾矿库泄漏现象普遍存在，各地区深入贯彻落实习近平生态文明思想和安全生产精神。树立生态环境保护和安全生产红线理念，承担防范化解重大风险的政治责任，吸取各项经验，遵循问题导向，举一反三，统筹兼顾，实施尾矿库及排洪系统安全风险隐患排查整治工作，全面抑制不良现象的发生。

第一，加强尾矿库工程施工质量管理。各尾矿库企业需要制定合理的管理方式，遵循法律法规开展各项工作，落实质量管理责任，创建健全完善的质量控制体系，健全完善共同质量管理制度，加强统筹协调和现场管理，采取合理措施监督各项参建方落实工程质量管理责任，严格禁止出现转嫁责任，控制竣工验收关卡。施工单位要具备要求的矿山工程施工资质，禁止违法违规分包转包排洪回水隧洞工程，按照规范性要求和施工图实施施工作业，避免出现随意更改设计参数，监理单位按照监理规范和规定开展工作，确保管理人员持证上岗。

其二，严格加强尾矿库重点设施风险管控。各工矿企业需要落实安全生产主体责任，有效加强排洪设施安全生产管理，结合实际情况健全排水井拱板制作管理制度，有效管控拱板制作全过程工程质量，做到源头可追溯、责任可追究。并且还需要制定拱板安装技术规范和操作规程，安装人员要取得尾矿作业特种作业人员操作证书以后要留存安装图片资料，构建标准验收档案。加强排水隧洞的日常管理巡查工作，对隧洞沿线，尤其是地质条件和水文条件差的区域加强巡视，一旦出现问题隐患以后马上整改。

其三，履行尾矿库安全监察职责，提升尾矿库应急处置能力和提高应急支撑保障能力。企业应基于风险评估的基础上编制应急预案，全面健全溃坝、漫顶、排洪设施堵塞或损毁等事故专项应急预案以及现场处置方案，并按照规定备案。加深企业应急预案之间的衔接程度，定期组织尾矿库企业开展联合应急演练，不断增强应急联动响应能力。需要进一步强化应急培训和演练，强化应急值班值守和巡查检查。务必提高应急处置能力，构建应急研究机构，以积极应对尾矿库重特大突发环境事件为根本，开展尾矿库下游环境敏感目标风险防控以及关键处置技术装备研发，各地区要依托重点大型企业等建立实体库，提升整体水平，各尾矿库企业按照基本预案要求，储备必要的应急救援器材、设备和物资，确保通往尾矿库坝等道路、通信畅通和供电的稳定性，提升应急状态下先期处置能力。

5 结语

从以上论述来看，排洪回水隧洞成洞条件较为复杂，需要考虑隧洞沿线的地形地貌、区域工程地质条件和水文地质条件，避开地质构造复杂、岩体破碎强烈，水文地质不利的段；洞口及两侧边坡宜平缓，避免高边坡开挖；施工时应加强监管，保证隧洞施工质量，洞线和断面结构符合规范和设计要求；运行时日常检查排水构筑物的运行状态，确保尾矿库运行正常。