中線法堆壩在南方多雨地區(qū)的防洪度汛實(shí)踐

李小生 巫尚蔚

(1.江西銅業(yè)公司德興銅礦；2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院;3.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

中線法堆壩在南方多雨地區(qū)的防洪度汛實(shí)踐

李小生1巫尚蔚2,3

(1.江西銅業(yè)公司德興銅礦；2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院;3.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

中線法堆壩具有壩軸線垂直上升，粗、細(xì)尾礦分級(jí)排放的特點(diǎn)，克服了上游法堆壩壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定較差的缺陷，由于我國(guó)南方存在汛期排洪壓力大、外坡沖刷嚴(yán)重的問題，其推廣應(yīng)用受到一定限制。針對(duì)德興銅礦4#尾礦庫(kù)，采用現(xiàn)場(chǎng)考察和應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，提出了一段底流充填技術(shù)、壩面防沖刷技術(shù)、截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)、植被護(hù)坡、壩腳沉砂技術(shù)、水位在線監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，“汛前抓預(yù)防,汛中抓落實(shí),汛后抓總結(jié)”等應(yīng)對(duì)汛期極端天氣、解決坡面沖刷的技術(shù)和管理措施。實(shí)踐結(jié)果表明：中線法尾礦堆壩可以適用于南方多雨地區(qū)，其防洪度汛技術(shù)和管理措施是實(shí)用的、有效的，為中線法堆壩工程提供有益借鑒。

尾礦庫(kù) 中線法堆壩 防洪度汛

中線式尾礦筑壩的特點(diǎn)是壩軸線保持不變，利用水力旋流器對(duì)尾礦進(jìn)行分級(jí)，粗粒級(jí)尾礦堆積到壩軸線下游尾礦堆積區(qū)，溢流尾礦排放到壩軸線上游庫(kù)內(nèi)充填[1]。中線法克服了上游法堆壩復(fù)雜、混合的壩體結(jié)構(gòu)及滲流不易控制的缺點(diǎn),利用分級(jí)后的粗粒級(jí)尾砂堆壩，可避免將壩體筑在粗細(xì)相混的尾礦上，壩體穩(wěn)定性強(qiáng)，同時(shí)節(jié)省了土地,減少了對(duì)地表植被的破壞,具有良好的社會(huì)生態(tài)效益，是西方發(fā)達(dá)國(guó)家常見的尾礦堆積形式，在我國(guó)地震多發(fā)區(qū)域和生態(tài)脆弱地區(qū)具有積極的推廣意義和環(huán)保示范作用。

我國(guó)自80年代中期開始探索并在國(guó)內(nèi)實(shí)踐中線法堆壩以來，已有一些專家學(xué)者結(jié)合我國(guó)國(guó)情對(duì)中線法堆壩在南方地區(qū)的工藝推廣進(jìn)行了研究[2-7]，開展了對(duì)復(fù)雜條件下尾礦材料的基礎(chǔ)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[8-10]，總結(jié)了南方地區(qū)中線法堆壩在加高過程中的筑壩工藝、存在的問題和改進(jìn)方向[11-13]，延長(zhǎng)了中線法尾礦庫(kù)服務(wù)年限[14]。

中線法筑壩在我國(guó)南方地區(qū)推廣過程中，除了要面對(duì)原尾礦細(xì)粒化、缺乏國(guó)內(nèi)工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)等常見問題外[15]，由于區(qū)域氣候多雨,暴雨強(qiáng)度大, 存在外坡沖刷問題,雨季汛期排洪壓力較大，對(duì)壩體安全和生態(tài)壞境造成很大影響，相關(guān)領(lǐng)域的研究還比較缺乏，制約了中線法堆壩在南方多雨地區(qū)的推廣。

以德興銅礦4#尾礦庫(kù)為例，針對(duì)南方多雨地區(qū)中線法堆壩的施工工藝、壩面防沖刷技術(shù)和汛期管理實(shí)踐等內(nèi)容進(jìn)行探討，解決了中線法堆壩汛期安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),為我國(guó)中線法堆壩技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況及工藝簡(jiǎn)介

德興銅礦4#尾礦庫(kù)位于大山選礦廠以北的西源大溝內(nèi)， 1991年投入使用，采用中線堆積法原理設(shè)計(jì)。初期壩基礎(chǔ)壩高38 m，總壩高208 m，外坡坡比為1∶(3.96～4.74)(設(shè)計(jì)要求不大于1∶3)，設(shè)計(jì)庫(kù)容為8.35億m3，有效庫(kù)容為7.7億m3，匯水面積為14.3 km2，是國(guó)內(nèi)首家采用中線法堆壩工藝的尾礦庫(kù)，目前已進(jìn)入后期筑壩階段。截至2014年，4#尾礦庫(kù)已經(jīng)安全運(yùn)行24 a，素有“亞洲第一壩”的美譽(yù)，在國(guó)內(nèi)起到了中線法堆壩示范和推廣的作用[16]。

選廠尾礦由明渠自流至大壩兩端分級(jí)站,并通過φ660 mm旋流器進(jìn)行兩段旋流分級(jí)。一段分級(jí)站為固定式，共2組旋流器組，每組6臺(tái);二段旋流器布置于壩面，共35臺(tái)，可隨壩頂升高和堆壩需要進(jìn)行移動(dòng)。分級(jí)后的二段底流粗砂(-200目含量不大于15%)進(jìn)行大壩堆筑，一、二段溢流尾礦直接排入庫(kù)內(nèi)。4#尾礦庫(kù)分級(jí)工藝流程見圖1。

堆積壩采用中線法堆筑，堆積壩軸線與初期壩軸線保持一致，壩頂沿初期壩垂直上升，為保證尾礦壩的堆筑速度，減少二段分級(jí)旋流器和管道的頻繁移動(dòng)，尾礦壩分期堆筑，每期升高10 m左右，需粗砂6 600萬m3。中線法筑壩工藝見圖2。

圖1 4#尾礦庫(kù)分級(jí)工藝示意

圖2 中線法筑壩示意

2 中線法筑壩汛期的技術(shù)措施

德興銅礦地處南方多雨地區(qū)，年均降雨量達(dá) 1 882 mm，千年一遇雨量達(dá)522 mm/d，中線法筑壩上升過程無法進(jìn)行黃土覆蓋和植被培植,大降雨會(huì)對(duì)壩體沖刷,造成粗砂流失現(xiàn)象，給尾礦庫(kù)防汛帶來很大困難，因此，如何確保尾礦庫(kù)安全度汛是日常工作的重中之重。通過多年不斷探索，摸索出了一套防洪方法，可為中線法筑壩在南方多雨地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

2.1 一段底流充填技術(shù)

因二段溢流濃度偏低(12%～15%)、粒度偏細(xì)(-200目含量為85%～92%)，形成的沉積灘坡面較緩，汛期防洪標(biāo)高難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過多年探索試驗(yàn)，采用一段底流充填技術(shù)，利用40%濃度的一段分級(jí)底流對(duì)灘面進(jìn)行均勻、輪番充填，能短時(shí)間大幅度提高灘面標(biāo)高，增加干灘長(zhǎng)度，有效降低浸潤(rùn)線，增大尾礦庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容，從本質(zhì)上提高尾礦庫(kù)防洪能力。一段底流充填現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖3 一段底流充填現(xiàn)場(chǎng)

2.2 多梯級(jí)截排水壩面防沖刷技術(shù)

中線法筑壩工藝在生產(chǎn)期間無法及時(shí)進(jìn)行黃土及植被覆蓋，遇大的降雨沖刷易造成粗砂流失現(xiàn)象，特別是4#尾礦壩堆筑進(jìn)入中后期(2000年以后)階段，外坡面裸露面積超過50萬m2，下暴雨時(shí)，坡面容易形成大的表面匯流，沖刷壩體形成拉溝，嚴(yán)重危害壩體的安全穩(wěn)定。通過多年的摸索和總結(jié)，掌握了一套多梯級(jí)截排水防沖刷技術(shù)。通過在大壩外坡進(jìn)行劃塊分區(qū)管理，修筑攔截子壩，攔截匯流雨水，及時(shí)導(dǎo)流，排出壩面匯水，防止壩面匯水的擴(kuò)大和連續(xù)對(duì)砂質(zhì)壩體的沖刷。具體措施：首先在壩外坡面每隔30 m高度共堆筑4條擋水子壩，并進(jìn)行加厚處理；其次將大壩外坡長(zhǎng)度較長(zhǎng)的擋水子壩修筑為“人”字形，并在東、西側(cè)山體結(jié)合部利用土工布及砂袋人工壘筑排水出口至東、西側(cè)截洪溝，從而截?cái)鄸|、西壩肩山凹的洪水，分割匯流面積，減少雨水匯流量。多梯級(jí)截排水壩面防沖刷技術(shù)示意見圖4。多年生產(chǎn)實(shí)踐表明，本技術(shù)措施實(shí)用有效。

圖4 多梯級(jí)截排水壩面防沖刷技術(shù)示意

2.3 截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

4#尾礦庫(kù)匯水面積達(dá)14.3 km2，壩體兩側(cè)匯水面積較大，匯集雨水量較大，原兩側(cè)山體截洪溝因斷面不大，加上山體邊坡雨季塌方易倒塌,造成截洪溝失效，大量的粗砂流失。通過在大壩東側(cè)最終壩體淹沒線以上修筑“水路兩用”公路，日常作為通行公路，汛期兼當(dāng)截洪溝使用，由于過水?dāng)嗝娲螅淮嬖谑栴}，從根本上解決了壩體兩側(cè)截洪問題；在大壩西側(cè)最終淹沒線以上修筑“清污分流溝”，使山體匯水與壩面匯水分流，山體匯水直接外排，壩面匯水經(jīng)沉砂池后進(jìn)入截滲池回用，減少了沉砂池入池流量，確保了沉砂效果，有較好的環(huán)保效益。截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4 堆筑后期植被護(hù)坡

地表植被有保持水土、減緩洪水、調(diào)節(jié)水量、凈化水質(zhì)的作用。對(duì)進(jìn)入堆筑后期的中線法尾礦壩坡面,可采取密集型種植方法，自坡腳至坡頂種植適宜生長(zhǎng)的植被，以更好地固結(jié)土壤，也有利于尾礦庫(kù)長(zhǎng)期的生態(tài)恢復(fù)。為了保證質(zhì)量和成活率，應(yīng)采取定期定員進(jìn)行檢查、督促，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，對(duì)施工中出現(xiàn)的問題，及時(shí)給予解決。按照德興銅礦日采選綜合生產(chǎn)能力13萬t計(jì)算，4#尾礦庫(kù)僅可使用6～7 a，尾礦庫(kù)已接近后期堆筑，且壩腳區(qū)域已接近最終設(shè)計(jì)坡比，為了縮小外坡尾砂裸露面積，減少尾砂流失，自排滲棱體壩開始自下而上按照最終設(shè)計(jì)坡比對(duì)外坡進(jìn)行定型及黃土覆蓋(圖6)，并按計(jì)劃在坡面種植草本或低矮灌木，修筑永久性坡面排水溝，發(fā)揮固沙和防沖刷作用。

圖6 黃土覆蓋施工現(xiàn)場(chǎng)

2.5 壩腳沉砂技術(shù)

尾礦是第Ⅰ類一般固體廢物，還含有有害藥劑和金屬離子，會(huì)污染田地、江河水體，對(duì)社會(huì)生活造成危害。南方雨季尾砂流失嚴(yán)重，受中線法筑壩工藝影響，壩面匯水外排時(shí)會(huì)夾帶部分尾砂，給環(huán)保安全帶來隱患。為解決這一問題，在壩腳修筑了2個(gè)沉砂池(圖7)，總?cè)莘e達(dá)3萬m3，坡面匯水通過東、西側(cè)截洪溝流入沉砂池，通過沉積后，匯水進(jìn)入3萬m3的截滲池，通過滲水回收泵站輸送回分級(jí)站當(dāng)作補(bǔ)加水使用，既解決了環(huán)保問題，又節(jié)約了生產(chǎn)用水成本。

圖7 壩腳沉砂池

2.6 水位在線監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)警系統(tǒng)建立

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)可用于對(duì)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位、干灘長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控[17]。連續(xù)的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以記錄下監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位、干灘長(zhǎng)度完整的數(shù)據(jù)變化過程，并且實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)，借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還可以將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的指揮中心。建立尾礦庫(kù)水位在線監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)警系統(tǒng)，有利于實(shí)時(shí)了解尾礦壩的安全情況，實(shí)現(xiàn)不同降雨條件下尾礦庫(kù)的水位及壩體的安全性狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，提高管理效率。

4#尾礦庫(kù)于2013年開始建設(shè)尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包括浸潤(rùn)線、干灘、庫(kù)水位、降雨量、滲流量及重要場(chǎng)所的視頻監(jiān)控，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)管理站、監(jiān)測(cè)管理中心站三級(jí)架構(gòu)，設(shè)置21個(gè)浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)灘頂高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)和5個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，很大程度上提高了尾礦庫(kù)安全管理水平。

2.7 汛期管理措施

4#尾礦庫(kù)在多年旱季防洪工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成了一套系統(tǒng)的汛前、汛中汛后管理辦法，即“汛前抓預(yù)防、汛中抓落實(shí)、汛后抓總結(jié)”。

汛期來臨前，應(yīng)當(dāng)按照“安全第一、預(yù)防為主、防重于搶、有備無患”的指導(dǎo)方針和“旱季防洪、本質(zhì)安全”的指導(dǎo)思想進(jìn)行組織和物資準(zhǔn)備。根據(jù)尾礦庫(kù)防洪度汛的任務(wù)與要求，組織編寫應(yīng)急預(yù)案,并對(duì)預(yù)案進(jìn)行適宜性評(píng)估，做好防洪應(yīng)急物資的儲(chǔ)備工作和搶險(xiǎn)設(shè)備的維修保養(yǎng)，同時(shí)組建專業(yè)的防汛搶險(xiǎn)隊(duì)，定期組織防洪搶險(xiǎn)演練，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的處理能力。

汛期到來時(shí)，做好尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)和安全檢查工作。在汛期(3—8月)每月進(jìn)行一次防洪專項(xiàng)檢查，對(duì)尾礦庫(kù)外坡等防洪重點(diǎn)部位進(jìn)行清理和修復(fù)，減少雨水對(duì)壩體影響；每月對(duì)壩體進(jìn)行一次滲流監(jiān)測(cè)，對(duì)灘頂標(biāo)高、干灘長(zhǎng)度進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)；每天對(duì)庫(kù)水位、降雨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；每月對(duì)壩體浸潤(rùn)線進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，及時(shí)歸檔，為尾礦庫(kù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃及防洪預(yù)案的制定提供依據(jù)，為壩體的本質(zhì)安全提供保障。

汛期結(jié)束后，要開展一次防洪工作專項(xiàng)研討會(huì)，通過總結(jié)上一年度防洪工作經(jīng)驗(yàn)及不足，指導(dǎo)制定下一年度防洪措施計(jì)劃，使之更加符合防洪實(shí)際。

3 防洪實(shí)踐效果

德興4#尾礦庫(kù)采用中線法筑壩工藝，解決了細(xì)粒尾礦高堆壩的關(guān)鍵技術(shù)，通過24 a的生產(chǎn)實(shí)踐，在建設(shè)前期進(jìn)行了系統(tǒng)科學(xué)的試驗(yàn)研究和精心設(shè)計(jì)，在建設(shè)期間進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控，對(duì)已堆壩體也進(jìn)行了勘探和測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，堆積壩滲透性良好，浸潤(rùn)線低，并成功地經(jīng)受1998年7月23日(317 mm)、2011年6月14日和17日(600 mm)的特大暴雨的嚴(yán)峻考驗(yàn)，沒有出現(xiàn)任何穩(wěn)定破壞跡象。不論是理論分析還是實(shí)踐檢驗(yàn)，都證明了中線法堆壩可以在南方多雨地區(qū)進(jìn)行推廣，與傳統(tǒng)的上游法堆壩相比，穩(wěn)定性具有很大的優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

(1)中線法筑壩應(yīng)對(duì)汛期的技術(shù)措施包括一段底流充填技術(shù)、多梯級(jí)截排水壩面防沖刷技術(shù)、截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)、植被護(hù)坡、壩腳沉砂技術(shù)和水位在線監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)。一段底流充填技術(shù)能短時(shí)間內(nèi)提高防洪標(biāo)高，增加干灘長(zhǎng)度，有效降低浸潤(rùn)線，增大調(diào)洪庫(kù)容，提高防洪能力；因地制宜的截洪溝優(yōu)化設(shè)計(jì)可節(jié)省施工成本，提高截洪溝利用價(jià)值；多梯級(jí)截排水壩面防沖刷技術(shù)有效用于減少雨水對(duì)中線法坡面的沖刷；植被護(hù)坡是閉庫(kù)后的坡面長(zhǎng)期保護(hù)措施；壩腳沉砂技術(shù)可有效攔截和沉淀被雨水沖刷的尾砂，保護(hù)下游環(huán)境；水位在線監(jiān)測(cè)及洪水預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位、干灘長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同降雨條件下尾礦庫(kù)的水位及壩體的安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

(2)中線法筑壩應(yīng)對(duì)汛期的管理措施分為汛前、汛中和汛后三部分，即“汛前抓預(yù)防、汛中抓落實(shí)、汛后抓總結(jié)”。汛前進(jìn)行方案預(yù)演和物資準(zhǔn)備，汛中加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全檢查，汛后及時(shí)開展經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可有效保障汛期尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行與防洪應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的開展。

(3)尾礦中線法堆積壩具有顯著的環(huán)保效益和社會(huì)效益，在環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格背景下，該技術(shù)具有推廣實(shí)踐的價(jià)值。德興4#尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行證明,南方多雨地區(qū)通過采取合理的工程技術(shù)和組織管理措施，可以有效地避免雨水對(duì)坡面的沖刷作用，保證尾礦庫(kù)的安全環(huán)保運(yùn)行。

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Practice on Middle Line Damming Method in Flood Controlling in the Southern Rainy Regions

Li Xiaosheng1Wu Shangwei2,3

(1.Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Corporation;2.College of Resources and Environmental Science,Chongqing University;3.State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamics and Control)

The dam dammed by upstream method with defects of complex dam structure and poor stability is overcomed by middle line damming method with the characteristics of dam axis rising in vertical and coarse and fine tailings grading emissions. The flood drainage pressure is high and external slope erosion is serious in the southern rainy regions in our country during the flood season, so, the application of middle line damming method is restricted. Taking the 4#tailings pond as the research object, the technical and management methods of a bottom flow filling method, anti-erosion technique of dam surface, optimization design of intercepting flood ditch, slope protection with vegetable, method of sand setting in the bottom of dam, construction of water online monitoring system and flood warning system are proposed，and prevention is focused in the period of pre-flood, while the flood season coming, the implementation of technical and management methods are valued, after the flood season, the working effects are summarized. They are proposed to deal with the extreme weather during the flood season and slope erosion by the research thoughts of combination of scene investigation and application. The results show that, middle line damming method can be applied to the southern rainy regions, the technical and management methods proposed in this paper is practical and effective, which can provide references for the dam projects by middle line damming method.

Tailing pond, Middle line damming, Flood controlling

2015-05-25)

李小生(1973—)，男，高級(jí)工程師，碩士，334224 江西省德興。