尾礦庫排洪系統(tǒng)封堵技術(shù)初探

程敏+范士盼+汪濤

摘 要：本文在對排洪系統(tǒng)概述的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例對排洪系統(tǒng)封堵事故種類進(jìn)行了詳細(xì)介紹，說明了封堵重點(diǎn)問題堵體位置的選擇和堵體的長度或厚度的計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際工作得出了不同情況下的封堵類型選擇。

關(guān)鍵詞：排洪系統(tǒng)；封堵事故；初探

一、尾礦庫排洪系統(tǒng)概況

尾礦庫是礦山企業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)又是礦山企業(yè)的重要污染源和重大危險(xiǎn)源之一。尾礦庫排洪系統(tǒng)在正常情況下，要確保尾礦庫外排（包括回水）水質(zhì)達(dá)標(biāo)，在特大暴雨時(shí)，要確保尾礦庫的防洪安全。因此尾礦庫排洪系統(tǒng)的正常、安全、可靠地運(yùn)行不僅與企業(yè)的正常生產(chǎn)關(guān)系密切，更重要的是與尾礦庫下游的環(huán)境保護(hù)和生命財(cái)產(chǎn)安全關(guān)系重大。

尾礦庫排洪系統(tǒng)包括庫內(nèi)排洪系統(tǒng)和庫外排洪系統(tǒng)。

庫內(nèi)排洪系統(tǒng)主要由進(jìn)水構(gòu)筑物和排洪構(gòu)筑物組成。進(jìn)水構(gòu)筑物一般為排洪井或排洪斜槽；排洪構(gòu)筑物一般為排洪隧洞或排洪管。其中排洪隧洞（或排洪管）又可分為排洪主洞（或排洪主管）和排洪支洞（或排洪支管），后者分別與各期排洪井（或排洪斜槽）相接。

庫外排洪系統(tǒng)一般在尾礦庫匯水面積較大，為減輕庫內(nèi)的調(diào)洪壓力，或?qū)嵭星鍧岱至鞫鴮ｉT設(shè)置。除庫周設(shè)置截洪溝外，主要采取庫尾設(shè)置攔洪壩-排洪隧洞（或溢洪道、排洪管）的方式將洪水截出庫外。

尾礦庫建成后，隨著尾礦的大量排入，沉積灘面不斷充填升高，灘面延長，庫水位澄清距離縮短，外排（或回水）水質(zhì)逐漸降低，必須及時(shí)抬高庫水位，就需要用攔擋體將進(jìn)水構(gòu)筑物的進(jìn)水口標(biāo)高不斷升高。如框架式排洪井的拱（或梁）擋板；窗口式排洪井的蓋板（或堵板）；排洪斜槽的拱（或平）蓋板。安裝攔擋體不影響進(jìn)水構(gòu)筑物的防洪能力。

二、排洪系統(tǒng)封堵事故種類

（1）排洪井筒頂部封堵。湖南醴陵潘家沖鉛鋅礦1#尾礦庫建于1964年，尾礦庫排洪系統(tǒng)采用排洪井-排洪管型式。運(yùn)行10年左右停止使用。10年后因2#尾礦庫又停止使用，而3#尾礦庫尚未開始建設(shè)，礦方?jīng)Q定重新啟用1#尾礦庫，擬繼續(xù)加高10m以擴(kuò)容，新建二期排洪系統(tǒng)，并對一期排洪系統(tǒng)進(jìn)行封堵，封堵部位在排洪井筒頂部。在加高擴(kuò)容快結(jié)束使用時(shí)發(fā)生垮塌，塌坑深達(dá)30m、直徑60m，尾礦流失嚴(yán)重。經(jīng)分析，事故原因?yàn)榫喜烤补鞍鍞嗔?。?）封堵體位置不當(dāng)導(dǎo)致尾礦堆積壩滲透管涌破壞。湖南臨湘桃林鉛鋅礦魚潭尾礦庫1960年建成使用，選礦規(guī)模4500t/d，初期壩為土壩，壩頂標(biāo)高80.0m，1994年尾礦庫堆積至104m標(biāo)高時(shí)，二期排洪系統(tǒng)開始使用，即在初期壩上游壩腳處對一期排洪管采用砂、礫石、塊石進(jìn)行反濾封堵，封堵長度為18m，已用粗尾砂修路堤到排洪井，擬將排洪井井座進(jìn)行混凝土封堵。因恰逢暴雨，洪水進(jìn)入井內(nèi)，封堵體前水頭達(dá)40m，封堵體安全無恙，但在初期壩頂上游壩坡被滲透管涌水流沖出約30m左右直徑的塌陷坑，近千立方尾砂下泄，初期壩頂及壩坡亦局部被噴射出的水流所沖刷。

三、排洪系統(tǒng)封堵體位置的選擇

尾礦庫排洪系統(tǒng)封堵體位置包括上游迎水面位置和下游臨空面面位置。封堵體位置應(yīng)根據(jù)排洪系統(tǒng)在尾礦庫區(qū)位置的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、排洪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況、與相鄰構(gòu)筑物之間的關(guān)系及尾礦庫運(yùn)行要求綜合分析確定。根據(jù)尾礦庫的特點(diǎn)，應(yīng)滿足以下要求：

（1）封堵體下游排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全不因尾礦堆積壩加高擴(kuò)容、超過原設(shè)計(jì)荷載范圍而導(dǎo)致破壞。反之，原設(shè)計(jì)排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大尾礦埋深位置是封堵體的結(jié)構(gòu)安全的下游邊界；（2）不因封堵體上游側(cè)可能承受的最大水壓力形成滲流高壓區(qū)，不僅導(dǎo)致尾礦堆積壩下游壩坡浸潤線升高，局部出現(xiàn)沼澤化，而且有可能導(dǎo)致壩坡滲透破壞事故。因此應(yīng)按尾砂允許滲透坡降分析封堵體處尾礦堆積壩坡的滲透穩(wěn)定安全性來確定上游側(cè)的邊界；（3）排洪隧洞一般采用洞壁排滲孔降低洞周滲透壓力，以減少隧洞襯砌厚度。封堵體前滲流高壓區(qū)將對封堵體下游側(cè)支隧洞甚至主隧洞襯砌（或圍巖穩(wěn)固性）產(chǎn)生威脅。

由于尾礦堆積壩坡較緩，為便于算管涌破壞逸出點(diǎn)標(biāo)高和滲徑長度均可用封堵體進(jìn)水面的豎直線與壩坡面的交點(diǎn)來確定（見圖一）。

封堵體前尾礦堆積壩最大平均水力坡降可用下式表示：

實(shí)際封堵長度應(yīng)大于該封堵體界限長度，并滿足封堵體自身安全長度。

四、封堵體長度（或厚度）的計(jì)算

（1）梁板型封堵體。梁板型封堵體應(yīng)按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行?？刹捎谜瀣F(xiàn)澆或預(yù)制塊安裝。當(dāng)用于井座頂時(shí)，井座頂應(yīng)當(dāng)有足夠的支承長度；當(dāng)用于隧洞或管道內(nèi)時(shí)，應(yīng)預(yù)留槽孔。主要用于井座頂?shù)姆舛?。?）抗剪型封堵體。封堵體迎水面總壓力由封堵體與周邊（隧洞襯砌、巖壁、管壁）的有效接觸面積抗剪強(qiáng)度來承擔(dān)。水利部、電力部各有《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》封堵體長度的計(jì)算方法。（3）重力型封堵體。重力型封堵體長度遠(yuǎn)大于抗剪型封堵體長度，故不宜推薦。（4）反濾型封堵體。反濾型封堵體還可分為透水型和防滲型二類；為防止尾砂隨滲水帶出和使封堵體迎水面的壓力均勻地作用到封堵體上，必須采用反濾型封堵。（5）膏體封堵體。在滿足充填壓力坡降的前提下，還可摻入一定比例的粗尾砂。體積含水率達(dá)95～97%，凝固速度快，具有低標(biāo)號混凝土的抗?jié)B性，強(qiáng)度增長快，其抗壓強(qiáng)度已經(jīng)超過煤礦對充填材料的強(qiáng)度要求。在冶金礦山井下充填也得到應(yīng)用，凝固時(shí)間在20分鐘左右。凝固前10分鐘泵送性能好，自然流動(dòng)坡降在1～2%左右，無毒無腐蝕性，缺點(diǎn)是遇陽光和通風(fēng)后會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象，適用于全尾砂充填井下充填護(hù)壁和尾礦庫排洪系統(tǒng)封堵，價(jià)格適宜。（6）其他型式的封堵體。① 井座封堵：直接在井座內(nèi)進(jìn)行封堵，可采用剛性封堵，也可進(jìn)行防滲反濾封堵。由于井座側(cè)壁開有孔洞，剛性封堵在部分無側(cè)限時(shí)有可能擠壓破壞，散粒體封堵更應(yīng)按其主動(dòng)土壓力來設(shè)計(jì)側(cè)向封堵體長度。② 錐形、拱形封堵：錐形封堵實(shí)際上也是拱形封堵，將正壓力轉(zhuǎn)化為側(cè)壓力，由井壁、管壁或洞壁來支撐。

五、幾點(diǎn)結(jié)論

（1）尾礦庫排洪系統(tǒng)封堵應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合分析封堵位置合理性；（2）梁板式在井座頂封堵較為適宜；（3）當(dāng)塊石粒徑大于1/5洞（管）徑時(shí)，不能考慮在洞（管）壁形成主動(dòng)土壓力的側(cè)向摩阻力；或全是混凝土澆筑但因沒有鑿毛處理，混凝土收縮后易形成滑動(dòng)面，僅按自重產(chǎn)生的摩擦力抗滑，則封堵體長度過長，不適宜采用；（4）抗剪型封堵體宜在排洪井井徑較大或在排洪支洞（管）內(nèi)施工較適宜時(shí)采用；（5）宜采用防滲型反濾型封堵，工程投資較省、施工方便，但施工管理難度較大，建議通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證力學(xué)模型和提供物理力學(xué)指標(biāo)；（6）尾礦庫加高擴(kuò)容對原排洪系統(tǒng)封堵時(shí)，因結(jié)構(gòu)安全和尾礦堆積壩滲透穩(wěn)定安全要求封堵體較長時(shí)宜采用高水材料封堵。

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