尾礦庫排水井蓋板失事的原因及對策

劉瀚和，趙自越

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

我國作為一個礦業(yè)大國，伴隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生了大量尾礦庫。據(jù)統(tǒng)計，截止到2012年底，全國共有尾礦庫12 273座[1]。尾礦庫作為一種必要的尾礦堆存處置措施，也是重大危險源。一般尾礦中含有大量的重金屬危害元素，一旦產(chǎn)生泄露或潰壩，尾礦及庫內(nèi)廢水將排入下游，將對下游環(huán)境及人民生命財產(chǎn)造成嚴重危害。據(jù)不完全統(tǒng)計，將近20%的尾礦庫事故是由于洪水導致，主要原因包括排水泄流設施發(fā)生故障或損壞等[2]。

我國大多數(shù)尾礦庫采用上游式堆積筑壩型式，由于其排水系統(tǒng)進水口需隨著壩體上升而逐漸提高，因而常采用排水井或斜槽作為進水構筑物。其中排水井由于進水能力較強越來越多被采用。但近年來，隨著眾多尾礦庫使用到后期，陸續(xù)發(fā)生了多起排水井蓋板失事事故。本文通過2個典型案例，對排水井蓋板失事原因進行擴展分析，進而提出系統(tǒng)的解決對策。

1 蓋板失事案例

從筆者所接觸的蓋板失事案例來看，以下2個案例具有典型代表意義。

1988年6月19～23日，東鄉(xiāng)銅礦尾礦庫排水井蓋板斷裂，導致泄漏尾砂約55 000 m3，外排尾礦水約6 000 m3，沖刷山坡泥石約6 000 m3，致使農(nóng)田44.76 hm2、魚塘1.47 hm2和7條灌溉渠道被污染。后期分析，排洪井蓋板失事的直接原因是礦方設計有誤，蓋板受力未能實現(xiàn)雙鉸拱環(huán)形受壓狀態(tài)，且配筋有誤；間接原因是施工質量差原因[3]。

2015年11月23日晚，甘肅省隴南市西和縣甘肅隴星銻業(yè)有限責任公司選礦廠尾礦庫排水井水面下約6 m處的拱圈蓋板破裂，導致溢流井周圍尾礦漿流入太石河。此次事件有25 000 m3的尾礦及尾礦水泄漏，直接經(jīng)濟損失6 120.79萬元。事件還造成了甘肅省西和縣至四川省廣元市境內(nèi)346 km河道銻濃度超標，導致甘肅、陜西、四川3省10.8萬人供水受到影響。后期分析，該事故蓋板失事的直接原因是排水井拱板與立柱之間較大縫隙未合理填塞，導致排水井拱板未形成雙鉸拱環(huán)形受壓狀態(tài)；間接原因有施工質量差等原因[4]。

2 失事原因分析

一般而言，框架式排水井高15~24 m，蓋板高度一般為30 cm。對于常見的外徑為3 m尺寸排水井，其有6柱，在使用年限內(nèi)將有300~480塊蓋板投入使用。一座排水井從設計、施工、投入使用到后期封堵，一般運行時間短則3~5年，長則達10年以上，在這期間，任何一塊蓋板失事，都將導致泄漏，且事故的發(fā)生往往是由很多原因促成的。排水井蓋板失事的前期主要包括設計過程、施工過程、管理過程。這3個過程的主要參與方如自身出現(xiàn)失誤，或者在系統(tǒng)銜接上出現(xiàn)漏洞，都有可能導致事故的發(fā)生。下文從這3個過程的主體入手進行蓋板失事原因分析。

2.1 設計因素

分析上述2個典型事故案例原因，主要是由于蓋板未能實現(xiàn)雙鉸拱環(huán)形受壓狀態(tài)，導致在蓋板受到尾砂及水的壓力時，其中間受到彎矩的作用拉裂，進而折斷。圖1為典型1座外徑3 m的典型排水井平面圖。圖2為典型蓋板受力圖。

圖1 典型排水井平面

圖2 典型蓋板受力圖

由圖1可知，排水井由6根立柱和圈梁組成，外面設置蓋板。蓋板兩端與立柱突出部分垂直，當收到均勻環(huán)向外壓時，蓋板通過立柱傳遞力，實現(xiàn)環(huán)向整體受力。根據(jù)計算，在此工況下，蓋板呈現(xiàn)理想的雙腳拱受力情況，僅受軸向壓力作用，而不存在彎矩及剪力的作用[5-6]。根據(jù)測算，30 m的尾砂及水壓力條件下，蓋板可采用C20鋼筋混凝土結構，其厚度取10 cm，配筋只要滿足最小配筋率要求即可。

由圖2可知，當立柱突出部分或者蓋板兩端不垂直，則蓋板受力狀態(tài)不再是環(huán)形受壓，而會出現(xiàn)類似梁的受力情況，從而出現(xiàn)彎矩受力情況。此時，按照上述配筋及結構尺寸做的蓋板，其抵擋荷載能力大大降低，甚至僅能抵擋不到5 m高的尾砂和水壓力。這也是上述案例出現(xiàn)事故時，其尾砂和水的壓力荷載遠沒有達到設計工況的主要原因。根據(jù)此情況，設計只要按照幾何尺寸設計，并進行結構計算，蓋板安全是有保障的。

2.2 施工因素

蓋板一般采用鋼筋混凝土預制結構，早期澆筑時常采用木模，施工質量不高。近年來隨著鋼模的普遍使用，蓋板施工質量有所提升。蓋板施工主要存在以下問題：1）蓋板幾何尺寸不滿足要求。有些蓋板的兩端沒有嚴格按照設計來施工，呈現(xiàn)尖角狀。根據(jù)設計工況，此類蓋板放置于排水井時，不能起到拱的作用，容易出事。2）混凝土的質量達不到設計要求。施工單位不注重混凝土試驗，配合比、水灰比、骨料質量等未嚴格把關，均可能導致混凝土質量強度不滿足要求。當作業(yè)完成后未能及時養(yǎng)護，也可能導致混凝土強度不能滿足要求。3）施工作業(yè)不規(guī)范。在立模時，未能考慮到澆筑和振搗時的力而導致脫模；在鋼筋放置時，未嚴格按照設計要求做到混凝土保護層厚度；在澆筑時，振搗不足或過振導致蜂窩、麻面、溝洞嚴重，結構強度不能滿足要求。上述3個主要因素均可能導致蓋板質量不滿足設計要求，不能服務至排水井封堵時間。其中，第（1）條因素，是最容易忽視，也是最容易出現(xiàn)失事的情況。

2.3 管理因素

排水井服務周期較長，后期運營管理時基本由礦方組織生產(chǎn)人員進行蓋板安裝。管理主要存在以下問題：1）安全意識不強。多數(shù)尾礦操作工并不具備對尾礦庫、排水井等重要設施的安全意識。對于蓋板安裝，認為只要當時安裝上去，就沒問題了。2）對蓋板安裝要求不了解。安裝前對蓋板質量沒有進行認真核實，對蓋板幾何尺寸不達標或者多年露天放置而出現(xiàn)混凝土表面碳化的蓋板，以及存在漏筋情況的蓋板均不以為然。在排水井安裝蓋板時，多為水上作業(yè)，安裝時不注意用水泥砂漿填塞，有的用麻絲，甚至用小石塊填塞縫隙即完成安裝任務。

2.4 綜合分析

綜合分析上述3個因素，結合現(xiàn)有尾礦庫的實際運行情況，多數(shù)呈現(xiàn)施工質量不達標，安裝時不注意細節(jié)等情況。當出現(xiàn)幾何尺寸不達標或者安裝時填塞不好時，會導致蓋板受力不能呈現(xiàn)完整的雙腳拱環(huán)形受壓情況，此時危險最大，應堅決杜絕。另外，3個因素中的任何因素的脫節(jié)，都會導致事故的發(fā)生。

3 解決對策

根據(jù)蓋板失事原因分析，本文從設計方、施工方、管理方3個方面提出建議，以此來提高蓋板運行安全的可靠度。

3.1 設計方建議

設計方建議包括：1）施工圖明確。設計人員在施工圖設計時，要對蓋板內(nèi)外半徑、弧長標注清楚，對立柱突出部分的角度也需明確，務必確保蓋板兩端與立柱突出處幾何上呈垂直狀態(tài)。2）注重施工交底。在施工圖施工交底時，要明確排水井系統(tǒng)（蓋板）的重要性。鑒于現(xiàn)有施工技術的發(fā)展，建議設計提出蓋板施工時采用鋼膜，并對外觀尺寸要求、混凝土標號、鋼筋保護層厚度強調(diào)說明。3）注重安全管理要求的敘述。設計人員在施工圖的安全管理圖紙中，要明確排水井蓋板的安裝要求，并重點交代礦方尾礦庫管理人員。為便于礦方尾礦庫管理人員安裝蓋板，建議在每個立柱外側設置鋼筋，便于安裝時用力。4）注重驗收程序。尾礦庫排洪系統(tǒng)竣工驗收時，對蓋板的幾何尺寸、表面質量、混凝土標號驗證記錄等進行著重查看。若有不達標，堅決要求廢棄。

3.2 施工方建議

施工方在預制蓋板時，首先要認真理解設計圖紙要求，并按照規(guī)范程序進行施工作業(yè)。具體建議包括：1）蓋板預制時要求采用鋼模澆筑，確保幾何尺寸達到設計要求。考慮模板支撐時，必須保證模板的變形要求，架力牢靠，不能在澆筑時跑?；蜃冃芜^大。澆筑前要涂抹脫模劑。2）重視混凝土試驗。在實施澆筑前完成混凝土試驗，以控制好原材料、水灰比、砂率、骨料級配、塌落度指標。3）重視各環(huán)節(jié)細節(jié)要求。蓋板施工包括架設鋼筋、支模板、澆筑、養(yǎng)護等工序。鋼筋必須按照設計的直徑和位置架設，在架設時確保保護層厚度達標?；炷翝仓r，認真振搗，不得漏振或過振。澆筑完成后必須保持一定強度后再拆模，拆模過早則容易引起裂縫。脫模后，必須加強養(yǎng)護，嚴防因暴曬失水，降低混凝土的強度和防滲、抗凍能力。4）必要時按照蓋板數(shù)量預留1.1~1.2倍的富余。由于蓋板使用時間較長，難以確保每塊蓋板在后期仍能滿足設計要求。因此，建議施工時預留一些富余，防止當蓋板不夠用時，礦方使用臨時隊伍澆筑的質量不達標的蓋板。

3.3 管理方建議

尾礦庫管理人員主要負責蓋板的安裝作業(yè)。幾百塊蓋板的安裝，任何一塊蓋板安裝不合理，均可能導致尾砂泄露事故的發(fā)生，因此管理人員應首先在思想上重視起來。針對管理方的建議有：1）落實設計方的安裝蓋板要求，對安裝人員進行培訓上崗。2）安裝時重點把關。安裝蓋板前，要檢查蓋板是否滿足要求，幾何尺寸是否達標。如果出現(xiàn)漏筋、蜂窩麻面較多的情況，堅決不能再用。3）重視最后一道施工工序。蓋板安裝時，首先要將蓋板放置在合理位置，兩端與立柱突出部分呈垂直狀態(tài)，然后對縫隙進行砂漿填實。4）對暫時不用的蓋板進行保護。由于蓋板使用期限較長，有條件的情況下，可以將蓋板放置于尾礦庫管理車間。沒有條件時，可采用防雨棚等對蓋板進行防雨保護。

4 結語

排水井蓋板的安全是一個系統(tǒng)問題，設計過程、施工過程、管理過程的各參與方為蓋板安全的利益共同體，需按照各自的要求把好關。設計方在技術把控上，應擔當起對蓋板施工和管理安裝需符合雙腳拱環(huán)形受壓的設計工況的要求上，注重施工交底。施工方須嚴格按照設計方的要求執(zhí)行到位，使蓋板質量達標。管理方應重視排水井蓋板的重要性，注重細節(jié)把控，確保蓋板安裝后能達到設計運行工況。