某尾礦庫(kù)工程排洪方案研究

李 斌

尾礦庫(kù)作為礦山的一個(gè)重要的設(shè)施，是用來(lái)貯存金屬或者非金屬礦山所排出的尾礦、其他廢渣的場(chǎng)所，是通過(guò)筑壩攔截河谷、圍地等而構(gòu)成的。在我們國(guó)家，尾礦庫(kù)通常都是采取濕法排放或者上游式筑壩等，所以在庫(kù)區(qū)的尾部，通常都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的一片澄清的水域。但是重要的地方在于在上游通常也都會(huì)有一定的、較大的匯水面積。對(duì)此情況如若不高度重視，不采用相關(guān)的措施，那么，這些匯水一旦進(jìn)入到了庫(kù)區(qū)，就會(huì)造成庫(kù)區(qū)的水位急劇上升以及尾礦庫(kù)的沉積灘變短等等。這樣一來(lái)，一旦到達(dá)一定的程度，就會(huì)使得礦壩發(fā)生事故，像是洪水漫頂或者滲流破壞等等。一旦發(fā)生這樣的事故，就將會(huì)對(duì)位于尾礦庫(kù)下游的人民的生命、財(cái)產(chǎn)等產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。不僅如此，這樣的事故對(duì)環(huán)境也會(huì)嚴(yán)重的污染。根據(jù)相關(guān)的研究統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)，尾礦庫(kù)的事故中，因?yàn)楹樗斣斐傻奈驳V庫(kù)事故占到將近45%，因?yàn)榕藕橄到y(tǒng)造成的尾礦庫(kù)事故占了將近34%。防洪排洪的安全一直是視作礦山的生命線，所以，在尾礦庫(kù)的建設(shè)與運(yùn)行中，排洪工作是一項(xiàng)十分重要的工作，需要高度重視，否則一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想。那么，如何做好尾礦庫(kù)的防洪排洪工作呢？本文以某尾礦庫(kù)為例，分析研究尾礦庫(kù)中排洪設(shè)施的布置及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期能夠?yàn)橥薪梃b參考，同時(shí)拋磚引玉，讓大家能夠更廣泛的討論，以激發(fā)出更多好的方案。

1 尾礦庫(kù)概況

該尾礦庫(kù)屬于一個(gè)中型工程，為三等，其位置在一主干系的支流河流上，并且還涉及到一個(gè)國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)。該尾礦庫(kù)的總庫(kù)容是4940 萬(wàn)立方米，其中調(diào)洪庫(kù)容是125 萬(wàn)立方米，興利庫(kù)容是3520 萬(wàn)立方米，死庫(kù)容是1295 萬(wàn)立方米，該尾礦庫(kù)的主要擋水設(shè)施是一個(gè)砂礫石壩。該大壩的最大壩高是81.4 米。泄水設(shè)施則主要包含溢洪道、導(dǎo)流洞、泄洪排沙。該尾礦庫(kù)的主要設(shè)施如溢洪道、大壩、泄洪排沙兼導(dǎo)流洞等是按100 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，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。施工期的臨時(shí)度汛洪水是按100 年一遇洪水，紅梗流量是530 立方米每秒，該尾礦庫(kù)的大壩平面布置示意圖請(qǐng)見(jiàn)圖1。

圖1 尾礦庫(kù)大壩平面布置示意圖

2 泄洪設(shè)施的布置

該尾礦庫(kù)的壩址的右岸牽扯到了一個(gè)國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，以及一個(gè)國(guó)家天然林保護(hù)區(qū)。并且大壩壩址所在位置是一個(gè)遼闊的不對(duì)稱“U”字形峽谷。該峽谷左岸有些彎曲，右岸則是比較順直。該峽谷右岸的條件不適宜修建泄洪設(shè)施，所以，綜合考慮交通、地形和地貌等因素，決定泄洪設(shè)施均在左岸修建。

2.1 布置溢洪道

方案有溢洪道方案、溢洪洞方案兩個(gè)方案，它們之間的對(duì)比，可以見(jiàn)表1。

表1 溢洪道方案、溢洪洞方案分析對(duì)比表

由上表可知，最終決定布置的方案采用岸坡式溢洪道方案，根據(jù)該方案布置溢洪道在左岸，緊靠著左壩肩。其組成部分包括泄槽段、引渠段、控制段、出口挑流消能段。并且在引渠段設(shè)置彎道，以便可以繞開(kāi)左壩肩，把洪水排入到下游的河道。溢洪道的出口在山洪溝道的溝口，其軸線跟河道成30 度的夾角。

2.2 布置泄洪排沙兼導(dǎo)流洞

考慮到泄洪排沙兼導(dǎo)流洞既要排沙泄洪又要放空尾礦庫(kù)，以及施工導(dǎo)流度汛，所以它的洞軸線高程、洞進(jìn)口都比較低，所以，在左右兩岸，它都可以布置在基巖之中，但是右岸比較陡峭，雖河岸比較的順直，階地卻高出河床130 米，不適宜洞進(jìn)口在此進(jìn)行布置。左岸雖河岸是比較彎的，卻比較適宜布置進(jìn)口設(shè)施且其比較易進(jìn)水。所以最終決定選擇左岸布置泄洪排沙兼導(dǎo)流洞。

3 設(shè)計(jì)泄水設(shè)施的體型

3.1 溢洪道

溢洪道采取了開(kāi)敞式的溢洪道，長(zhǎng)度共543.22 米，泄量最大為521.46 米，組成部分包括泄槽段、控制段、出口挑流消能段、引渠段等。

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

（1）挖掘的深度比較大，最深的地方可以挖到42 米。挖掘形成的高邊坡其所需的加固處理措施、穩(wěn)定性是需要做好的重點(diǎn)。

（2）由于在左岸沒(méi)有天然形成的埡口，壩軸線與岸線又幾乎呈垂直。所以讓溢洪道繞開(kāi)壩肩是比較有難度的。

（3）進(jìn)水渠、泄槽擋墻都比較高，所以如何選擇擋墻結(jié)構(gòu)對(duì)工程的安全來(lái)講是需重點(diǎn)考慮的地方。

（4）在工程中，控制段有一部分是在洪積礫石土中，這一片的地基，結(jié)構(gòu)都比較松散，所以該處的持力效果也比較差、抗沖刷、抗滑的性能都比較低，對(duì)于這樣的情況，提高泄槽段的抗滑力、閘基的承載能力是重點(diǎn)，同時(shí)，做好控制段的截滲也是一個(gè)非常重要的方法，這些都需要重點(diǎn)考慮。

（5）在壩線下游的地方，該地左側(cè)有一個(gè)溝道，該溝道的溝口處于下游處壩腳的位置，其與溢洪道的出口相距較近，需要重點(diǎn)注意，其會(huì)對(duì)大壩的整體安全構(gòu)成一定的危害。

（6）工程中因?yàn)樽o(hù)坦段齒槽、挑流消力池它們比河道的水位要低些，那么，在挖掘的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)河水倒灌的現(xiàn)象，這個(gè)地方需要高度重視。并且溢洪道的出口與壩體的壩腳在下游的地方靠的比較近，所以，這樣也會(huì)容易造成對(duì)壩腳、設(shè)施的破壞。

3.1.2 解決方案

（1）根據(jù)問(wèn)題，經(jīng)考慮，最后決定采取貼坡式擋墻、重力式擋墻+錨桿加固的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以很好地解決高擋墻的受力變形、穩(wěn)定性等問(wèn)題。并且這樣的設(shè)計(jì)不會(huì)使得擋墻體型很大，可以較好地減輕工程的經(jīng)濟(jì)成本。進(jìn)口引渠的左側(cè)墻，高15 米，直接現(xiàn)澆鋼筋混凝土貼坡式擋墻，其背部用錨桿定固，錨桿長(zhǎng)三米，間距兩米?？刂贫伍l室至泄槽段，側(cè)墻高度為四米至十八米，直接現(xiàn)澆鋼筋混凝土衡重式擋墻。其背部、底板同樣用錨桿定固，錨桿長(zhǎng)三米，間距兩米。

（2）對(duì)該問(wèn)題的解決，經(jīng)考慮，對(duì)進(jìn)口引渠段運(yùn)用直線段加弧段的方案。直線段長(zhǎng)108.17 米，弧段長(zhǎng)87.2 米。圓心角是103度，半徑是51 米。

（3）經(jīng)考慮，對(duì)巖石邊坡采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土網(wǎng)格梁、混凝土預(yù)制塊、錨桿進(jìn)行防護(hù)的方案，其中錨桿的間距兩米，長(zhǎng)四米。對(duì)砂礫石邊坡采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土網(wǎng)格梁、混凝土預(yù)制塊的方案進(jìn)行防護(hù)。并且與排水措施相結(jié)合以提高高邊坡的穩(wěn)定性。

（4）為了解決控制段的閘基所存在的滲透的問(wèn)題，以及存在的承載力的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)慎重的考慮，決定采取截滲墻、刺墻、固結(jié)灌漿相結(jié)合的技術(shù)以解決上述存在的問(wèn)題。將截滲墻、刺墻設(shè)立于閘墩的兩側(cè)之處，并且于刺墻、閘基下設(shè)立帷幕灌漿，這一設(shè)立是要沿著壩體瀝青心墻的中心線的，此為前提。具體的設(shè)置是將刺墻設(shè)立于閘的右側(cè)，刺墻的底部連接的是心墻的基座，刺墻的端部則連接的是瀝青心墻，刺墻是與控制閘進(jìn)行的整體的設(shè)計(jì)。刺墻設(shè)計(jì)的高度是12 米，刺墻的厚度設(shè)計(jì)的是3.3 米。將刺墻設(shè)計(jì)完后，則設(shè)計(jì)將截滲墻設(shè)立于控制閘的左側(cè)之處，截滲墻是用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑而成的。截滲墻的高度設(shè)計(jì)的為12 米，截滲墻的墻頂設(shè)計(jì)的厚度是1 米，墻底的厚度則設(shè)計(jì)的為3.3 米。需要知曉的是刺墻、截滲墻的中心線皆是瀝青心墻的中心線。

在進(jìn)行固結(jié)灌漿的時(shí)候，是在閘基的基礎(chǔ)范圍內(nèi)進(jìn)行，布置的時(shí)候是按梅花形進(jìn)行的，其深度為5 米。固結(jié)灌漿的間距與排距皆是3 米。為了解決泄槽的抗沖刷、抗滑能力比較差的問(wèn)題，經(jīng)慎重的考慮，將泄槽每隔15 米進(jìn)行分縫，且使用搭接嵌套的方式將泄槽的底板連接起來(lái)，搭接底板的齒的厚度是1 米。

（5）為了解決水溝道對(duì)壩體構(gòu)成的危害，采取措施，具體是將現(xiàn)在的水溝道進(jìn)行改道，防護(hù)壩體的安全。經(jīng)改道，將水流轉(zhuǎn)引入到河道，具體的做法是設(shè)立擋墻在水溝道的出口處，以便攔截泄水。且在河床的左側(cè)，挖掘排洪涵洞，以及護(hù)砌行溝道。這樣，可以將洪水導(dǎo)引到壩腳與泄洪洞出口之間的河道之中，將溝道的出口用擋墻擋了之后，再用其他工程的挖掘料將其夯填。如此，便能夠保障壩腳、擋墻的安全。

（6）對(duì)于河水倒灌的問(wèn)題，可以在工程建設(shè)的時(shí)候，選擇在壩體下游的地方修建施工擋水圍堰。該圍堰在施工的時(shí)候可以發(fā)揮它的作用，在完工后，也是可以當(dāng)做永久工程進(jìn)行保留的。那么，可以經(jīng)該圍堰以及相應(yīng)的防護(hù)工程，通過(guò)它們的作用的發(fā)揮，可以很好地解決在施工期間的河水倒灌的問(wèn)題，在運(yùn)行期時(shí)候的水流對(duì)壩腳的沖刷破壞，也是可以有效的解決的。

3.2 泄洪排沙兼導(dǎo)流洞

泄洪排沙洞是有壓洞。泄洪洞的下泄流量是462 立方米每秒，校核洪水位的時(shí)候，泄洪洞的下泄流量是464.1 立方米每秒。根據(jù)前期運(yùn)行需要的同時(shí)也考慮到年泥沙淤積的影響，所以泄洪排沙洞設(shè)置了低位、高位兩個(gè)進(jìn)水口，低位進(jìn)水口作用為保障施工期、前期的輸水，將其設(shè)置在了壩軸線上游125 米處。高位進(jìn)水口作用為保障正常運(yùn)行期、運(yùn)行后期的輸水，將其設(shè)置在壩軸線上游278 米處。

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

（1）一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題是隧洞圍巖地質(zhì)條件比較差，開(kāi)挖毛洞之后很難自穩(wěn)。拱頂處、邊墻都容易變形坍塌。隧洞圍巖以砂質(zhì)泥巖、夾砂巖為主，巖體的結(jié)構(gòu)也是不均一。洞身的巖體巖性軟弱，透水性也比較差，巖體是比較軟的巖體，加之穩(wěn)定性差，自穩(wěn)時(shí)間比較短，局部常有坍塌現(xiàn)象，圍巖屬于四類圍巖。洞身局部受到相關(guān)地質(zhì)、氣候影響，圍巖穩(wěn)定性更差，極不穩(wěn)定，出現(xiàn)地面塌陷現(xiàn)象，圍巖屬于五類類別。

（2）壩址左岸的隧洞比較多，既有原來(lái)的輸水洞，也有新建的輸水洞，還有導(dǎo)流洞等。隧洞較為集中，如何科學(xué)安排隧洞之間的距離、位置關(guān)系成為了關(guān)鍵問(wèn)題。

（3）依照洞涇、最大泄量等數(shù)據(jù)，復(fù)核計(jì)算，隧洞泄洪最大流速為17.9 米每秒，泄洪流速比較高，所以在對(duì)隧洞洞壁抗沖耐磨的用料、洞身安全等問(wèn)題是需要考慮的重點(diǎn)。

3.2.2 解決方案

（1）對(duì)于地質(zhì)條件問(wèn)題，進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。在頂拱180 度范圍內(nèi)布置錨桿，錨桿間距1 米，長(zhǎng)3 米。以梅花形布置掛鋼筋網(wǎng)。再于緊貼巖面處架設(shè)鋼拱架，噴2 米厚混凝土。二次襯砌現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度達(dá)8 米，再迎水面架設(shè)鋼板，且預(yù)留灌漿孔。

（2）經(jīng)勘查，原來(lái)的輸水洞的型式為城門洞型，其平面位置相交于左壩肩壩軸線?？紤]將泄洪排沙洞布置為與該輸水洞呈近平行狀，它們的間距是16 米。同時(shí)將泄洪排沙洞的洞底高程設(shè)計(jì)為低于原來(lái)的輸水洞的洞底高程。新建輸水洞與泄洪排沙洞平面相交，新建輸水洞高程高于泄洪排沙洞的洞頂。因?yàn)閮蓚€(gè)洞相距比較近，開(kāi)挖會(huì)易發(fā)生坍塌現(xiàn)象。新的輸水洞因?yàn)槭情L(zhǎng)流水，有滲漏的現(xiàn)象，也需要加強(qiáng)排水和支護(hù)措施。因?yàn)樵瓉?lái)的輸水洞相交與左壩肩，部分部位會(huì)影響尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行，所以對(duì)穿過(guò)左壩肩的原來(lái)的輸水洞洞段，采取使用混凝土灌漿封堵。

（3）對(duì)于水流高速?zèng)_刷的問(wèn)題，采取隧洞二次襯砌混凝土，現(xiàn)澆抗沖耐磨的混凝土。并且再于迎水面加襯鋼板以便提高洞壁的抗沖耐磨的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

該工程有受到復(fù)雜地質(zhì)條件、較為順直的河谷、多工程交叉、國(guó)家自然保護(hù)區(qū)等多重因素的影響，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也要考慮安排好泄洪設(shè)施的布置、結(jié)構(gòu)選型等問(wèn)題，對(duì)于以上多個(gè)因素的制約、存在的問(wèn)題，本文提出了相應(yīng)的科學(xué)且經(jīng)濟(jì)的可行性方案，希望能夠拋磚引玉，對(duì)同類型工程的泄洪設(shè)施的設(shè)置、結(jié)構(gòu)選型能夠具有參考意義，也希望能有更好的方案出現(xiàn)供同行參考借鑒。尾礦庫(kù)的排洪方案做的好不好對(duì)尾礦壩的運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用，一個(gè)好的排洪系統(tǒng)不僅僅能夠節(jié)省工程的投資成本，更重要的是能夠在最大程度上保障人民的財(cái)產(chǎn)不受損失、人民的安全不受到威脅，這是最重要的也是最本質(zhì)的意義的所在。為此，作為業(yè)內(nèi)人士更應(yīng)時(shí)刻重視尾礦庫(kù)的排洪工作，時(shí)刻將人民的財(cái)產(chǎn)、安全放于心間，只有這樣，方能時(shí)刻警醒自己，不大意，不放松，做好相關(guān)安全工作。

為了更好的解決導(dǎo)流洞中高速水流沖刷的問(wèn)題，文中選擇了一種新型的高強(qiáng)抗沖耐磨的混凝土進(jìn)行現(xiàn)澆以解決該問(wèn)題。為了在未來(lái)能夠更好地進(jìn)一步量化材料的相應(yīng)的抗沖耐磨的效果，可以對(duì)這種新型的抗沖耐磨的材料及其抗沖耐磨的效果做進(jìn)一步的研究，這是未來(lái)的一個(gè)可以嘗試的研究的方向，相信會(huì)有更多的收獲的。