尾礦庫(kù)排洪回水隧洞成洞條件探討

何明亮

（長(zhǎng)春黃金設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

在選廠尾礦設(shè)施運(yùn)行期間，涉及到多方面系統(tǒng)，如尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)、尾礦輸送系統(tǒng)、尾礦回水系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)能夠提升礦山尾礦庫(kù)的運(yùn)行穩(wěn)定性，使其處于可持續(xù)性的運(yùn)行階段，雖然排洪系統(tǒng)并不參與到正常生產(chǎn)中，但卻是尾礦庫(kù)安全的重要保障。通常情況下，排洪工程路線最長(zhǎng)可達(dá)幾公里，包含的工程量特別大，所需的資金非常多，直接影響了尾礦庫(kù)項(xiàng)目的建設(shè)。排洪回水隧洞作為尾礦庫(kù)基本的排洪構(gòu)筑物之一，其結(jié)構(gòu)可靠、排洪效果良好，能夠?qū)⒑樗行判钩鋈?，保障尾礦庫(kù)處于安全運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)。與此同時(shí)，地形地貌和水文工程地質(zhì)條件也直接限制了隧洞工程的實(shí)施，除了加劇施工難度之外，上部的構(gòu)筑物、圍巖、地下水等也直接影響著實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[1]。通過(guò)相關(guān)分析得出，我國(guó)出現(xiàn)的尾礦庫(kù)病害事故中排洪系統(tǒng)病害事故占據(jù)的比例都是非常大，加強(qiáng)尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)的隧洞洞線選取和建設(shè)質(zhì)量極為重要，如果發(fā)生排泄不流暢、堵塞等事故以后，必定會(huì)引起嚴(yán)峻的尾礦庫(kù)危害和地質(zhì)災(zāi)害，甚至是引發(fā)周邊環(huán)境污染和下游村莊被淹等一系列安全、環(huán)保問(wèn)題。本文以某排洪回水隧洞工程為例，研究尾礦庫(kù)隧洞的成洞條件和安全對(duì)策措施。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌情況

在排洪回水隧洞沿線，圍巖發(fā)育規(guī)模不一致，大多數(shù)處于老年期，有一小部分為中年期，有活動(dòng)性非常弱，中等切割，淺切割庫(kù)岸山體，庫(kù)岸自然坡度25°～40°支溝自然坡降8°～15°。排洪回水隧洞沿著線路地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)良好，溝谷段主要生長(zhǎng)樹(shù)木包含了灌木和草類(lèi)植被等，山坡段則是成長(zhǎng)期，中年期的云南松和灌木，地貌上則屬于低中山中等切割構(gòu)造剝蝕坡地地貌[2]。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

對(duì)于排洪回水隧洞上游段來(lái)講，主要斷層影響存在破碎帶構(gòu)造，破碎帶層底高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地表，下游地層沉積次序正常，構(gòu)造作用不是特別明顯。排洪回水隧道主要是通過(guò)斷裂構(gòu)造作用，對(duì)其穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

1.3 地層巖性

在排洪回水隧洞工程中，一般是借助地層結(jié)構(gòu)以及里程長(zhǎng)度依照各段巖土層特征實(shí)施相關(guān)的分段工作，主要分為A段和B段。A段的地貌為支山梁和內(nèi)溝相間發(fā)育，坡殘積粘土溝谷段包含了少量的坡洪積粘土，厚度小于2m，下面是全風(fēng)化絹云母板巖，溝谷段埋深非常長(zhǎng)，梁段埋深較??；B段的地貌是緩坡溝谷，溝谷段有著少量的坡洪積粘土，全風(fēng)化絹云母板巖。

2 水文地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)排洪回水隧洞通過(guò)的地層局部為灰質(zhì)板巖構(gòu)造破碎帶，剩余的地段是弱風(fēng)化灰色板巖，排洪回水隧道通過(guò)的地下水主要流經(jīng)炭質(zhì)板巖構(gòu)造破碎帶。碳質(zhì)板巖構(gòu)造破碎帶和主溝谷內(nèi)地表地下水有著密切的聯(lián)系。整體上而言，穩(wěn)定性良好，含水量非常大。

3 分析成洞條件

3.1 評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性

當(dāng)前階段，完成洞室開(kāi)挖工作以后圍巖的穩(wěn)定性受到二次應(yīng)力和圍巖之間關(guān)系等因素的影響，在洞室附近將會(huì)形成三向不同的區(qū)域，分別表現(xiàn)為塑性松動(dòng)圈、應(yīng)力增高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。洞室開(kāi)挖形成了新的凌空面，洞壁原有的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榱硕驊?yīng)力，洞周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的巖體應(yīng)力重新調(diào)整，重新分布應(yīng)力，在應(yīng)力重新分布的領(lǐng)域內(nèi)一般為三倍洞徑左右，在該項(xiàng)領(lǐng)域內(nèi)，巖體處于原始應(yīng)力狀態(tài)，本身不會(huì)被洞室開(kāi)挖工作所干擾，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致松動(dòng)圈原巖和原巖體分離，產(chǎn)生的荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。因?yàn)榕藕榛厮淼栏鞫未┰降牡貙訋r性，強(qiáng)度厚度、巖體完整程度之間差別非常大，巖體的穩(wěn)定能力和塑性圈大小之間有著明顯的不同之處。其次，隧洞出口位置處于山前坡腳部位，地形十分平緩，粘土暴露在坡面期間。基于干濕交替作用下容易形成全風(fēng)化絹云母板巖，邊坡暴露在外部穩(wěn)定能力下降，容易產(chǎn)生小部分的塌落情況。強(qiáng)風(fēng)化絹云母板巖質(zhì)粒穩(wěn)定性能極好，暴露在挖方邊坡坡面的情況下無(wú)水力沖刷以及外地破壞作用中自立穩(wěn)定。隧洞出口揭露的地層為上述三層，隧洞洞身在出口段主要穿越弱風(fēng)化灰色板巖，部分穿越風(fēng)化絹云母板巖，成洞以后穩(wěn)定性比較短，容易產(chǎn)生變形破壞情況。最后，隧洞進(jìn)口處于岸坡地段，岸坡自然坡度為35°，暴露在挖方邊坡坡面的情況下自立穩(wěn)定性較差，容易成形成塌陷現(xiàn)象，有滲水或者是低于表水經(jīng)過(guò)以后破壞規(guī)模程度更高，隧洞進(jìn)口埋設(shè)在構(gòu)造破碎帶，變形現(xiàn)象極為嚴(yán)重。

3.2 地下水的地表滲流方式體現(xiàn)

炭質(zhì)板巖構(gòu)造破碎帶中的裂隙水地表排泄特征呈現(xiàn)出微透水性，流量比較小，地下水道出水方式是以涌流狀態(tài)為主。當(dāng)洞底標(biāo)高遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鄰近組溝底要低時(shí)，容易產(chǎn)生溝底匯水回灌補(bǔ)給現(xiàn)象，增加出水量。下游段洞室地下水的出水方式是以淋浴狀態(tài)為主，穿越內(nèi)溝地段距離水塘比較近，出水量增加。

3.3 評(píng)價(jià)隧洞施工支護(hù)

進(jìn)口和出口段洞頂上部巖土層厚度比較小的情況下，設(shè)計(jì)期間必須確保相應(yīng)厚度的安全覆蓋層，施工期間盡可能不使自然邊坡形態(tài)發(fā)生改變，加強(qiáng)植被的保護(hù)力度，過(guò)洞口段開(kāi)挖形成的邊坡。以設(shè)計(jì)施工規(guī)范要求為主，并考慮采取坡面掛鋼筋網(wǎng)噴水泥沙漿支護(hù)，種植草類(lèi)植被護(hù)坡。應(yīng)用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護(hù)，排洪回水隧洞洞身可以應(yīng)用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護(hù)，庫(kù)區(qū)排洪回水隧洞使用期間一直處于酸性水的浸泡狀態(tài)，洞身支護(hù)材料和洞內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施有著腐蝕性特征，應(yīng)考慮與準(zhǔn)的設(shè)計(jì)使用年限要求相一致，排洪回水隧洞沿線圍巖大部分是較軟巖，局部為軟巖圍巖，類(lèi)別比較低，巖體完整性較差，差異幅度比較大，洞身自身穩(wěn)定性也是特別差。這就需要加強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)固處理力度，特別是洞身穿越里程圍巖施工難度非常大的情況下，隧洞施工期間可以應(yīng)用工藝極為先進(jìn)的盾構(gòu)法。該項(xiàng)工藝施工安全性良好，便于加快施工進(jìn)度，確保工程在規(guī)定期限內(nèi)完成。但從實(shí)際情況來(lái)看，整體成本非常高，也可以采取傳統(tǒng)的礦山巷井挖掘工藝，施工方式遵循少擾動(dòng)、一邊施工、一邊支護(hù)、超前預(yù)報(bào)的基本原則。

3.4 隧洞進(jìn)出口的高邊坡上截水溝措施

隧洞進(jìn)出口地勢(shì)較為平緩，粘土厚實(shí)，洞口開(kāi)挖施工時(shí)，必然影響區(qū)域穩(wěn)定性，洞口形成困難。故需要根據(jù)洞口地貌特征和地質(zhì)構(gòu)造，選擇合理的洞口位置，在洞口開(kāi)挖的高邊坡上以及上部山坡除支護(hù)外，還需修筑數(shù)條截水溝，防止水流沖刷洞臉，發(fā)生次生災(zāi)害事故[3]。隧洞洞口地貌通過(guò)段支溝溝谷相間發(fā)育，地形起伏變化幅度是非常大的，截水溝途經(jīng)沿線植被十分茂密，水土保持良好，山坡地帶為生長(zhǎng)期和壯年期的云南松及少量灌木，溝谷地帶是草類(lèi)植被和灌木，沒(méi)有不良地質(zhì)作用和其他地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，無(wú)其他地表水體。截水溝沿線地層包含了溝谷和溝谷兩側(cè)斜坡地帶，坡洪積黏土厚度比較大，變化幅度大，結(jié)構(gòu)非常柔軟，不適合作為截水溝基礎(chǔ)的直接持力層。全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化絹云母板巖層有著一定的低壓縮性特征，力學(xué)強(qiáng)度和抗變破壞能力比較好，都可以當(dāng)成截水溝的基礎(chǔ)直接持力層。

4 尾礦庫(kù)排洪回水隧洞勘察設(shè)計(jì)和管理措施

尾礦庫(kù)排洪回水隧洞工程水文地質(zhì)條件和洞徑的大小對(duì)成洞條件至關(guān)重要。地質(zhì)條件越差、隧洞洞徑越大，成洞難度也就越大，安全風(fēng)險(xiǎn)也就越高，所以尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要了解擬建隧洞沿線的工程水文地質(zhì)特征。確定尾礦庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)和匯水面積大小，選擇合適經(jīng)濟(jì)的洞徑。另外隧洞投入使用后，應(yīng)定期觀察和測(cè)量隧洞的運(yùn)行情況，尤其是成洞條件不好的地段，保證排洪回水隧洞運(yùn)行正常。

4.1 尾礦庫(kù)排洪回水隧洞設(shè)計(jì)

（1）隧洞斷面尺寸的確定。排洪構(gòu)筑物在運(yùn)行期間，任何時(shí)刻都應(yīng)滿(mǎn)足在澄清尾礦水的條件下，保證泄洪滿(mǎn)足規(guī)范要求。這就確定了排水構(gòu)筑物的排水能力、調(diào)洪庫(kù)容以及排水構(gòu)筑物形式和尺寸，確保經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，在消除和根治尾礦庫(kù)安全隱患方面起到了較高的作用。對(duì)此，需要做好尾礦庫(kù)洪水設(shè)計(jì)和排水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)工作。首先應(yīng)確定尾礦庫(kù)的等別，由壩高和庫(kù)容兩方面，以及下游周邊環(huán)境確定；第二是選定防洪標(biāo)準(zhǔn)，依照尾礦庫(kù)的等別綜合性考慮使用年限和對(duì)下游造成的危害性，選擇合理的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。第三是洪水計(jì)算，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃膱D集、水文報(bào)告、推薦的計(jì)算方法確定洪峰流量和洪水總量，以及洪水過(guò)程線。第四是排洪回水隧洞尺寸的確定。根據(jù)尾礦庫(kù)的洪水過(guò)程線、調(diào)洪庫(kù)容，在滿(mǎn)足尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度和安全超高的規(guī)范要求下，水量平衡法選擇經(jīng)濟(jì)、滿(mǎn)足泄洪要求的排洪回水隧洞斷面尺寸。隧洞的橫斷面結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)流態(tài)確定，無(wú)壓力時(shí)宜選用圓拱直墻式斷面，地質(zhì)條件較差時(shí)可選用圓形或馬蹄形；圓拱直墻式斷面圓拱處中心角宜為90°～180°，斷面高寬比應(yīng)根據(jù)水力條件、地質(zhì)條件選用，宜為1.0～1.5。采用鉆爆法施工時(shí)非圓形斷面的高度不宜小于1.8m，寬度不宜小于1.5m。

（2）隧洞沿線的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。為了保證排洪回水隧洞成洞良好，洞線布置時(shí)應(yīng)先了解隧洞沿線的工程地質(zhì)情況，如巖層分界、性質(zhì)、產(chǎn)狀和主要地質(zhì)構(gòu)造，圍巖的分類(lèi)及主要物理、力學(xué)參數(shù)、不良地質(zhì)問(wèn)題等；了解沿線的水文地質(zhì)情況，如地下水、水溫和水化學(xué)成分，尤其是涌水量豐富的含水層、溶洞、透水帶、斷層、破碎帶等；了解進(jìn)出口成洞條件和洞邊坡穩(wěn)定性情況。洞線布置時(shí)，在滿(mǎn)足工程總體布置要求的條件下，宜選擇沿線地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利、且施工便利的地區(qū)。洞線與巖層、構(gòu)造斷裂面及主要軟弱帶走向應(yīng)有較大的夾角；通過(guò)較大地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，要研究不利構(gòu)造及其組合對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定的影響程度，以及施工、工期、投資等各種因素，通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選?。凰矶囱鼐€遇到斷裂構(gòu)造、不利構(gòu)造面、軟弱帶、膨脹巖、溶巖等時(shí)，應(yīng)考慮地下水對(duì)成洞的影響；洞線的埋深和側(cè)向巖體最小覆蓋厚度，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件、巖體的抗抬能力、抗?jié)B透特性、洞內(nèi)水壓力，以及襯砌型式等因素確定，局部出現(xiàn)巖體不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)選擇可靠的工程措施。

（3）隧洞洞線布線要求。洞線在平面上布置盡量直線，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)首尾應(yīng)設(shè)置直線段，長(zhǎng)度不宜小于5倍的洞寬，無(wú)壓隧洞的轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于5倍的洞寬，轉(zhuǎn)角不宜大于60°，低流速有壓隧洞可適當(dāng)降低要求，轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于3倍的洞寬，轉(zhuǎn)角不宜大于60°；隧洞的縱坡應(yīng)根據(jù)運(yùn)行要求、水力學(xué)條件、沿線構(gòu)筑物高程、上下游銜接、施工和檢修條件、不淤流速、不沖刷流速確定，且隧洞縱坡不宜變化過(guò)多；隧洞掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，洞線布置宜避開(kāi)制約機(jī)械的地質(zhì)區(qū)域。隧洞進(jìn)出口應(yīng)根據(jù)工程總體布置和地形地質(zhì)條件等因素綜合確定，應(yīng)滿(mǎn)足使用功能和安全運(yùn)行條件，應(yīng)使水流順暢，進(jìn)流均勻，出流平穩(wěn)，應(yīng)有防淤、防冰、防沖刷等要求；進(jìn)出口宜布置在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、巖體完整、風(fēng)化程度低的地區(qū)，應(yīng)避開(kāi)不良地質(zhì)構(gòu)造、沖溝和容易發(fā)生崩塌、滑坡及泥石流的區(qū)域；進(jìn)出口洞臉和兩側(cè)邊坡宜避免高邊坡開(kāi)挖，并根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析，采取必要的加固和防水、排水措施等。

4.2 加強(qiáng)尾礦庫(kù)及隧洞安全管理措施

最近幾年內(nèi)尾礦庫(kù)泄漏現(xiàn)象普遍存在，各地區(qū)深入貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想和安全生產(chǎn)精神。樹(shù)立生態(tài)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)紅線理念，承擔(dān)防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)的政治責(zé)任，吸取各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)，遵循問(wèn)題導(dǎo)向，舉一反三，統(tǒng)籌兼顧，實(shí)施尾礦庫(kù)及排洪系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查整治工作，全面抑制不良現(xiàn)象的發(fā)生。

第一，加強(qiáng)尾礦庫(kù)工程施工質(zhì)量管理。各尾礦庫(kù)企業(yè)需要制定合理的管理方式，遵循法律法規(guī)開(kāi)展各項(xiàng)工作，落實(shí)質(zhì)量管理責(zé)任，創(chuàng)建健全完善的質(zhì)量控制體系，健全完善共同質(zhì)量管理制度，加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和現(xiàn)場(chǎng)管理，采取合理措施監(jiān)督各項(xiàng)參建方落實(shí)工程質(zhì)量管理責(zé)任，嚴(yán)格禁止出現(xiàn)轉(zhuǎn)嫁責(zé)任，控制竣工驗(yàn)收關(guān)卡。施工單位要具備要求的礦山工程施工資質(zhì)，禁止違法違規(guī)分包轉(zhuǎn)包排洪回水隧洞工程，按照規(guī)范性要求和施工圖實(shí)施施工作業(yè)，避免出現(xiàn)隨意更改設(shè)計(jì)參數(shù)，監(jiān)理單位按照監(jiān)理規(guī)范和規(guī)定開(kāi)展工作，確保管理人員持證上崗。

其二，嚴(yán)格加強(qiáng)尾礦庫(kù)重點(diǎn)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)管控。各工礦企業(yè)需要落實(shí)安全生產(chǎn)主體責(zé)任，有效加強(qiáng)排洪設(shè)施安全生產(chǎn)管理，結(jié)合實(shí)際情況健全排水井拱板制作管理制度，有效管控拱板制作全過(guò)程工程質(zhì)量，做到源頭可追溯、責(zé)任可追究。并且還需要制定拱板安裝技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程，安裝人員要取得尾礦作業(yè)特種作業(yè)人員操作證書(shū)以后要留存安裝圖片資料，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收檔案。加強(qiáng)排水隧洞的日常管理巡查工作，對(duì)隧洞沿線，尤其是地質(zhì)條件和水文條件差的區(qū)域加強(qiáng)巡視，一旦出現(xiàn)問(wèn)題隱患以后馬上整改。

其三，履行尾礦庫(kù)安全監(jiān)察職責(zé)，提升尾礦庫(kù)應(yīng)急處置能力和提高應(yīng)急支撐保障能力。企業(yè)應(yīng)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上編制應(yīng)急預(yù)案，全面健全潰壩、漫頂、排洪設(shè)施堵塞或損毀等事故專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案以及現(xiàn)場(chǎng)處置方案，并按照規(guī)定備案。加深企業(yè)應(yīng)急預(yù)案之間的銜接程度，定期組織尾礦庫(kù)企業(yè)開(kāi)展聯(lián)合應(yīng)急演練，不斷增強(qiáng)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)響應(yīng)能力。需要進(jìn)一步強(qiáng)化應(yīng)急培訓(xùn)和演練，強(qiáng)化應(yīng)急值班值守和巡查檢查。務(wù)必提高應(yīng)急處置能力，構(gòu)建應(yīng)急研究機(jī)構(gòu)，以積極應(yīng)對(duì)尾礦庫(kù)重特大突發(fā)環(huán)境事件為根本，開(kāi)展尾礦庫(kù)下游環(huán)境敏感目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)防控以及關(guān)鍵處置技術(shù)裝備研發(fā)，各地區(qū)要依托重點(diǎn)大型企業(yè)等建立實(shí)體庫(kù)，提升整體水平，各尾礦庫(kù)企業(yè)按照基本預(yù)案要求，儲(chǔ)備必要的應(yīng)急救援器材、設(shè)備和物資，確保通往尾礦庫(kù)壩等道路、通信暢通和供電的穩(wěn)定性，提升應(yīng)急狀態(tài)下先期處置能力。

5 結(jié)語(yǔ)

從以上論述來(lái)看，排洪回水隧洞成洞條件較為復(fù)雜，需要考慮隧洞沿線的地形地貌、區(qū)域工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎強(qiáng)烈，水文地質(zhì)不利的段；洞口及兩側(cè)邊坡宜平緩，避免高邊坡開(kāi)挖；施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，保證隧洞施工質(zhì)量，洞線和斷面結(jié)構(gòu)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；運(yùn)行時(shí)日常檢查排水構(gòu)筑物的運(yùn)行狀態(tài)，確保尾礦庫(kù)運(yùn)行正常。