应急溢洪道在上游式湿式堆存尾矿库中的应用

李阳

摘 要：河南省是人口第一大省，数量众多的湿式堆存尾矿库一旦发生事故，后果不堪设想。因此笔者提出应急溢洪道思路，即保留原尾矿库排水井-隧洞的排洪设施，同时在尾矿库初期坝左岸或右岸设置应急溢洪道。该应急溢洪道设计防洪频率根据尾矿库的等级和重要性具体按照国家规范取定，即设计防洪标准，从而形成尾矿库双排洪系统。同时，对应急溢洪道采用预制混凝土渠道设计、预制渠道制作、安装与维修等技术进行研究。通过这样的设计，可以大大提升尾矿库排洪系统的安全系数，防止排洪系统失效导致的尾矿库事故。

关键词：应急溢洪道;双排洪系统;预制混凝土渠道;防渗

中图分类号：TD926.4文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0063-04

Application of Emergency Spillway in Upstream

Wet Stockpiling Tailings Pond

LI Yang

（Henan Anke Institute Security Technology Service limited Company，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Henan province is the most populous province， a large number of wet stockpiling tailings ponds once the accident， the consequences are unimaginable. Therefore the author put forward some ideas of emergency spillway， which would hold the original tailings drain well - tunnel having facilities， at the same time at the beginning of the tailings dam left or the right set up emergency spillway， the emergency spillway design flood frequency according to the specific according to the national standard level and importance of the tailings， fixed the design flood control standard， thus forming the tailings double having system. Meanwhile， the design， manufacture， installation and maintenance of precast concrete channel for emergency spillway were studied. Through this design， the safety coefficient of the flood discharge system of the tailings pond can be greatly improved and the accident of the tailings pond caused by the failure of the flood discharge system can be prevented.

Keywords： emergency spillway;double drainage system;precast concrete channel;seepage control

1 現状分析

1.1 国外现状

随着采矿工业的发展，尾矿库建设有了较长的历史。尾矿库是用于贮存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，主要由尾矿坝和排洪系统等构成。国外最早的Brent尾矿库建于1830年。到目前为止，世界上正在使用的各类尾矿库有20多万座。

据世界大坝委员会的统计分析，自20世纪初以来，已发生的各类尾矿库事故不少于200起。科研人员通过对1960—2003年国外80例尾矿坝溃坝事故进行分析可知，有明确溃坝原因的共73例，其余7例属于不明原因造成的溃坝事故。通过对溃坝事故发生的原因进行分析，多数事故与暴雨和地震产生的尾矿液化有关;其次是坝体强度不足造成的直接滑坡事故，共有11例;而由于地基强度不足和排水不良引发的溃坝事故各占总数的10%左右[1-3]。

1.2 国内现状

据有关统计资料显示，我国尾矿库病害事故中，排洪系统的病害事故占33.3%，洪水漫坝的占44.4%。

我国尾矿库事故时有发生，不仅给人们生命财产造成极大的威胁和损失，而且对环境造成极大的破坏，这在一定程度上影响着社会的和谐与稳定。2001—2014年底，我国共发生90起尾矿库事故[4-5]。相关研究表明，我国尾矿库事故中将近20%是由洪水导致的，主要包括排水泄洪设施发生故障或损坏、行洪不畅、超标洪水侵袭、泄洪不力、洪水漫顶等。因此，解决尾矿库安全度汛问题成为矿山科研人员研究的新课题。

2 增设应急溢洪道

尾矿库防洪系统通常为一套设计洪水频率的排洪设施，该系统既要将库内澄清水和洪水有序地排出尾矿库，又要保证尾砂不从排洪系统泄漏，即排水不排砂。因此，通常采用坝前排放尾矿、库区后部澄清水质、坝下排水形式，排洪系统主要由坝下排水涵洞（或排水管、排水斜槽）组成，延伸至库外[6]。

本次研究提出应急溢洪道思路，即保留原尾矿库排水井-隧洞的排洪设施，同时在尾矿库初期坝左岸或右岸设置应急溢洪道，应急溢洪道基础宜坐落在基岩上。应急溢洪道进水口标高宜与尾矿库正常水位一致，或略低于正常水位。该应急溢洪道设计防洪频率根据尾矿库的等级和重要性具体按照国家规范取定，即设计防洪标准，从而形成尾矿库双排洪系统（见图1）。当排水井-隧洞出现意外时，应急溢洪道可作为备用排洪设施予以启用，从而确保尾矿库防洪安全;同时，在尾矿库闭库时，原尾矿库排水井-隧洞被封堵后，应急溢洪道可作为尾矿库闭库后的永久排洪设施。因此，应急溢洪道的修建既不会增加企业投资，又能提升尾矿库运行期的本质安全。

尾矿库的溢洪道一般都采用自由溢流的形式，多在溢水口做一条堰，堰下连接陡坡。这种形式的溢洪道又叫作堰流式溢洪道。溢洪堰的轴线与渠道的中线正交时，称为正堰式（宽浅式）溢洪道，大致平行时称为侧堰式（侧槽式）溢洪道。

宽浅式溢洪道由进口段（引水渠及溢流堰）、陡坡段、出口段（消能设施及泄水渠）三部分组成（见图2）。应急溢洪道可根据实际情况，在进口段和陡坡段之间设置一个由宽到窄的渐变段。

侧槽式溢洪道的进口段由溢流堰和侧槽（或称深槽）构成，其他部分和宽浅式溢洪道相同（见图3）。

3 应急溢洪道施工

3.1 混凝土渠道预制

3.1.1 预制混凝土渠道。应急溢洪道的引水渠和陡坡段采用预制混凝土渠道设计，即引水渠和陡坡段渠道在尾矿库基建期，便由具有资质的施工单位预制完成，其预制渠道数量宜满足尾矿库启用后的头3～5年需要。随着尾矿库堆积坝的升高，将预制混凝土渠道安装在处理过的基础上，与之前安装的渠道连接和固定，预制混凝土渠道之间采用防渗材料充填。

由于尾矿库的尾矿堆积坝是随着生产年限的增长而逐渐加高的，所以应急溢洪道的溢流堰顶标高也应随着库水位的升高而逐渐（分期）提高。提高的效果如图1所示，由低到高逐一使用不同标高的引水渠（引水渠首设有溢流堰）。

尾矿库运行是一个长期的过程，堆积坝每天都在升高，生产经营单位难以找到具有资质的施工单位和监理单位长期驻扎尾矿库，为其修建应急溢洪道;临时雇佣的施工队又难以保证施工质量。然而，应急溢洪道属于尾矿库库内排水设施，是尾矿库的基本安全设施，应委托具有资质的施工单位和监理单位进行建设。这两者之间就形成了鲜明的矛盾。

尾矿库现浇溢洪道需要较长的养护周期（一般为28 d），而大自然降雨具有不确定性，尤其在河南省，一年降水的80%主要集中在7—9月的汛期，难以保证养护周期内无大量降雨。

通过尾矿库基建期预制混凝土渠道，可以有效解决尾矿库运行期现浇溢洪道难以保证质量的弊端;同时可以解决现浇溢洪道养护周期与大自然降雨不确定性的矛盾。

3.1.2 预制混凝土渠道制作。溢洪道属于尾矿库基本安全设施，预制混凝土渠道作为溢洪道的重要组成部分，生产经营单位应委托具有相应资质的施工单位和监理单位进行制作。

预制混凝土渠道制作技术要点归纳为钢筋工程、模板工程和混凝土工程。钢筋工程中，应注意放置吊点外露的尺寸和位置，外露尺寸不一样、位置存在偏移均会对出槽、安装施工的进度和安全造成影响;模板工程中，模板支立时应保证接缝密实，防止出现跑浆，对预埋件进行安装时，需要保证其位置的准确性和固定的牢固性;混凝土工程中，对骨料、水泥、外加剂的质量进行检测，检测合格才能投入使用。

3.2 预制混凝土渠道安装施工

预制混凝土渠道安装施工是预制混凝土构件应用于尾矿库排洪系统的一个重要环节，其安装施工质量直接影响到应急溢洪道的排洪效果。因此，将预制混凝土渠道安装施工工序技术要点归纳为清基处理、填土碾压、开挖槽和安装填缝。

3.2.1 清基处理。由预制混凝土构件安装而成的应急溢洪道，其基础稳固度是应急溢洪道寿命的重要影响因素，因此清基处理不可忽视。

应急溢洪道宜选址在工程地质良好的山体上，并清理山体上的腐殖土，使预制混凝土构件坐落在基岩上。

3.2.2 填土碾压。填土碾压高度一般要求至渠深的3/4处，这样既节省了碾压方量，又便于安装，剩余土方待安装结束后再填平压实。填土碾压时，除应保证密实度外，还要注意顶面平整，符合测量数据，以确保渠槽开挖准确。

3.2.3 开挖槽。①标中心线;②放点测量，点距一般在10～20 m;③初挖，依据标注的中心线和相应高程，初步确定开挖的深度和宽度;④放样架，样架通常放在测点处，实际土槽的上口宽度比设计渠道略宽，一般留有4～10 cm间隙以利于安装。

3.2.4 安装填缝。安装填缝主要包括以下4个步骤。

①打底浆。安装前，在预制构件的底部先铺设4 cm左右低标号水泥砂浆，以使构件底部与基础接触密实。

②安装预制渠道（地下水位较高地区可考虑适当铺设反滤层）。安装预制渠道最重要的是掌握上口两边线的平直，其次是表面平整，接缝均匀。

③填缝。为兼顾渠道伸缩缝和防渗要求，采用一种新型混凝土渠道接缝材料（PTN）进行填缝[7]，缝宽度采用20 mm。进行填缝前，应先将预制构件表面的灰尘、油脂、杂物等污物清除;填缝时应上下贯通，下部采用PTN填实，上部1 cm采用砂浆勾平缝。

④背面灌砂。预制渠道背面一般都有间隙，为确保填缝密实，采用细砂填充，填后用水泥砂浆灌实。

4 结论

生产经营单位通过在尾矿库初期坝左岸或右岸设置应急溢洪道，与库内排水井-隧洞系统组成双排洪系统，能实现以下功能：尾矿库防洪能力成倍提高，即便排水井-隧洞系统发生意外，尾矿库仍可以通过应急溢洪道排洪，从而提升了尾矿库本质安全;应急溢洪道既是尾矿库运行期的排洪系统，又可作为尾矿库闭库后的永久排洪设施，没有增加生产经营单位投资。

应急溢洪道采用预制混凝土渠道，较传统的现浇混凝土渠道具有以下优点：质量可控，生产经营单位可以委托具有资质的施工单位和监理单位批量制作预制混凝土渠道，并委托第三方检验机构进行检测，从预制混凝土渠道内在质量、外观质量、几何尺寸等方面检验，有效地控制了预制混凝土渠道质量;工期可控，可以提前预制，随时安装，避免了生产与施工的矛盾，解决了混凝土养护期与大自然降雨冲突的问题;便于安装，预制混凝土渠道分块制作组合安装，重量减轻，破损量小，便于弯道施工，便于“渠道搬家”;便于维修更换，运行几年后如遇渠道损坏，可进行局部更换，而不影响整体工程的质量和美观。

5 展望

对于高等别尾矿库，其防洪标准高，需要的应急溢洪道尺寸较大，而大尺寸的应急溢洪道对工程地质条件和地形条件要求较高，会出现应急溢洪道选址难的问题。因此，地形条件苛刻的高等别尾矿库，如何设置应急溢洪道将成为今后的研究方向。

参考文献：

[1]王凤江.国外尾矿坝事故调查分析[J].金属矿山，2004（z1）：49-52.

[2]王勇，于静，常少龙，等.尾矿库环境事故成因及隐患消除措施[J].经营管理者，2014（11）：380-381.

[3]张岳安，邓书申.尾矿库内外联合合并防洪安全研究[J].科学技术与工程，2014（18）：188-193.

[4]张家荣，刘建林，朱记伟.我国尾矿庫事故统计分析及对策建议[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2016（6）：682-685.

[5]梅国栋，王云海.我国尾矿库事故统计分析与对策研究[J].中国安全生产科学技术，2010（3）：211-213.

[6]沈楼燕.尾矿库双设计洪水频率的联合排洪系统[J].有色金属（矿山部分），2008（4）：50-52.

[7]孙坤君.新型防渗接缝材料性能研究[D].西安：西北农林科技大学，2007.