尾矿库排洪系统优化技术

(整期优先)网络出版时间:2021-02-24
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尾矿库排洪系统优化技术

徐文海、陈伟强

紫金矿业集团股份有限公司


摘要:尾矿设施都包含有初期坝、堆积坝、排洪系统及输送系统等部分。一般情况下,尾矿库在正常运行中只是以初期坝、堆积坝及输送系统组成,而排洪系统不参与尾矿库运营,但它确实保证尾矿库运营安全的关键。因此,在尾矿库设计中,需要将排洪系统设计作为工作重点,确保尾矿库储水量、排水构筑物都能达到国家有关部门设计标准。

关键词:尾矿库;排洪系统;优化技术


1尾矿库排洪系统的地质条件

某尾矿库的地势为北高南低,且东西北三面环山,所处位置为一个V型沟谷,底部较窄,大约10m到25m宽,坡度较陡,其所处地理位置的气候为中亚热带西部半湿润气候区。

1.1尾矿库工程地质条件

首先,沟谷为一条南北走向的V型沟谷,沟谷底部、谷面两侧有一些灌木,而谷坡则稳定,作为堆场没有问题。其次,其内有两个坍塌体,但比较稳定,对建设尾矿库没有影响。最后,库区有渗漏,但主要在第四系覆盖层,以及基岩上部破碎的岩层。渗漏的方向是沿谷坡向谷底,流向下游。下部基岩不易渗水,有隔水作用,地下水不会渗到底部。库区的山体较厚。

1.2尾矿库水文地质条件

经勘察,该沟谷常年有流水,来源自沟尾部,其流量,枯季为70L/s,雨季时会稍微再大一些。库区无泉水出露点。地表水流向金沙江。钻孔均见地下水,水深1m至3.9m,由大气降水所致。

1.3排水系统地质条件

排水系统所处的谷坡坡度为7°到10°,有较多灌木丛。第四系覆盖层的厚度为2.2m到8.2m,岸坡的表层有风化,较强烈,是砂泥岩出露地段,有裂隙,会形成一定的坍塌。所以对库岸的稳定,存在一定的负面影响。综上,该场地总体稳定,地层较为单一,没有不良地质作用。总体适合修建尾矿库。

2设计方案

该场地周围无居住人员,无历史古迹、旅游景区等。该工程设施由排洪系统、初期坝、尾矿输送、回水设施所组成。初期坝是碾压式透水石渣坝,坝轴线长187.16m,坝顶的宽度为4.6m。上游的坡面有两台两米宽的马道,上游的坡比是1:1.6。下游的坡面则每20m高有两米宽的马道,下游的坡比是1:2.4。实际的坝高是70m。且在上游坡还设置了反滤层。采用了上游式堆坝方式,堆坝的高度是106m,总坝高是181m。堆坝的外坡比是1:4.2。尾矿库的有效库容是871.6万立方米。排洪系统由库内与库外两部分排洪设施组成,库外排洪系统由左右两部分组成,左岸为沿山体而下的排水沟,右岸为挡水坝与排水管。库内排洪系统则是排水井与排水管。回水则采用坝下回水的方式,其设有2座回水泵站。

3排洪系统优化措施

该库的坝址以上的汇水面积为6.1km2,因为该库沟谷内常年有流水,所以需要将常流水、雨季洪水截在尾矿库之外,这样能更好地保障该库的安全。因为两侧岸坡比较陡,为了防止山体滑坡的发生,不能对山体进行大面积的挖掘。所以为了尽量降低库内排洪压力,将汇水面积划区分块,以进行导流、截排。左岸沿山体而下,进到库区公路,此部分逐级设置排水沟,此部分能导流截排的汇水面积为1.6km2,右岸的挡水坝与排水钢管,分别能截排的汇水面积为0.4km2与0.8km2。库内部分的排洪设施则排泄剩下的3.3km2的汇水面积的洪水。但因为考虑在雨季时,库外的排洪系统可能因突发、意外等情况而导致失效,所以设计时库内部分是按全部的6.1km2的汇水面积计算的。

3.1库外排洪设施的设计

(1)水文计算

根据库区左右两岸分别可导流、截排的汇水面积,依据该省相关规定中的推理公式进行计算,防洪标准按500年一遇,库外五级排洪设施,进行设计。

Q=0.278θBS/td

Q为洪峰流量,θ为洪峰径流系数,B为暴雨雨力,S为汇雨面积,t为汇流历时,d为暴雨递减指数。经计算,得左岸坡的洪峰流量为16.8立方米/秒,右岸(0.4km2部分)的洪峰流量为1.14立方米/秒,右岸(0.8km2部分)的洪峰流量为2.28立方米/秒。

(2)库外排洪设施

首先,左岸坡沿山体而下,修建有一条进入到库区的公路,长度12km,在其内侧修筑排水沟,长度8km,共7段排水沟,这些排水沟可将坡面的汇水引流到它处,避免雨水进入尾矿库内。前面的6条排水沟,其净断面均为0.6m×0.7m。最后一条排水沟则设计为排水沟与公路相结合的方式,以保障在其他排水沟不通畅时,使汇流水流到该水沟,并引流到它处。该排水沟净断面为4m×1m。经此7段排水沟,可分流1.6km2的雨水至尾矿库外侧的冲沟,保障尾矿库的安全。其次,库区右岸的是两支沟,因为其汇水面积较小,所以需要进行洪水分流,否则雨水入库增加排洪压力。因为山体又比较陡,所以不能挖掘大的排水沟,故对此采用挡水坝与排水钢管的方式。根据计算,第一支沟的挡水坝使用了浆砌石结构,高6m顶宽2m,挡水坝内设有排水钢管,内径为1m,同时挖沟槽至库外。坝前同时设有拦沙挡渣设施,引流雨水进到钢管从而排出。第二支沟的挡水坝也是浆砌石结构,高6.4m,顶宽2m,同样坝内设有排水钢管,内径1.1m,沟槽至库外,坝前设同样的设施引流雨水经钢管排出到下游。

3.2库内排洪设施的设计

(1)水文计算。库外部分的排洪设施可排泄的汇水面积是2.8km2,则库内部分排泄剩下的3.3km2的汇水面积,因为考虑雨季时,库外部分可能因意外而失效,所以库内的排洪设施还是按排泄全部6.1km2的汇水面积进行计算。计算如下:m=Q(1-V/W)

m为所需排水构筑物的泄流量,Q为设计频率为P的洪峰流量,V为某坝高时的调洪库容,W为频率为P的一次洪水总量。经计算,可知初期尾矿库的调洪库容是8-12万立方米,中后期尾矿库调洪库容大于12万立方米。依此,计算排洪设施的泄流量,当p为0.5%,调洪库容为8万立方米,则W为60万立方米,构筑物的泄流量为58立方米/秒。当p为0.2%,调洪库容为12万立方米,则W为71万立方米,构筑物的泄流量为73立方米/秒。

(2)库内排洪设施。选择什么样的进水构筑物是修筑排洪系统的关键,由于库型较窄且长,就需要进水构筑物的进水面积足够大,所以框架式排水井比较合适,输水构筑物则达到下泄的流量就可以,所以,最后选择框架式排水井与排水涵管的方式。按照73立方米/秒的泄流量,因为坝高与尾矿堆积的负荷又比较大,库区的岩层又不是很符合,所以,排水井的外径采用4m,排水管内径采用2.5m。经计算,这样的方式可排泄流量达到22立方米/秒,剩下的51立方米/秒的流量经修建的溢洪道排出。溢洪道在尾矿坝肩的双侧修建,为钢筋混凝土结构,修建后的溢洪道排泄流量一共可达到60立方米/秒,达到排洪要求。

库内修建排水井共8座,1/3/5/7号排水井高21m,2/4/6/8号排水井高24m,排水管长1300m。因为排出的尾矿为弱碱性,所以每个水工构筑物都采用了防腐工程措施。

4结论

该尾矿库竣工后运行至今,显示运行正常,根据观测的数据可知,坝体水平位移量在允许范围内,垂直沉降量的最大值为0.6m,现已渐趋于稳定。在雨季的时候,库内外的排洪系统排泄正常,库内的存水量也比较少。在洪水的情况时,堆坝干滩长在130m左右,正常的情况时,堆坝干滩长在220m左右。

参考文献

[1]尾矿库排洪系统封堵方法研究[J].卢云香,胡宏.工程技术研究.2018(02)

[2]某尾矿库排水系统的安全评价[J].李宗伟,陆宗健,高宏远,韩雪.长春工程学院学报(自然科学版).2019(04)