尾矿库支沟发育地形的排洪系统设计.pdf

第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-06-07作者简介:孙高月(1992),女,河南洛阳人,工程师。主要研究方向:尾矿库安全设施设计。尾矿库支沟发育地形的排洪系统设计孙高月,施灿海,傅灿,黄乔云(昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051)摘要:某铁矿尾矿库库内支沟发育,右岸支沟距离初期坝较近,位于堆坝范围内,与主沟有山脊相隔。为安全排泄入库洪水、确保尾矿水澄清,结合场地地形地质条件,采取在主沟和右岸支沟分别设置排洪系统的方式。右岸支沟内初期采用排水斜槽-排水管,后期利用在山脊修建临时排水沟,主沟内采用排水井-排水管的方式。现尾矿库排洪出口水质清澈,运行正常。关键词:尾矿库;支沟发育;排洪系统中图分类号:TD228文献标识码:B文章编号:1004-2660(2024)01-0014-04Design of Flood Drainage System for Terrain with Branch Gully Development in Tailings PondSUN Gaoyue,SHI Canhai,FU Can,HUANG Qiaoyun(Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650051,China)Abstract:A development of branch gullies occurred inside an iron mine tailings pond,with the right bank branch gully being close to the initial dam,situated within the dam pile area,and separated from the main gully by a mountain ridge.In order to safely discharge floodwater from the pond and ensure the tailings water is clari-fied,a flood discharge system was put in place separately in the main gully and the right bank branch gully,in accordance with the sites topographic and geological conditions.Initially,a drainage chute-pipe system was used inside the right bank branch gully,and subsequently,a temporary drainage ditch was constructed along the ridge.Within the main gully,a drainage well-pipe system was used.Currently,the water quality at the tailings ponds flood discharge outlet is clear,and the system is operating normally.Keywords:Tailings pond;Branch gully development;Flood drainage system0 引 言排洪系统作为尾矿库安全运行的重要设施之一,需要安全及时排泄入库汇水,确保排水不排砂。排洪系统型式选择、线路布置应结合库区地形地质条件、水文计算、调洪能力、尾矿水澄清距离等 因 素,综 合 考 虑 安 全、环 保、经 济 后确定。某铁矿尾矿库库内支沟发育,靠近初期坝右岸有一支沟,与主沟有山脊相隔,位于堆坝范围内。支沟内汇水若不妥善处理,直接影响尾矿库后期堆坝安全,成为排洪隐患。在尾矿库库内采用主沟与支沟联合排洪方式,既能顺利排泄支沟内汇水,又能确保子坝顺利堆筑、排洪安全。该文对尾矿库采用主沟与支沟联合排洪系统进行了设计分析,对库内支沟发育、支沟位于堆坝体范围内的排洪设施设计提供了参考。尾矿库采用联合排洪系统后,入库汇水得以及时排出,出水口无跑浑现象。1 工程概况工程区属亚热 带 季 风 气 候,年 平 均 气 温21.4,年平均降雨量 1 368.9 mm,所在水系属于澜沧江流域。海拔标高 1 4601 560 m,为一孙高月,施灿海,傅灿,等:尾矿库支沟发育地形的排洪系统设计树枝状“掌形”宽谷型沟谷,切割较浅,谷宽 1280 m,谷底地形平缓,沟床冲蚀、侧蚀作用弱,第四系冲洪积堆积层不发育,沿主沟两岸树枝状冲沟发育,地形较破碎。总体地貌特征为剥蚀低中山。沟谷呈“U”展布,左、右两岸地形下陡上缓,为一凸形坡,坡度 1739,多数地段被冲沟切割,地形相对破碎,连续性较差;坡面大部地段植被发育,为倾向下游的斜交坡,坡体结构较密实,大部分地段边岸基本稳定。某铁矿尾矿库所堆排尾矿为第 I 类一般工业固体废物,平均粒径为 0.092 mm,-200 目占比80%。尾矿库采用上游式尾矿筑坝法,坝顶分散放矿、湿式堆存的方式,初期坝高 21 m,坝顶标高为 1 485.0 m,总坝高 54 m,设计最终堆积标高为 1 518.0 m,堆积坝外坡比为 14.5,总库容为 596 万 m3,属四等库。2 排洪设施尾矿库靠近初期坝右岸有一支沟,与主沟有山脊相隔,位于堆坝范围内。随着尾矿堆坝高度上升,堆坝轴线向库内移动,尾矿堆积标高1 500 m 以下主沟和右岸支沟之间的水面不能联通,堆积标高 1 500 m 以上时汇水可合并。为了使尾矿澄清水及入库洪水快速、安全地排泄,减少库内蓄水量,确保足够的干滩长度,尾矿库必须设置安全经济的排洪设施。尾矿库初期坝坝址以上汇水面积为 0.98 km2,其中右岸支沟汇 水 面 积 为 0.04 km2,主 沟 汇 水 面 积 为0.94 km2。因尾矿库汇水面积较小,库内支沟发育,尾矿最终淹没线已接近于沟谷分水岭,库外不再考虑排洪设施,按雨水全部入库考虑。该次尾矿库采取主沟和右岸支沟分别建排洪系统排泄入库洪水。2.1 水文计算尾矿库属四等库,防洪标准按 200 年一遇洪水重现期考虑。洪水计算方法选用云南省水利水电厅暴雨洪水计算办公室 1992 年编制的 云南省暴雨径流查算图表,按推求洪水过程线的方法进行计算。水文计算成果见表 1。2.2 排洪设施型式选择尾矿库库内常见的排洪型式为排水井-排水管、排水斜槽-排水管、排水井-排洪隧洞、溢洪道、截洪沟等。排洪设施型式的选择应以“安全、环保、经济”为前提,结合水文计算结果、调洪库容、地形地质条件、排洪构筑物泄流能力、尾矿水澄清等因素确定。表 1 水文计算成果Tab.1 Hydrological calculation results名称频率/P洪峰流量/(m3/s)主沟0.5%10.63右岸支沟0.5%0.45排洪系统的关键在于进水构筑物的选择。排水井-排水隧洞多用于库区长度较长、流量大的尾矿库,投资高;溢洪道适用于洪水流量较大的尾矿库,相比排水井-排水隧洞更经济,但其维护要求严格,管理复杂,安全性较低;排水井-排水管适用于中等流量的排水,进水面积大,可达到较高的水头,随着尾矿库使用要求,可分期建设;排水斜槽-排水管适用于中、小流量的排水,相比排水井-排水管,更适用于地形较陡、沟谷较短的尾矿库,投资较低;截洪沟适用于小流量的排水,对地形地质条件、后期运行管理要求高,易被堵塞,安全性低。根据水文计算,尾矿库主沟 200 年一遇洪峰流量为 10.63 m3/s,右岸支沟 200 年一遇洪峰流量为0.45 m3/s,入库流量较小。结合尾矿澄清距离、地形地质条件、调洪演算,经技术经济比较后,确定主沟采用排水井-1 号排水管,右岸支沟初期采用排水斜槽-2 号排水管、后期利用在山脊修建临时排水沟的方式。2.3 主沟排洪设施主沟排洪设施采用排水井-1 号排水管,沿主沟沟底布置。尾矿库需建 2 座框架式排水井,外径为 D=3.5 m,使用到井顶前 1.0 m 即采用现浇的钢筋混凝土盖板进行封堵。与排水井配套的 1号排水管沿库底铺设并连接各排水井,排水管内径为 D=2 m,C30 钢筋混凝土结构。排水井进水口设置铁丝网,以防止树木杂物进入排水井内。2.4 支沟排洪设施右岸支沟排洪设施采用排水斜槽-2 号排水管,其 200 年一遇洪峰流量为 0.45 m3/s,不考虑支沟的调洪库容,排水斜槽过流断面按0.45 m3/s下泄流量进行计算。51有色金属设计第 51 卷图 1 尾矿库排洪设施平面布置图Fig.1 Layout plan of flood discharge facilities in tailings pond 斜槽进水口位置按“满足尾水澄清距、最小干滩长度”要求进行布置,斜槽起始进水口标高1 480 m,末端进口标高 1 497.0 m。斜槽使用至1 497 m 标高时,尾矿水无法澄清,应停用排水斜槽,在右岸支沟与主沟之间的山脊上修建临时排水沟,使支沟内汇水汇入主沟内。排水沟断面为倒梯形,土沟,内壁铺复合土工膜,防水流冲刷,断面尺寸为:上底 下底 高=1.6 0.4 0.6 m,纵坡 i2%。尾矿堆积标高 1 500 m 以上主沟与支沟水面可连通,不需再修建临时排水沟,由主沟排水井-1 号排水管进行排洪。排水斜槽断面尺寸为宽高=1.0 m1.2 m,2 号排水管内径 D=1.2 m,底坡 i0.02。右岸支沟内洪水经由排水斜槽-2 号排水管汇入 1 号排水管内,由 1 号排水管将洪水排至初期坝下游。右岸支沟采用排水斜槽-2 号排水管进行泄洪,斜槽水力计算如下:(1)自由泄流水位未超过盖板上沿最高点时Qa=Q2=0.8nm1(tg+ctg)2gH2.55水位超过盖板上沿最高点时Qb=Q1+Q2Q1=m1(b+0.8Htctg)2gH2.5t排水斜槽自由泄流水力计算结果见表 2。61孙高月,施灿海,傅灿,等:尾矿库支沟发育地形的排洪系统设计表 2 排水斜槽自由泄流水位流量曲线表Tab.2 Stage-discharge curve for free discharge of drainage chute水头高度/m0.000.200.500.600.91.1泄流量 Q/(m3/s)0.000.060.350.682.213.72(2)半压力流Q=m2c2gHb排水斜槽半压力流水力计算结果见表 3。表 3 排水斜槽半压力流水位流量曲线表Tab.3 Stage-discharge curve of semi-pressure flow in drainage chute水头高度/m0.80.91.01.11.3泄流量/(m3/s)3.273.393.503.603.81(3)压力流Q=c2gHy=-1+(0.92+1+2g1C2xRx)P21+(2+3+n4+2g1C2gRg)P22由于右岸支沟调洪库容较小,计算不考虑支沟的调洪库容,斜槽过流断面按 200 年一遇洪峰流量 0.45 m3/s 进行设计。斜槽水头 0.55 m 时,下泄流量为 0.50 m3/s,为自由泄流。3 调洪演算库内调洪区域被尾矿所需干滩分为主沟及右岸支沟 2 个部分,支沟内流量小,不考虑调洪库容,由排水斜槽-2 号排水管排泄汇水。主沟采用排水井-1 号排水管进行泄洪。尾矿库调洪演算按水量平衡方程式进行计算,通过计算出的泄洪流量、调洪库容和其对应的水位,确定排洪设施设置的合理性、可靠性。见表 4。调洪演算水量平衡方程式:12(Q1+Q2)t-12(q1+q2)t=V2-V1式中:Q1、Q2 计算时段始末入库流量;q1、q2 计算时段始末出库流量;V2、V1 计算时段始末水库库容;t 计算时段长,t=1 小时。表 4 尾矿库调洪演算结果Tab.4 Flood routing calculation results of tailings pond标高/m调洪水深/m调洪库容/(万 m3)入库流量/(m3/s)下泄流量/(m3/s)堆积标高1 518.00.584.1111.085.96尾矿库所需调洪水深 0.58 m,经调洪后最大下泄流量5.96 m3/s,能够保证最小干滩长度及最小安全超高的要求,库内设置的排水井-1 号排水管可满足排洪所需的下泄流量。尾矿库干滩长在雨季期间不得50.0 m,正常情况下,不得130 m。安全超高,洪水期不得0.5 m,正常情况下,不得1.3 m。4 结 语(1)某铁矿尾矿库于 2019 年 6 月份完成建设。自投入使用至今,运行良好,管理规范。排洪设施运行正常,出口清澈无跑浑现象。洪水期,尾矿库干滩长度可控制在 100 m 左右;正常情况下,尾矿库干滩长度可控制在 180 m 左右。(2)尾矿库联合排洪系统的实施,可及时安全的排泄初期坝右岸支沟的汇水,使子坝顺利堆筑。现状尾矿库堆坝坡面上未见有出水点,坡面未见沉陷、拉裂等破坏迹象,堆坝现状运行良好。(3)该次主沟与支沟联合排洪系统设计分析可对尾矿库库内支沟发育、支沟位于堆坝体范围内的排洪设施设计提供借鉴。参考文献:1刘现培.尾矿库联合分摊防排洪系统的设计分析J.四川水泥,2023(04):61-62+65.2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(04):50-52.3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,2014,14(18):188-193.4刘明生,蓝蓉.小打鹅尾矿库排洪设施的优化设计J.有色金属设计,2010,37(03):12-17.5刘明生,王睿齐.某金矿尾矿库排水隧洞竖井段的优化设计J.金属矿山,2020(08):195-198.71