孙会东

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）

0 引言

目前，我国共有尾矿库近8 000 座[1，2]，总量居世界第一。伴随着大量尾矿库逐渐达到设计标高，在建设新尾矿库时，需要对已达到设计标高的尾矿库进行闭库。根据《尾矿库安全监督管理规定》[3]要求，运行到设计最终标高或者不再进行排尾作业的尾矿库，应当在一年内完成闭库。另外，我国尾矿库中“头顶库”（尾矿库下游1 km 范围内有居民或重要设施）众多，截至2020年，全国共有“头顶库”1 112 座[1，2]，闭库治理作为化解“头顶库”安全风险的有效措施，在“头顶库”治理中被较多地采用。排洪系统整治作为尾矿库闭库的重要环节，对保证闭库尾矿库的安全稳定具有重要意义。沈楼燕[4]对尾矿库排洪系统的形式选择进行研究，认为尾矿库闭库后，管理力度较生产时小，隐蔽形式的井-管式排洪系统容易堵塞，不便于管理，建议闭库后的排洪设施应首选溢洪道式的地表排洪构筑物。沃廷枢等[5-10]对尾矿库排水系统的类型进行归纳总结，认为排水系统的选择应根据排水量、地形地质条件、使用要求、施工条件等因素综合确定，排水系统应该结构简单、安全可靠、经济耐用、方便管理。

当前对闭库尾矿库排洪系统治理的研究以定性为主，对不同地形、不同建设条件下的尾矿库尚无针对性的处理措施。

1 排洪系统整治方式

1.1 概述

根据GB 39496-2020《尾矿库安全规程》[8]要求，尾矿库闭库设计应包含生产安全事故隐患的治理。排洪系统治理作为尾矿库闭库的重要环节，主要步骤：1）复核原有排洪系统的防洪能力，复核应采用规范要求的防洪标准，当防洪能力不足时，应采取新建排洪系统或增大调洪库容等工程措施；2）复核原有排洪系统的结构稳定性，当结构稳定性不满足要求时，应考虑加固的可能性，必要时新建排洪系统。

继续利用原有排洪系统，虽然可以节约成本，使资源利用最大化，但是进入闭库阶段的尾矿库多数已经运行多年，排洪系统不可避免地出现磨损和破坏，还可能存在尺寸偏小、淤堵、地基软弱等问题。因此，在闭库工程中新建排洪系统较为常见。

1.2 新建排洪系统的方式

1.2.1 溢洪道式排洪

新建溢洪道式排洪是排洪系统整治常见的处理方式，具有安全性高、过流能力大、库内不积水、便于施工、便于后期维护等优势。新建的溢洪道通常位于尾矿坝的中部或坝肩，库内降水经滩面汇流至溢洪道，最终引至下游沟谷。但溢洪道排洪需要改变原有滩面的坡向，土方量较大，不适用于滩面地基软弱或土料运输困难的尾矿库。

1.2.2 井-管式排洪

新建井-管式排洪常用于库内汇流面积不大、滩面存在软弱地基的尾矿库。新建的排水井位于库区中部，排水井底部连接排水管，库内段排水管在滩面上建设，库外段排水管沿坝体外坡建设，排水管最终接入下游沟谷。井-管式排洪不改变原有滩面坡向，土方量较小，且排水系统内的水流流态较好，不容易产生冲刷破坏。但井-管式排洪的过流能力较小，需在库内留有足够的调洪库容；库内易积水，不利于土地的再利用。

1.2.3 隧洞式排洪

新建隧洞式排洪适用于尾矿库下游存在重要设施或同一沟谷内存在2 座及以上尾矿库的情形。新建的隧洞需要在合适的位置穿越山体，将库内汇水引至相邻的沟谷。隧洞式排洪可以保护下游的重要设施，过流能力较大，安全性较高。但隧洞式排洪的投资高，施工难度大、周期长，且隧洞式排洪改变了水流的原始排泄路径，需要论证洪水排放对相邻沟谷的影响。

2 新建溢洪道式排洪系统算例

新建溢洪道式排洪系统在尾矿库闭库中广泛应用，本文以河南省头道沟赤泥库为例，通过洪水计算、泄流能力计算、消能防冲计算对溢洪道式排洪系统的安全性进行论证。

2.1 工程概况

河南省头道沟赤泥库属于Ⅲ等库，总坝高为99.00 m，总库容约为2 615 万m3，坝体级别为3 级，设计防洪标准为1 000年一遇洪水，坝体综合外坡比为1∶2.5。库区分为Ⅰ区（南侧）和Ⅱ区（北侧），两个库区通过分隔坝隔开，且相互独立，汇水面积分别为23.7，29.8 万m2。目前，Ⅰ区、Ⅱ区均通过各自的井-管式排水系统独立排洪。Ⅰ区的排水井采用窗口式钢井，内径0.80 m，井壁每排开设4个排水窗口，窗口内径0.20 m，排距0.50 m；Ⅱ区的排水井采用窗口式钢井，内径0.50 m，井壁每排开设2 个排水窗口，窗口内径0.20 m，排距0.30 m；Ⅰ区、Ⅱ区的排水管直径均为1.00 m，采用钢筋混凝土结构。

2.2 排洪系统整治

由于原有的排水井和排水管直径偏小，泄流能力不足，排洪设施的尺寸及目前的防洪标准均不满足规范要求，且排水管已被深厚的尾矿层覆盖，无法改造和利用，因此，需要将原有的排水井和排水管的出入口用C30 混凝土灌实封堵，然后新建溢洪道式排洪系统。

Ⅰ区新建排洪系统：在Ⅰ区的库内建设导流沟收集库内汇水，导流沟与排洪沟相连，排洪沟接入溢洪道，最终将水排入下游沟槽中。溢洪道由进水口、陡坡、消力池、跌水等构筑物组成。导流沟间隔100.00 m 设置1 道，坡度不小于0.14%，采用浆砌石结构，断面形式为矩形，尺寸为0.60 m×0.30 m（宽×深，下同）。排洪沟共1道，纵坡不小于0.1%，坡向溢洪道，断面形式为梯形，尺寸为10.00 mm×（0.95～5.50 m），沟两侧坡比1∶2，采用C30 钢筋混凝土结构。排洪沟与溢洪道采用渠道连接，排洪沟的末端尺寸即为进水口的尺寸。溢洪道陡坡的断面形式为矩形，尺寸为10.00 m×1.30 m，坡比同坝坡，采用C30 钢筋混凝土结构。溢洪道共包括3 段陡坡、1 处跌水，陡坡段的高度分别为32.80，10.30，44.40 m。每个陡坡的末端设置1处消力池，尺寸为13.00 m×10.00 m×1.50 m（长×宽×深，下同）。消力池末端设置1 处跌水，尺寸为14.00 m×10.00 m×4.50 m。Ⅰ区新建排洪系统纵剖图见图1。

图1 Ⅰ区新建排洪系统纵剖图（单位：m）

Ⅱ区新建排洪系统：在Ⅱ区的库内建设导流沟收集库内汇水，导流沟接入排洪沟，然后通过溢洪道排入上游的隧洞内，再通过上游的隧洞接入相邻的沟谷。导流沟断面尺寸和结构形式同Ⅰ区。排洪沟的断面形式为梯形，采用C30 钢筋混凝土结构，尺寸为10.00 m×（1.00～2.90 m），纵坡不小于0.1%，沟两侧坡比为1∶2。溢洪道包括1 段陡坡，高度为25.30 m，结构形式和尺寸同Ⅰ区；陡坡的末端设置1个消力池，尺寸为12.00 m×10.00 m×1.50 m。

2.3 洪水计算

洪水计算按《河南省暴雨参数图集》（2005年版）给出的相关参数进行计算，主要结果包括洪峰流量、洪水总量，暴雨计算参数见表1，水文计算结果见表2。

表1 暴雨计算参数

表2 水文计算结果

洪峰流量Qp及24 h 洪水总量W24P按照《尾矿库手册》[6]推荐的简化推理公式计算：

式中：φp为径流系数；Sp为暴雨雨力；F为汇水面积；τp为流域汇流时间；np为暴雨递减指数；μ为入渗率，L为主河槽长度；m为汇流参数；J为主河槽平均坡降；R24为24 h 径雨深。

2.4 排洪系统泄流能力计算

2.4.1 排洪沟

排洪沟按明渠水流进行计算，其泄流能力计算公式：

式中：Q为泄流量；C为谢才系数；A为过流面积；R为水力半径；J为排洪沟底坡。排洪沟泄流能力计算结果见表3。

根据表3可知，该工程排洪沟的设计泄流量大于洪峰流量，且安全超高满足规范要求。

表3 排洪沟泄流能力计算

2.4.2 溢洪道

1）进水口水力计算

当陡坡与上游宽顶堰或渠道连接时，可将连接点以下3hk（hk为临界水深）处作为陡坡水面线的起始计算断面，该断面的水深h1作为起点水深，h1=0.6hk。临界水深hk计算公式：

式中：AK为根据临界水深hk计算的过流面积；BK为进水口的顶面宽度；α为流量系数，取1.0。

临界水深的求解采用试算法，当给定流量Q和断面形状后，等式左侧的为定值，假设水深为h，等式右端算出与之对应的，当等式的左端等于右端时，与之对应的水深即为临界水深hk。进水口水力计算见表4。

表4 进水口水力计算

根据表4可知，工程进水口的设计泄流量大于洪峰流量，且安全超高满足规范要求。

2）陡坡水力计算

陡坡的水面线计算采用明渠恒定渐变流方程，其差分方程：

式中：hi+1，hi分别为下游、上游水深；Ai+1，Ai为下游、上游断面的面积；△s为上下游断面间距；i为渠道的底坡；为水力坡降；n为糙率；Ri+1，Ri分别为下游、上游断面的水力半径。

水面线计算采用分段求和法，即从上游起始水深h1开始，按一定的变化幅度递减水深值，假设水深为h2，从而求出△s；根据逐段计算的结果可以求出陡坡的水面线，且需对水面线进行掺气修正。陡坡段水流掺气水深按下式计算：

式中：hb为计入掺气影响的水深；ζ为修正系数，取1.0～1.4 s/m；v为不计掺气影响的陡坡计算断面流速；h为不计掺气影响的水深。陡坡泄流能力计算结果见表5。

表5 陡坡泄流能力计算

根据表5可知，工程陡坡的设计泄流量大于洪峰流量，且安全超高满足规范要求。

2.4.3 消能防冲计算

1）陡坡消力池计算，当已知上游渠道的设计流量Q和相应的下游水深后，可以利用下列公式联解得出消力池深度s：

式中：hc为陡坡末端收缩水深；h″c为hc的共轭水深；q为单宽流量；E0为上游总水头；σ为安全系数，取1.05～1.10；ht为下游渠道正常水深；△z为消力池出口水面落差。

消力池长度ls的计算公式：

消力池计算结果见表6。根据表6可知，消力池的实际深度和长度均大于计算值，消能防冲能够满足要求。

表6 消力池计算

2）跌水计算

工程第三级陡坡的消力池与下游之间存在4.50 m的高差，需要设通过跌水进行水流衔接，见图2。图2中，P为跌水高度；h为入口水深；ht为出口水深；收缩水深hc=0.54D0.425P；跃后水深h″c=1.66D0.27P；水舌后水深hp=D0.22P；跌落水舌长度ld=4.3D0.27P，，其中，q为单宽流量；水跃长度lj=6.9(h″c-hc)；消力池深s=h″c-ht；消力池长ls=ld+0.8lj。跌水段计算结果见表7。

图2 跌水段示意图

表7 跌水段计算

根据表7可知，跌水的实际深度和长度均大于计算值，跌水的消能防冲能够满足要求。

综上所述，头道沟赤泥库通过新建排洪沟、溢洪道、消能设施，计算频率下的洪水能够安全地疏导至下游，排洪设施能够满足泄流要求和消能防冲要求，保证库区的防洪安全。

3 结语

进入闭库阶段的尾矿库多数已经运行多年，排洪系统不可避免地出现磨损和破坏，还可能存在尺寸偏小、淤堵、地基软弱等问题，在闭库工程中通常新建排洪系统，常用的排洪方式为溢洪道式排洪。通过上文的计算分析，对河南省头道沟赤泥库排洪设施的安全性进行了论证，结果表明，溢洪道式排洪系统可以保证尾矿库闭库后的防洪安全，可为今后的尾矿库排洪系统整治提供参考借鉴。