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泥石流地质灾害易发区某尾矿库排洪设施的安全布置方案
2018-10-10
我国尾矿库排洪设施常采用“井、塔、槽+洞、管、渠”的形式,该种排洪形式具有断面小、尺寸高、经济性 好的优势;但在布置方式缺乏安全度的情况下,当遭遇地质灾害影响时其结构抵抗能力较差,排泄能力减弱,易发生 结构损毁或行洪於堵事故,从而严重影响尾矿坝的整体安全;在地质灾害易发区,安全、科学、合理地布置排洪设施 显得十分关键。以处于泥石流相对易发区的某典型尾矿库为案例,在全面调查库区地质灾害规模的基础上,分析沟 谷泥石流的发育特征及其对主体工程的危害程度;采用排洪系统双进口方案并整体避让泥石流沟谷危险区范围布 置的方法以增大系统安全度,并经模型试验验证了布置方式的可靠性;在此基础上,充分利用尾矿库调洪...
Series No. 507 金 属 矿 山 总第 507 期 September 2018 METAL MINE 2018 年第 9 期 泥石流地质灾害易发区某尾矿库排洪设施的 安全布置方案 1 ,2 1,2 1,2 旋 甘海阔 周汉民 崔 1. 北京矿冶科技集团有限公司,北京 101600;2. 金属矿山智能开采技术北京市重点实验室,北京 102628) ( 摘 要 我国尾矿库排洪设施常采用“井、塔、槽+洞、管、渠”的形式,该种排洪形式具有断面小、尺寸高、经济性 好的优势;但在布置方式缺乏安全度的情况下,当遭遇地质灾害影响时其结构抵抗能力较差,排泄能力减弱,易发生 结构损毁或行洪於堵事故,从而严重影响尾矿坝的整体安全;在地质灾害易发区,安全、科学、合理地布置排洪设施 显得十分关键。以处于泥石流相对易发区的某典型尾矿库为案例,在全面调查库区地质灾害规模的基础上,分析沟 谷泥石流的发育特征及其对主体工程的危害程度;采用排洪系统双进口方案并整体避让泥石流沟谷危险区范围布 置的方法以增大系统安全度,并经模型试验验证了布置方式的可靠性;在此基础上,充分利用尾矿库调洪库容,容纳 一次泥石流固体总量以保证尾矿库防洪安全;设置了泥石流停淤场及拦挡设施,减小泥石流对库区的危害程度;建 立库区泥石流在线监测系统,实现尾矿库安全运行实时监控;通过以上措施,形成了一套完善的适用于泥石流地质 灾害易发区的排洪设施安全布置方案。 关键词 泥石流 排洪设施 尾矿库 地质灾害 中图分类号 TD167;TD212 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-09-161-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201809029 Safety Arrangement Scheme for Flood Discharge Facilities of a Tailings Reservoir in Prone Areas of Debris Flow Geological Hazard 1,2 1,2 1,2 Cui Xuan Gan Haikuo Zhou Hanmin (1. BGRIMM Technology Group Co.,Ltd.,Beijing 101600,China;2. Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology,Beijing 102628,China) Abstract The drainage facilities of tailings reservoir in China often use“wells,towers,trough + tunnel,pipe,canal”; This type of flood discharge has the advantages of small section,high size and good economy. But in the absence of safety of the arrangement,its structure resistance is poor and the flood discharge capacity is weakened when the geological disasters oc⁃ cur such as collapse,landslide and debris flow. It easily leads to structural damage or flood discharge in blocking accidents, which seriously affect the overall safety of tailings dams. It is very important to arrange the drainage facilities safely,scientifi⁃ cally and rationally in the geological disaster prone area. Taking a typical tailings reservoir in the prone area of debris flow as a case,the development characteristics of gully debris flow and its harmfulness to main projects are analyzed on the basis of comprehensively investigating on the scale of geological hazard. The schemes of double inlets of drainage well and the overall avoidance of debris flow gully are arranged to increase the safety of the system,and the reliability of the scheme is verified by the physical model test. The flood storage capacity of tailings reservoir is fully utilized to accommodate the total amount of de⁃ bris flow once and ensure the safety of flood control. Debris flow stop siltation and blocking facilities are set up to reduce the hazard of debris flow to tailings reservoir. On-line monitoring system of debris flow in reservoir area is established to realize the real-time monitoring on the safety of tailing reservoir. Through the above measures,a set of complete flood discharge facili⁃ ties for safety arrangement is concluded to deal with debris flow geologic hazard in the prone area. Keywords Debris flow,Drainage facilities,Tailings reservoir,Geological hazard 收稿日期 2018-06-15 基金项目 国家重点研发计划项目(编号:2017YFC0804600)。 作者简介 甘海阔(1988—),男,工程师,硕士。 · 161 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 尾矿库堆置了矿产资源开采过程中产生的大量 尾矿及废水等,是一个具有高势能的泥石流源,其安 全性受工程地质条件特别是库内不良地质条件的影 1 项目介绍 某典型尾矿库项目位于我国云南省昆明市东川 区境内,工程区位于小江西支断裂和东支断裂的夹 持区域,工程项目的北端距小江东支断裂的最近距 离仅约 3.0 km;该地区抗震设防烈度为 9 度,设计基 本地震加速度值 0.40 g。由于区域地质构造发育及 地表植被覆盖条件差,东川历来是我国泥石流地质 灾害高发区和水土流失综合防治的前沿基地。 由于尾矿库选址条件的极大局限性,该尾矿库 库址同样面临着库区不良地质现象多、覆盖层地基 深厚、库岸山高坡陡、库区狭长迂回等复杂地质工 况。该尾矿库库区属狭长“V”字型河谷,全段利用的 沟谷长度约 4.4 km,沟底平均纵坡 3.3%;沟谷上游 窄、下游宽,最窄处仅 27 m,最宽处约 150 m;河谷内 部“S”型转弯多。库岸两侧山体地形坡度均较陡,大 多在 45°~55°之间,库区左右两岸山体厚实,谷底和 沟谷两岸分水岭高差在 300~650 m,库区呈典型的 “两山夹一谷”地形。该库址存在的不良地质现象主 要表现为库区共发育4条中小型的稀型~过渡性泥石 流沟谷。分别为大窝塘沟、小荒地沟、大地箐沟和水 龙站沟,具体如图1所示。 [1] 响十分显著 。我国多数沟谷上游法堆坝尾矿库由 于占地面积较大,同时受到建库地质条件的限制,库 区边坡时常存在一定的崩塌、滑坡、泥石流等不良地 质现象;在尾矿库的运行过程中也会由于暴雨洪水、 台风、地震、施工开挖、边坡淹没等因素诱发形成新 的地质灾害点;地质灾害问题给尾矿库的安全运行 [ 2~3] 带来了诸多挑战 。而在尾矿库的各系统中,排洪 设施受库区地质灾害的影响更为显著,这是因为多 年以来我国尾矿库的建设实施常采用“井、塔、槽+ [ 4] 洞、管、渠”的排洪方式 ;该种排洪形式具有断面小、 尺寸高、经济性好的优势,但其在布置方式缺乏安全 度的情况下,遭遇地质灾害时结构抵抗能力差,排泄 能力减弱,易引发排洪系统的结构损毁或行洪於堵 问题。近些年来,由于库区地质灾害所引发的尾矿 库排洪设施垮塌、於堵的事故时常发生。例如:2006 年8月,四川会东铅锌矿老虎岩尾矿库由于汛期库区 # 大量弃方在汛期形成泥石流,泥石流於堵尾矿库2 排 洪井并造成洪水漫坝;2010年7月24日,河南栾川甘 涧沟尾矿库在暴雨激发条件下形成库区泥石流,泥 石流最终於堵排洪井井口导致洪水漫坝溃决;2015 年11月16日,云南锡业郴州矿冶有限公司屋场坪锡 矿尾矿库因连日持续强降雨导致库区山洪泥石流暴 发,泥石流直泄尾矿库致使正在运行的一座排水井 上部坍塌,库内尾矿经排洪涵洞大量泄出造成事 故。因此,如何科学合理地在地质灾害易发区布置 排洪设施,并制定有效解决方案以保证尾矿库防洪 安全成为广大尾矿库科研及设计人员关注的一个重 在该库址下拟采用“初期坝(50 m)+中期分期中 线法卵砾石筑坝(60 m)+后期宽体模袋上游法(20 m)”堆积建设一座总高度为 130 m 的尾矿坝,最终可 [ 5-7] 要研究方向 。 本研究以处于泥石流地质灾害相对易发区的某 典型尾矿库作为案例,在全面调查库区地质灾害的 基础上,分析库区范围内多条沟谷泥石流发育特征 以及对主体工程的危害程度;通过采用排洪系统双 进口布置方案和整体避让泥石流沟谷措施,增大排 洪系统的安全裕度;充分利用尾矿库调洪库容容纳 一次泥石流总量以保证尾矿库防洪安全;设置泥石 流停淤场及拦挡设施,进一步减小库区泥石流的危 害程度;建立库区泥石流在线监测系统实现尾矿库 安全运行实时监控;通过以上措施总结形成一套完 善的适用于地质灾害易发区的排洪系统布置方案, 可为类似地质灾害易发区尾矿库排洪系统设计布 置、建设实施及运行管理提供借鉴和指导。 3 形成的尾矿库总库容约4 800万m ,为二等库。拟在 该尾矿库上游设置“拦水坝+隧洞”分流库外洪水,库 内则设置排洪“框架式排水井+排水隧洞”作为排洪 系统。尾矿库典型工程平面布置如图2所示。 2 地质灾害全面调查与分析 在该尾矿库选址建设最初,为充分论证泥石流 等地质灾害对库址及尾矿设施的影响程度,委托第 三方专业泥石流评价机构开展尾矿库库区周边泥石 流调查分析工作,主要内容:通过现场实地踏勘、现 场测量与取样等手段确定调查沟域的基本工程地质 情况及泥石流活动程度;通过室内泥石流流动还原 试验及内业计算等,分析确定库区范围内4条沟谷的 · 162 · 甘海阔等:泥石流地质灾害易发区某尾矿库排洪设施的安全布置方案 2018年第9期 危险性分析结果汇总如表1所示。 通过地质灾害全面调查分析,得出的主要结论为: ( 1)库区4条支沟泥石流中:大地箐沟、水龙站沟 为中等规模的稀性~过渡性泥石流沟谷;大窝塘沟及 小荒地沟两条沟谷为小型泥石流沟谷。四条沟谷均 属中小规模的稀性~过渡性泥石流沟,流域范围小, 设防工况下四条沟谷一次泥石流固体冲出总量合计 3 约8.9万m ,泥石流沟谷的一次冲出总量和整个尾矿 库库区流域年平均水土流失量相对不大。 (2)泥石流对推荐布置方案下的尾矿坝、库尾拦 水坝及库外排洪系统不会产生威胁及危害;泥石流 的主要可能危害对象为库内排洪设施(排水井+隧 洞),有冲击及於堵排洪设施的可能;对于库内排洪 系统的布置建议通过主体工程的主动避让和防护实 现安全的目的。 泥石流发育特征和危险性;综合评价泥石流对主体 工程的影响及危害程度。库区典型泥石流沟谷冲积 扇形态如图3所示,库区4条泥石流沟谷的活动性及 ( 3)随着尾矿库的堆高,库区尾砂的不断堆积将 向搭接24 m,错位1.0 m;在极端工况下1座排水井受 泥石流影响於堵失效时,确保备用排水井能够正常 工作。双进口排洪系统避开泥石流危险区布置方案 如图4所示。 改变原泥石流沟口堆积区地貌,并减缓了沟底纵坡, 有利于库内泥石流的减缓和停积。 (4)对尾矿库库区及周边沟谷进行大范围泥石 # (2)为避开库区水龙站沟中型泥石流的影响,1 流治理的必要性不大,可以预防和监测为主。 # # # 3 排洪系统布置方案 排水井与 2 排水井(1 ,2 互为备用井)分别在该沟谷 3 . 1 双进口排洪系统避让泥石流布置 危险区范围以外的上游及下游侧布置。为避开库区 # # 中部大地箐沟中型泥石流沟谷的影响,3 及4 排水井 # # (3 ,4 互为备用井)在该沟谷危险区范围以外的下游 根据尾矿库库区周边泥石流调查分析的结论, 该尾矿库排洪系统整体方案的布置原则:根据泥石 流沟谷的位置及影响范围,采用排洪系统双进口措 施并整体避让泥石流沟谷危险区范围布置,以增大 系统安全度。具体措施如下。 侧布置;为避开大地箐沟、小荒地沟以及大窝塘沟 3 # # 条泥石流沟谷的影响,5 ~8 排水井完全避开该沟谷 段,在4条泥石流沟谷的上游靠近库尾侧布置。 (3)8座排水井的进水口标高距高沟底高度均在 10~15 m以上,目的是保证排水井周边始终具有一定 (1)在尾矿库库区共布置8座框架式排水井,4用 4 备,每座排水井高度 25 m,使用井与备用井高度方 · 163 · 总第507期 金 属 矿 山 2018年第9期 度后,库内剩余安全超高仍可满足防洪安全的要求。 同时,该尾矿库采用“初期坝+分期中线法卵砾 石筑坝+宽体模袋上游法”方式设计建造;中线法每 级卵砾石子坝堆坝高度为 15 m;后期宽体模袋上游 法每级子坝宽度约 100 m,子坝高度为 4.0 m,每级子 坝均要求汛期前完成施工,坝体典型剖面如图 5 所 示。如此,分级中线法坝体和模袋宽体子坝可形成 沉积滩面超高之外额外的坝体超高,可进一步提高 尾矿库的防洪安全裕度,降低尾矿库由于排洪系统 整体失效而发生溃坝的风险。 4 泥石流拦挡与监测 . 1 泥石流停淤场及拦挡设施 深度的水区范围,以确保库内泥石流发生时,其所携 带的固体颗粒及大块石等能够提前在库内水区范围 内发生沉积,以最大限度地降低产生泥石流冲击於 堵排洪系统的风险。 4 《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239)指 出:针对泥石流防治可利用天然有利地形,将泥石流 引入选定的宽阔滩地或低地,使其自然减速后淤积, 以此达到停淤、分流化解泥石流水沙集中的矛盾。 该尾矿库狭长迂回的库区即为作为库内 4 条支沟泥 石流水土流失的天然停淤场。而且随着尾矿库的逐 渐堆排和库面抬升,将改变原泥石流沟谷的地形地 貌特征,降低了泥石流沟谷平均坡度,有利于泥石流 冲积物就近于沟口附近停积。 (4)8座排水井基座均布置在库区右岸稳固的坚 硬微风化玄武岩地层上,避开库区中部中生界粉砂 岩夹泥岩地层,同时确保排水井边坡及附近场地稳 固,无不良地质现象。 (5)为验证布置方案下排洪设施避让泥石流的效 果,委托第三方专业机构针对当前布置方案下排洪设 施开展《库区泥石流对尾矿库排洪系设施影响的物理 模型试验》研究工作;通过物理模型试验明确了各工 况下设防泥石流对排洪设施的影响均处于可控范围 内,当前布置方案下泥石流发生时不会造成排水井的 於堵及冲击破坏,库区泥石流对排洪系统的正常运行 影响不大。限于篇幅,涉及到泥石流对尾矿库排洪设 施影响的模型试验具体内容不再展开描述。 《规范》同时指出:针对泥石流治理,在地形较好 的泥石流流通区地带,可采用可靠的拦挡坝、谷坊坝 等,以拦载水沙,改变输水输沙条件和稳定沟谷;达 到降低河床坡降,减缓泥石流流速,抑制上游河段 纵、横向侵蚀,保证下游排洪设施的目的。根据尾矿 库的实际现状,此次在大地箐沟的沟底坡度较缓地 段设置1座格栅坝,3座副坝,并沿途设置多座小型谷 坊坝,以拦截泥石流,减轻对下游排洪设施的影响。 3 . 2 防洪安全分析 针对该尾矿库而言,泥石流灾害发生时造成的 4 . 2 运行期泥石流监测 最不利影响:致使库内排洪系统垮塌或於堵,并导致 排洪系统整体失效,进而影响到尾矿库的防洪安全。 通过该尾矿库库型条件分析可得:该尾矿库可 利用的河谷全长 4.4 km,在整个尾矿库运行服务期, 可形成足够的干滩长度和调洪库容;尾矿库运行初 泥石流监测的目的是为获取泥石流形成的固体 物源、水源和流动过程中的流速、流量、顶面高程(泥 位)、容重等及其变化,为泥石流的预测、预报和警报 提供依据。针对该尾矿库泥石流监测,布置如下监 测方案。 3 期的调洪库容总量约 80 万 m ,运行后期的调洪库容 3 总量约 400 万 m 。在尾矿库最高洪水位的基础上考 ( 1)监测范围。水源和固体的颗粒的物源区、流 通段和堆积区。 2)监测方法。视频、雷达、警报器等现代化手 虑上述 4 条泥石流沟谷固体冲积物所占用的调洪高 ( · 164 · 甘海阔等:泥石流地质灾害易发区某尾矿库排洪设施的安全布置方案 2018年第9期 段和普通的测量、观测等相结合的方式进行。 参 考 文 献 (3)监测内容。①物源监测:泥石流形成区内松 [ 1] 林玉山,张 卫. 尾矿库地质灾害与危险性评估[J].桂林工学院 散土层堆积的分布和分布面积、体积的变化;松散土 层是否有裂缝产生和裂缝宽度的变化;库内滑坡、崩 塌的发展与变形情况;库区森林覆盖面积的增减和 水土保持的状况及效果。②雨情监测:监测流域的 降雨过程和降雨量,根据当地泥石流的一次暴雨激 发值等经验数据判断降雨激发泥石流的可能性。 建立库区泥石流监测系统,并与该尾矿库的坝 体及排洪设施等安全监测共同构成统一的库区监测 体系,以实现该尾矿库安全运行实时监控。 学报,2006,26(04):486-490. Lin Yushan,Zhang Wei. Geohazard and risk assessment for tailing reservoir[J]. Journal of Guilin University of Technology,2006,26 (04):486-490. [ 2] 刘 丽,陈洪凯. 矿山泥石流灾害成因与防治对策[J]. 重庆交 通大学学报:自然科学版,2009,28(05):915-920. Liu Li,Chen Hongkai.Causes of mine debris flow disaster and its countermeasures[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2009,28(5):915-920. [ 3] 徐友宁,何 芳,张江华,等. 矿山泥石流特点及其防灾减灾对 策[J].山地学报,2010,28(04):463-469. 5 结 论 Xu Youning,He Fang,Zhang Jianghua,et al. Characteristics and strategy for prevention and reduction of mine debris flow[J]. Jour- nal of Mountain Science,2010,28(4): 463-469. (1)在泥石流相对易发区布置排洪设施,应以全 面调查库区地质灾害规模为基础,确定各沟谷泥石 流的发育特征及其对主体工程的危害程度。本研究 通过开展上述工作,明确库区泥石流沟谷均属中小 规模的稀性~过渡性泥石流沟谷,泥石流的固体冲出 总量和流域年平均水土流失量不大,可通过库内排 洪设施的主动避让和防护保证安全。 [4] 邓书申. 尾矿库排洪系统设计及优化方法[J]. 金属矿山,2014 (2):146-149. Deng Shushen. Flood discharge system design and optimization method of tailings dam[J]. Metal Mine,2014(2):146-149. [ 5] 蔡贵珍,童 梅. 巴里新尾矿库区流域泥石流发生可能性评估 [J]. 水利水电快报,2003,24(19):12-14. ( 2)本次通过设置排洪系统双进口,并将排水井 Cai Guizhen,Tong Mei. Probability assessment of debris flow occur- rence in Balixin tailings reservoir area[J]. Express Water Resourc- es & Hydropower Information,2003,24(19):12-14. 布置于库岸山坡高出沟底 10~15m的位置处,实现排 洪设施避让泥石流危险区的同时,使得泥石流固体颗 粒能够在库内水区提前发生沉积,降低泥石流冲击、 於堵排洪系统的风险;并通过泥石流物理模型试验进 一步验证了上述排洪系统布置方案是安全可靠的。 [ 6] 杨良权,陈爱兵,高焕芝,等. 尾矿库工程地质灾害易损性评价 研究 —以滇东南云镍尾矿库为例[J]. 水土保持通报,2014, 4(01):290-295. — 3 Yang Liangquan,Chen Aibing,Gao Huanzhi,et al. Vulnerability assessment of geological disasters in tailing pond engineering:a case study of Yun Nickel tailing pong in southeast Yunnan province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2014,34(01):290-295. (3)该尾矿库库内纵深长,调洪库容大,可充分 容纳设防一次泥石流总量;同时设置了安全超高余 量大的堆坝方式,降低了极端偶发工况由于排洪系 统整体失效而导致尾矿坝发生溃坝的风险。 [ 7] 王海波. 雅安市石棉县后沟尾矿库泥石流防治工程研究[D]. 成 都:西南交通大学,2017. ( 4)对于地质灾害易发区的尾矿库,可根据尾矿 Wang Haibo. Study on Debris Flow Prevention and Control Project of Tailings Reservoir in Shimian County of Ya’an City[D]. Cheng- du:Southwest Jiaotong University,2017. 库实际地形条件设置泥石流停淤场或拦挡设施,以 减小库区泥石流的危害程度,并可建立泥石流监测 体系以保证尾矿库运行期的安全。 (责任编辑 徐志宏) · 165 ·
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