维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年１０月 第３１卷第５期 有色矿 山 Ｏｃｔ．．２００２ Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．５ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｉｎｅｓ ｒ——— ；其他ｌ ●●－１ Ｈ１ ＿１ｈｈ ● ●’ ＿＾ 浅议尾矿库排洪系统设计 时 炜 （中国有色工程设计研究总院，北京１０００３８） ［关键词】防洪标准；排水构筑物；水文计算；流态 ［摘要】介绍了尾矿库排洪的特点、防洪标准、以及洪水计算中存在的问题，针对防洪标准的确定、排水构筑 ［文献标识码】Ａ ［文章绾号】１００２—８９５１（２００２）０５—００４３．０４ 物型式的选择以及尾矿库排洪设施综合利用等问题提出了一些看法。 ［中图分类号】ＴＶ２２２ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｆｌｏｏｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ ＳＨＩ Ｗｅｉ （Ｃｈｉｎａ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８，Ｃｈｉｎａ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏｏｄ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｎｄａｒｄ；ｄｒａｉｎａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ；ｆｌｏｗ ｆｏｒｍ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｌｏｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ，ｆｌｏｄ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｐｒｏｂ— ｌｅｍｓ ｏｆ ｆｌｏｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ．Ｉｎ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｏｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒａｉｎａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍ，ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅ ｕｓｅ ｏｆ ｆｌｏｏｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ，ｓｏｍｅ ｖｉｅｗｓ ａｒｅ ｇｉｖ一 共建直径１０ｍ排水井８座。２．６ｍ×３．７ｍ城门洞型 １ 引言 尾矿设施包括尾矿坝、排洪系统、尾矿输送系统 及回水系统四部分。其中尾矿坝、尾矿输送系统和回 水系统都是在自身正常运行状态下保证矿山正常持 续生产的环节。排洪系统一般情况下不参与正常生 产，但都是确保整个尾矿库安全的重要保证，因此， 尾矿库的洪水计算与排水构筑物的设计同样重要。 城镇、工厂、矿山都面临着雨洪排除问题。排洪 工程控制的面积增大、战线长。投入资金较高，对整 个工程项目的可行性、经济性影响较大。尤其是矿 山开发的日益增多，矿山排洪及尾矿库排洪，工程量 隧洞长７０１ｍ，３．０ｍ×３．７ｍ隧洞长４４９ｍ，工程直接 投资１ １６０万元；另有一些尾矿库的排洪系统，如德 兴铜矿、金堆城钼矿、峨口铁矿等等，其投资几乎占 尾矿库总投资的一大半，甚至有些尾矿库因为排洪 系统方案问题而变更库址，如阿舍勒铜矿的别 斯铁热克尾矿库库址就是因为该库址排洪系统投资 达３ ０００多万元，超过整个矿山及选厂建设的九分 之一，而被否决，另在距选厂东南３ｋｉｎ处新选尾矿 库。由此可见排洪工程设计的重要性。 但是，多年以来，矿山排洪工程设计并没有引起 足够的重视，经常出现一些如防洪设计标准不一、水 文资料不清、排水构筑物泄流流态不好、工程未综合 利用等方面的问题。 大，建设资金多。如金堆城露天矿排洪施工决算资 金为１５００万元；会东铅锌矿老虎岩尾矿库排洪系统 ［收稿日期】２００２—０８—１８ ［作者简介】时炜（１９７１一）。男。陕西富平县人，工程 师，从事矿山水工尾矿专业设计工作。 ２尾矿库排洪设计 尾矿库排洪工程相对于水电部门的排水构筑 物，一般具有以下不同之处：①工程单一，一般不便 维普资讯 http://www.cqvip.com 有色矿 山 ２００２年（第３１卷） 练合利用。②泄水机率少，泄洪时间短。③集流面 暴雨往往是点暴雨控制、２４小时设计暴雨控制、洪 积小，但泄流流速大。④排洪标准高，不易引起重 视。 峰流量控制。洪峰流量及洪水总量数值的大小和精 度，直接影响到工程建设投资。 ２．１防洪标准的确定 过去这一问题未得到应有的重视，认为各省都 有水文手册，套用几个经验公式就可以解决问题。 防洪标准直接关系到矿区人民生命财产和生产 安全，同时也反映了企业的经济能力。防洪标准根 实际上，水文手册特别是省水文手册，有它的代表性 和局域性，对小流域汇水面积洪水计算一般不能套 用。例如：在金堆城露天矿排洪水文计算时，曾用了 据防护对象的不同分为两种，一种为确保大坝等水 工建筑物自身安全而采用的防洪标准，另一种是修 筑水工建筑物所要防护的对象免除一定洪水威胁的 陕西省水文手册与商洛地区、渭南地区水文手册计 防洪标准。两种标准，防护对象不同，设计时不能混 淆选取。如水电部颁发的防洪标准中，是考虑河流 上游修建水工建筑物后，下游防护对象的洪水设防 标准，这个标准往往是上游下泄量与区间洪水叠加 后所形成的防洪标准，与上游水工建筑物运行的防 洪标准是两个概念。 过去采用的防洪标准比较混乱，标准不一。针 对上述情况，国家制订并于１９９５年出版ＧＢ５０２０—９４ 国家标准，统一了防洪标准并强制性执行，各行业、 各部门制订的标准不得与国家标准相抵触，为防洪 设计提供了最基本的依据。 但是矿山企业认为矿山排洪大多是汇水面积不 大的小流域，防洪标准不用太高，尤其是在企业资金 困难时，做为只有资金投入而无直接经济回报的排 洪系统，无法引起企业重视，企业希望降低防洪标 准，甚至并不实施防洪工程，以节约建设资金。事实 恰恰相反，按照正确的防洪标准设防，不仅可以减少 事故隐患，而且可以确保矿山企业的正常持续生产， 这实际也是一种间接经济效益产出。例如，白银有 色金属公司厂区排洪沟，按百年一遇洪水设计，千年 一遇洪水校核，建成后１０多年未遭遇大洪水，但是 随后一场百年大洪水，排洪沟内水几乎冒顶，证明了 设计选用的设防标准正确，避免了超标洪水淹没厂 区影响生产甚至停产所造成的公司经济损失，人们 认识到洪水设防标准正确选择的重要性。 因此，设防标准的选择必须慎重考虑，严格执行 国家规范规定。 ２．２洪水计算 尾矿库洪水计算是要确定设计洪水的洪峰流 量、洪水总量和洪水过程线，以供尾矿库排洪设计使 用。尾矿库设计洪水频率应根据尾矿库的等别，综 合考虑库容、坝高、使用年限及对下游可能造成的危 害等因素确定。 由于矿山排洪大多是汇水面积不大的小流域， 算同一区域的水文参数，发现用商洛地区水文手册 计算洪峰流量比用渭南地区水文手册公式大５％， 用省水文手册公式比用商洛地区水文手册公式大 ５０％，而用水科院推理公式、铁路科学院、公路科学 院小汇水面积公式计算则相差不大，但推理公式及 其他小汇水面积公式却比省水文手册大一倍左右。 经现场踏勘与参证附近流域工程，证明水科院推理 公式较符合实际。由此可见，应用水文手册时也应 具体分析。特别是目前各省都在新编水文手册，但 部分省、市尚未完成更新出版，仍在使用７０年代编 制的水文手册，采用这些水文手册时更应慎重。７０ 年代编制的手册，一般小流域收集的点据少，水文系 列短，工作深度不够，仅对几十及上百平方公里以上 汇水面积有代表性和适应性，小流域汇水面积洪水 计算偏差较大。所以矿山水文水利计算，应该是水 文手册公式、小流域汇水面积公式、历史洪水调查平 衡取值较合适。 ２．３排水构筑物结构形式及流态 在尾矿库的生产运行中，为了使尾矿澄清水及 暴雨洪水有计划、安全地排出坝外，必须设置排水构 筑物，减少库内水量，降低坝体浸润线，这对确保坝 体和尾矿库的安全运行起着决定性的作用。 尾矿库的防洪能力依据暴雨的来水量、排水构 筑物的泄流能力和调洪库容而定。正确的洪水计 算、有保证的排水构筑物泄流能力和一定的调洪库 容，是确保尾矿库安全运行的必要条件。 ２．３．１ 调洪演算 尾矿库调洪演算的目的是根据既定的排水系统 确定所需的调洪库容及泄洪流量。对一定的来水过 程线，排水构筑物愈小，所需调洪库容就愈大，坝也 就愈高。设计中应通过确定各种标准下的几种不同 尺寸的排水系统的调洪演算结果，合理地确定坝高 及排水构筑物的尺寸，以便使整个工程造价最小。 尾矿库调洪演算的方法主要有数解法与图解法 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 时炜：浅议尾矿库排洪系统设计 ４５ 两种。一般都是根据来水过程线和排水构筑物的泄 流量与尾矿库的蓄水量关系曲线，通过水量平衡计 设计为无压流。当设计为压力流时，隧洞出口必须 设置平压设施或闸门控制。对于矿山而言，山区洪 水暴涨暴落，排洪隧洞长时间持续大流量泄洪机会 较少，多为常年小流量排水，为管理方便，一般采用 无压流较好。 算求出泄洪过程线，从而定出泄流量和调洪库容。 也可以将洪水过程线概化为三角形，排水过程线近 似为直线，进行简单计算，由于计算方法简单，所需 计算参数少，速度快，所以目前矿山尾矿库调洪演算 当排洪工程需借助拦洪坝在洞口形成一定水头 大多采用这种方法。其具体计算公式如下： ｇ＝Ｑ （ 一 Ｖｔ） 式中：ｑ——所需排水构筑物的泄流量，ｍ３／ｓ； Ｑ ——设计洪水频率Ｐ的洪峰流量，ｍ３／ｓ； ——某坝高时的调洪库容，ｍ３； ——频率为Ｐ的一次洪水总量，ｍ３。 ２．３．２排水构筑物 尾矿库排水系统进水构筑物的布置，应满足排 水系统在使用过程中任何时候均能澄清尾矿水的要 求。排水构筑物的排水能力取决于洪水、调洪库容 和排水构筑物的形式及尺寸。常用的形式有排水 井、排水斜槽、排水管、隧洞、溢洪道及山坡截洪沟 等。排水系统形式的选择，应根据排水量大小、尾矿 库地形地质条件、使用要求及施工条件等多方面因 素，经技术经济比较确定。 小流量多采用排水管，中等流量的排水可采用 排水管或隧洞，大流量的排水则宜采用隧洞或溢洪 道。对于大、中型工程，隧洞排洪通常比排水管经济 可靠，如果地形地质条件允许，应优先选用。隧洞和 排水管的进水头部采用排水井或排水斜槽。排水井 有井圈叠装式、窗口式、框架挡板式和砌块式等。前 二者适用于小流量的排水，后二者适用于大、中流量 的排水。排水斜槽则适用于中、小流量的排水。 有色金属矿山尾矿库排洪，采用排洪隧洞较多。 但以往矿山排水构筑物进水口头部、隧洞体形及水 流流态未被重视，认为只要能泄水就行。实际用水 工模型实验验证，流态紊乱，明满流交替，产生了负 压、吞气等现象，容易造成水工构筑物结构的破坏。 排洪隧洞是排洪工程的命脉。在流态设计上可 以设计为压力流，也可以设计为无压流。一般情况 下，由于有压洞需要承受很大的内水压力，对地质条 件及衬砌要求高，而采用较少。而无压洞正好相反， 但需要的断面较大。采用压流还是无压流，应根据 矿区水文特征及要求、地质条件、施工条件分析比较 后确定。如太钢峨口铁矿尾矿库采用高塔井、隧洞 排洪系统，设计为压力流。金堆城西川河排洪隧洞。 排洪时，就有一个排洪隧洞头部的体形问题。本文 推荐采用水科院章福仪等同志１９７８年研制的“明流 短进口体形”。 明流短进口的优点是口短、流量系数大、施工方 便。典型布置是进口段后紧接闸门段（工作门与检 修门，一般根据要求可设可不设）。当不布置闸门段 时，可设置压坡段，然后与突然扩大的主洞相接，一 般进口段长度小于一倍孔高，进口段的顶部曲线采 用椭圆曲线，椭圆的长半轴约等于进口段未端的孔 高，短半轴为长半轴的０．３到０．３３３，压坡段与椭圆 曲线的切线相联，坡度一般为１：５—１：４。高水头大 排洪隧洞时，坡度宜采用１：４，小水头小排洪隧洞 时，宜采用１：５。水流在进口段、压坡段为压力流。 其后为明流，流量公式如下： Ｑ＝ Ａ√２ｇ（Ｈ１一￣ｄ１） （２） 式中：Ｑ——泄流量，ｍ３／ｓ； ——流量系数，一般 ＝０．８８－－０．９０３； Ｈ１——以洞底高程为基准的库水头，ｍ； ￡——水流出压坡段后的水流收缩系数； Ａ——控制断面处的断面积，ｍ２； ｄ ——压坡段末端孔高，ｍ。 无压洞断面一般设计为城门洞型。拱顶是用割 圆拱，还是半圆拱，应根据地质条件、受力情况，施工 力量等综合比较后确定。一般情况下，为了减小无 压洞断面，宜尽量加大隧洞纵坡。由于坡度大，排洪 隧洞内流速高，长洞中的水面曲线均属ｂ ＩＩ型降水 曲线，断面设计按明渠均匀流确定，即 Ｑ＝Ｃ甜 （３） 式中：Ｑ——泄流量，ｍ３／ｓ； Ｃ——谢才系数； ｃｃＪ——过水断面面积，ｍ２； Ｒ——过水断面的水力半径，ｍ； ——隧洞纵波。 由式（２）、（３）知：排洪隧洞断面与拦洪坝高度相 关，一定的坝高对应着一定的隧洞断面和工程造价。 最经济的工程造价对应着最经济的坝高和隧洞断 维普资讯 http://www.cqvip.com ４６ 面。这就是“经济隧洞”的方案比较工作。 有色矿 山 ２００２年（第３１卷） 解决了近两年因陕西省干旱缺水的大问题；黑龙江 松江铜矿，在采区排洪洞进口引水渠处，开挖了一大 鱼塘养鱼，使矿区职工生活得以改善，这一切都是综 合利用的事例。 大部分无拦洪坝的排水系统，除非有特殊要求， 对于高流速排洪隧洞（流速大于７ｍ／ｓ），进口还 应设置通气孔。洞内有水流掺气及冲击波问题，出 口有消能问题。所以大型排洪工程应通过水工模型 试验验证，以便随时修正设计。 ２．４综合利用 一多将洪水与尾矿澄清水合用一个排水系统排放，节 省基建投资。 般中小型水利工程，都具有发电、灌溉、养鱼 等综合效益。某些有色矿山排洪系统设有拦洪坝， 形成的拦洪库有一定的调洪库容，但却不便直接将 调洪库容作为兴利库容使用，原因是山区河流坡度 陡，流速急，汇流时间短。若将调洪库容蓄水使用， 汛期一旦洪水来临，来不及将调洪库容内的蓄水排 出，极有可能导致洪水漫坝，危及下游安全。尽管可 以通过加高坝顶标高使其增加一部分库容作为兴利 库容，但由于工程量加大，是否可行，需经过技术经 济比较才能确定。 在某些管理有序、水文预报及时的单位，可以在 非汛期利用调洪库容蓄水作为矿山的调节水源，也 可以进行农业灌溉、养鱼等。例如云南省水利勘测 设计院给易门铜矿三家厂排洪设计拦洪库时，在库 内进水口头部设置了闸门，规定每年十一月至翌年 五月蓄水，五月以后闸门全开；金堆城钼业公司，在 西川河隧洞出口筑低坝拦水引至二选厂生产用水， ３结束语 在城镇、工矿建设日益发展的形势下，排洪工程 愈来愈多，随着人们对环境保护及水土保持认识水 平的不断提高，矿山排洪工程受到重视，在进行有色 金属矿山排洪工程设计时，应依据国家及各部委的 相关规范规程，结合行业特点，设计出经济合理、符 合实际、流态良好、体形良好、并尽可能综合利用的 水工构筑物，满足建设要求。 ［参考文献］ ［１］北京有色冶金设计研究总院．尾矿设施设计参考资料 ［Ｍ］．北京：冶金工业出版社。１９８０． ［２］左东启等．水工设计手册（第一卷、第六卷）［Ｍ］．北京： 水利电力出版社。１９８７． ［３］赵辉．尾矿工程［Ｍ］．冶金工业春黄金设计院． 】９８６． （上接第３２页） 十分可观。 ５．２社会效益 进技术。在国内成功的应用尚属首次，具有显著的 社会效益和经济效益。 （２）该项目取得了较先进的技术经济指标，每 吨电铜成本为８ ３００元，是常规采选冶成本的一半 左右。 采用此技术完全利用废弃的矿石和废石，增加 了矿山资源的利用率，延长了矿山的服务年限。 制液系统不需要人工操作运行，布液与集液均 在巷道内自动运行，与传统采矿方法相比，不需要进 行二次破碎，处理大块等危险作业，安全性提高。 另外，生产工艺全部采用闭路循环，无废弃物排 放，对环境无危害。 （３）地下溶浸技术能够回收常规采矿技术不能 开采和用常规采矿技术开采不经济的矿产资源，从 而大大提高了矿产资源的利用率。该技术在工艺上 采用闭路循环，可减少矿石、废石、矿坑水、溶浸剂等 对环境的污染。 ６结语 （１）原地溶浸是回收难采难选低品位矿石的先 （４）生产中还需进一步完善防渗、净化浸出液、 处理第三相等问题。 ｌ
