嚴(yán)寒地區(qū)某尾礦庫壩面排水溝設(shè)計要點

賈 軍 劉 濤

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

對于上游式大型尾礦庫，尾礦堆積高度較高，尾礦堆積壩下游坡面積大，由碎散結(jié)構(gòu)尾礦堆筑而成的尾礦堆積壩在降雨徑流作用下會產(chǎn)生沖刷，破壞壩體結(jié)構(gòu)。因此，堆積壩下游坡面通常會設(shè)置截排水溝、植被（碎石）護(hù)坡等壩面防護(hù)設(shè)施，截排水溝通常采用縱、橫向網(wǎng)格狀布置，截排水溝一般采用鋼筋混凝土、素混凝土、漿砌石、預(yù)制“U”形槽和水泥毯等多種結(jié)構(gòu)形式。位于北方嚴(yán)寒地區(qū)的尾礦庫，冰凍期較久，上述常用結(jié)構(gòu)型式的截排水溝常常會產(chǎn)生凍害現(xiàn)象，導(dǎo)致每年尾礦庫壩面水溝管理維護(hù)工作量大，給礦山企業(yè)生產(chǎn)運行帶來了極大困擾［1-5］。本研究根據(jù)多年來積累的尾礦庫設(shè)計經(jīng)驗，以北方嚴(yán)寒地區(qū)某大型尾礦庫為例，對壩面排水溝設(shè)計要點進(jìn)行分析，為嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫壩面截排水溝設(shè)計提供參考。

1 常規(guī)設(shè)計中存在的不足

尾礦庫常規(guī)設(shè)計中對于壩面排水溝設(shè)計主要存在的不足為：①對壩面排水溝設(shè)計重視程度不足；②排水溝的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不明確；③壩面縱、橫向排水溝布置較為混亂，缺乏系統(tǒng)獨立性考慮；④確定排水溝斷面尺寸時，缺少計算復(fù)核過程；⑤溝體材料選擇及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計缺乏針對性，抗凍害能力差。上述問題導(dǎo)致尾礦庫在實際運行中，存在壩面地表水無法有效進(jìn)入截排水溝溝內(nèi)、溝內(nèi)排水不暢、溝體沖刷嚴(yán)重、溝體凍害嚴(yán)重、終期運行溝內(nèi)水漫溢、維護(hù)和管理工作量大等問題。雖然不能直接影響尾礦庫本質(zhì)安全，但易引發(fā)壩面積水、壩坡面裸露、壩面沖溝、壩面沼澤化等現(xiàn)象，由此帶來大量的壩面及水溝維護(hù)工作，降低了企業(yè)運行效益。

2 排水溝設(shè)置要求

2.1 現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定

《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）規(guī)定：尾礦庫堆積壩應(yīng)設(shè)置壩面排水系統(tǒng)，下游坡與兩岸山坡結(jié)合處應(yīng)設(shè)置壩肩截水溝，尾礦堆積壩的每級馬道內(nèi)側(cè)或上游式尾礦筑壩的每級子壩下游坡腳處均應(yīng)設(shè)置縱向排水溝，并應(yīng)在坡面上設(shè)置人字溝或豎向排水溝?！段驳V設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（GB 50863—2013）規(guī)定：尾礦堆積壩下游坡與兩岸山坡結(jié)合處應(yīng)設(shè)置截水溝，尾礦堆積壩坡面宜修筑人字溝或網(wǎng)狀排水溝?！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計規(guī)范》（SL 274—2020）規(guī)定：①壩面排水應(yīng)包括壩頂、壩坡、壩肩及壩下游岸坡等部位的集水、截水和排水措施。除了干砌石或堆石、拋石護(hù)坡外，均應(yīng)設(shè)壩面排水設(shè)施。②岸坡排水宜與壩體壩基排水形成相對獨立的排水體系。壩面排水溝可用混凝土現(xiàn)場澆筑或漿砌石砌筑，采用混凝土預(yù)制件拼裝時，應(yīng)使接縫牢固、成一整體。上述規(guī)定表明，尾礦堆積壩設(shè)置壩面排水系統(tǒng)對于尾礦庫安全運行至關(guān)重要。

2.2 排水溝布置形式

尾礦庫堆積壩在運行中是通過堆筑子壩、放礦進(jìn)行逐級加高的。堆積壩下游坡面是由各級子壩坡面及坡頂平臺（馬道）組成，在橫剖面上呈階梯狀。堆積壩坡面大小受堆積壩高度、堆積坡比及壩軸線長度影響，決定了壩面排水系統(tǒng)修筑和維護(hù)工作量隨著尾礦庫運行期延長而增加，隨著壩高上升而增加。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定及實際運行情況可知，尾礦庫壩面排水溝由壩面縱、橫向排水溝和壩肩截水溝組成。壩面縱向排水溝通常位于各級子壩坡腳或馬道內(nèi)側(cè)，承擔(dān)收集馬道平臺和本級子壩坡面徑流的作用，同時兼顧收集壩體排滲設(shè)施滲水。壩面橫向排水溝垂直于壩軸線方向布置，間距通常為50～100 m，承擔(dān)將各級壩面縱向排水溝內(nèi)來水逐級向下導(dǎo)排至初期壩頂處的縱向排水溝，最后經(jīng)初期壩頂排水溝將壩面匯水沿兩側(cè)壩肩導(dǎo)排至尾礦庫下游。壩肩截水溝位于堆積壩兩端與山體結(jié)合處，承擔(dān)將外側(cè)山體匯水?dāng)r截并導(dǎo)排至尾礦庫下游的作用。上述排水溝在尾礦庫運行中構(gòu)成壩面排水系統(tǒng)，平面上呈網(wǎng)格狀，隨著壩體升高向上游逐步延伸擴大。對于堆積壩坡面緩、子壩堆積高度小及匯水面積不大的尾礦庫，也有采用“人”字形的壩面排水溝布置形式。

2.3 排水溝結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)統(tǒng)計，尾礦庫壩面排水溝常用的結(jié)構(gòu)形式包括漿砌石、混凝土、預(yù)制“U”形槽和水泥毯等。常用的壩面排水溝結(jié)構(gòu)形式特點見表1。

3 壩面排水系統(tǒng)設(shè)計

3.1 尾礦庫概況

北方某山谷型尾礦庫，采用上游式濕法筑壩，設(shè)計總壩高150 m，初期壩為透水堆石壩，壩高35 m，尾礦堆積壩高115.0 m，堆積壩下游平均坡比為1∶5.0。初期壩頂軸線長度為200 m，現(xiàn)狀堆積壩高18 m，現(xiàn)狀壩頂軸線長度為300 m，堆積壩每級子壩高度為3 m，坡比為1:2.5，每級馬道寬度為7.5 m。堆積壩每上升9 m設(shè)置一道縱向排水溝、縱橫向排水溝及壩肩截水溝。上述排水溝均為漿砌石結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為600 mm×800 mm，采用M5水泥砂漿砌筑。經(jīng)調(diào)查，部分壩面排水溝已出現(xiàn)砂漿脫落、溝體開裂等現(xiàn)象，汛期時部分壩面橫向排水溝雨水倒灌縱向排水溝，導(dǎo)致壩面排水不暢、局部積水嚴(yán)重。

庫區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長，夏季濕熱短暫，年平均氣溫2.8℃，1月份最冷，平均氣溫-22.5℃，最低氣溫-45.0℃；7月份最熱，平均氣溫22℃，最高氣溫37.2℃。結(jié)冰期為9月下旬至翌年4月中旬，季節(jié)性凍土深度達(dá)2.2 m左右。年平均降水量600 mm，多集中在6—8月份，年平均蒸發(fā)量為1 000 mm。

3.2 現(xiàn)狀排水溝設(shè)計不足分析

根據(jù)企業(yè)反映及現(xiàn)場調(diào)查，該尾礦庫壩面排水溝早期設(shè)計存在諸多不足之處，主要包括：①壩面排水溝平面布置未能滿足縱橫向排水溝相互獨立運行原則；②壩面排水溝尺寸設(shè)置未考慮最終標(biāo)高下壩坡面積，且設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不明確；③排水溝結(jié)構(gòu)設(shè)計未充分考慮嚴(yán)寒地區(qū)抗凍害要求。

3.3 優(yōu)化設(shè)計

基于上述排水溝設(shè)計中存在的不足，結(jié)合地表排水溝抗凍設(shè)計相關(guān)規(guī)范及嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫壩面排水溝的實際運行特點，設(shè)計中應(yīng)主要從壩面排水溝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、排水溝平面布置及抗凍害結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行重點考慮。

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3.3.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）規(guī)定，尾礦庫排洪系統(tǒng)外的尾礦壩壩肩截水溝、壩面排水溝的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不小于年最大24 h雨量均值。上述規(guī)定表明，壩面排水溝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低于尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合壩面排水溝運行要求，該尾礦庫壩面排水系統(tǒng)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用洪水重現(xiàn)期為5 a。

3.3.2 平面布置

在堆積壩上設(shè)置壩面縱橫向排水溝和兩側(cè)壩肩截水溝，其中壩面縱向排水溝沿每級子壩坡腳平行于壩軸線方向設(shè)置，其中位于第一級子壩坡腳的縱向排水溝為主溝，其上各級子壩坡腳縱向排水溝均為支溝。壩面橫向排水溝垂直于壩軸線方向每隔100 m設(shè)置一道，上部隨著子壩升高逐漸向上延伸修筑，下部與縱向主排水溝相連。兩側(cè)壩肩截水溝沿堆積壩與山體接觸部位修筑，上部隨子壩堆高向上延伸，下部經(jīng)初期壩頂及壩肩延伸至初期壩腳下游溝渠。各級縱向支排水溝與橫向排水溝相通，并在中部向兩側(cè)順坡傾斜。初期壩頂?shù)目v向排水溝最終將整個堆積壩面上的水溝來水進(jìn)行收集，并沿壩軸線導(dǎo)排至兩側(cè)壩肩截水溝。以上平面布置能夠?qū)崿F(xiàn)壩肩截水溝與縱橫向排水溝之間獨立運行；同時橫向排水溝將各縱向支排水溝來水收集后直接導(dǎo)向最下部的縱向主排水溝；最大程度地實現(xiàn)了各區(qū)域溝體獨立運行，降低了個別溝段損壞產(chǎn)生的大面積關(guān)聯(lián)影響的可能。壩面排水溝系統(tǒng)平面布置如圖1所示。

3.3.3 尺寸確定

經(jīng)水力計算，確定壩面各排水溝的尺寸和坡度見表2。

3.3.4 材料選擇及結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)該尾礦庫所在地區(qū)氣候特點，依據(jù)規(guī)范規(guī)定屬于嚴(yán)寒區(qū)。由表1分析可知，該尾礦庫壩面排水溝采用漿砌石結(jié)構(gòu)形式。

3.3.4.1 材料選擇

依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定［7］，嚴(yán)寒地區(qū)的漿砌石結(jié)構(gòu)所用砌筑砂漿強度等級為M7.5～M10；勾縫砂漿強度等級為M10～M15；砌筑砂漿的稠度取值范圍為30～50 mm，分層度應(yīng)不大于30 mm。水泥砂漿中水泥用量應(yīng)不小于200 kg/m3，水泥和摻合料總量應(yīng)不小于350 kg/m3。具有抗凍要求的砌筑砂漿經(jīng)凍融試驗后，質(zhì)量損失率應(yīng)不大于5%，抗壓強度損失率應(yīng)不大于25%。砂漿試配時應(yīng)采用機械攪拌，水泥砂漿和水泥混合砂漿攪拌時間應(yīng)不小于120 s，摻用粉煤灰和外加劑砂漿攪拌時間應(yīng)不小于180 s。砂漿用水泥強度等級不宜低于42.5級，宜采用中粗砂。

按上述規(guī)定，該尾礦庫壩面排水溝砌筑所用塊石等級不低于MU30，采用M10砂漿砌筑，用M20砂漿進(jìn)行勾縫和抹面。制備M10水泥砂漿水泥用量為260～290 kg/m3，水泥強度等級為32.5，砂用量為1 390～1 450 kg/m3，用水量為270～330 kg；制備M20水泥砂漿水泥用量為340～400 kg/m3，水泥強度等級為42.5，砂用量為1 390～1 450 kg/m3，用水量為270～330 kg。

3.3.4.2 結(jié)構(gòu)形式

該尾礦庫所地區(qū)在凍土深度2.2 m，遠(yuǎn)大于排水溝溝底埋深。在凍融作用下，排水溝地基及兩側(cè)溝壁的尾砂勢必產(chǎn)生凍脹變形。由于排水溝自身為剛性體，容許變形量較小，在外部土凍脹力作用下對溝體產(chǎn)生較大的破壞力，使其發(fā)生變形破壞?；谏鲜龇治?，在溝槽開挖后先鋪設(shè)一層200 g/m2的土工布，溝底設(shè)置碎石墊層，墊層厚度為250 mm，碎石粒徑為3～10 cm，墊層底部采用粒徑為5～10 cm的碎石，上部采用粒徑為3～5 cm的碎石，墊層頂部采用3 cm厚的M5砂漿找平。溝體施工完成后在溝壁與土工布之間封層回填粒徑為3～5 cm的碎石至溝頂，回填寬度為15 cm，并將土工布向內(nèi)側(cè)折疊進(jìn)行包裹。

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4 結(jié)論

（1）根據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》（GB 39496—2020）規(guī)定，明確了壩面排水溝系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，避免了采用尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致溝體尺寸過大產(chǎn)生的浪費；同時提出了壩肩截水溝以及壩面縱橫向排水溝獨立運行的平面布置原則，降低了因局部溝段損壞對整個壩面排水的影響程度。

（2）根據(jù)對以往嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫壩面排水溝凍害原因的分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫特點，優(yōu)化了壩面排水溝構(gòu)體材料要求及結(jié)構(gòu)形式，能夠最大程度地適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點。

（3）本研究提出的溝體材料要求及結(jié)構(gòu)形式需要進(jìn)一步在嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫進(jìn)行推廣應(yīng)用，以驗證其適用性和可靠性。