賈 軍 劉 濤

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司；2.中鋼集團(tuán)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(guó)家工程研究中心有限公司；4.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

對(duì)于上游式大型尾礦庫(kù)，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(huì)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(huì)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(kù)，冰凍期較久，上述常用結(jié)構(gòu)型式的截排水溝常常會(huì)產(chǎn)生凍害現(xiàn)象，導(dǎo)致每年尾礦庫(kù)壩面水溝管理維護(hù)工作量大，給礦山企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)了極大困擾［1-5］。本研究根據(jù)多年來(lái)積累的尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以北方嚴(yán)寒地區(qū)某大型尾礦庫(kù)為例，對(duì)壩面排水溝設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫(kù)壩面截排水溝設(shè)計(jì)提供參考。

1 常規(guī)設(shè)計(jì)中存在的不足

尾礦庫(kù)常規(guī)設(shè)計(jì)中對(duì)于壩面排水溝設(shè)計(jì)主要存在的不足為：①對(duì)壩面排水溝設(shè)計(jì)重視程度不足；②排水溝的洪水設(shè)計(jì)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(dú)立性考慮；④確定排水溝斷面尺寸時(shí)，缺少計(jì)算復(fù)核過(guò)程；⑤溝體材料選擇及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性，抗凍害能力差。上述問(wèn)題導(dǎo)致尾礦庫(kù)在實(shí)際運(yùn)行中，存在壩面地表水無(wú)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(yùn)行溝內(nèi)水漫溢、維護(hù)和管理工作量大等問(wèn)題。雖然不能直接影響尾礦庫(kù)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(lái)大量的壩面及水溝維護(hù)工作，降低了企業(yè)運(yùn)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(kù)安全規(guī)程》（GB 39496—2020）規(guī)定：尾礦庫(kù)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(jí)馬道內(nèi)側(cè)或上游式尾礦筑壩的每級(jí)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(jì)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(jì)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(duì)獨(dú)立的排水體系。壩面排水溝可用混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑或漿砌石砌筑，采用混凝土預(yù)制件拼裝時(shí)，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(duì)于尾礦庫(kù)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2.2 排水溝布置形式

尾礦庫(kù)堆積壩在運(yùn)行中是通過(guò)堆筑子壩、放礦進(jìn)行逐級(jí)加高的。堆積壩下游坡面是由各級(jí)子壩坡面及坡頂平臺(tái)（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(zhǎng)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(kù)運(yùn)行期延長(zhǎng)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(shí)際運(yùn)行情況可知，尾礦庫(kù)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(jí)子壩坡腳或馬道內(nèi)側(cè)，承擔(dān)收集馬道平臺(tái)和本級(jí)子壩坡面徑流的作用，同時(shí)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(jí)壩面縱向排水溝內(nèi)來(lái)水逐級(jí)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(kù)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(kù)下游的作用。上述排水溝在尾礦庫(kù)運(yùn)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(kuò)大。對(duì)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(kù)，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(diǎn)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，尾礦庫(kù)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(diǎn)見(jiàn)表1。

3 壩面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 尾礦庫(kù)概況

北方某山谷型尾礦庫(kù)，采用上游式濕法筑壩，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為200 m，現(xiàn)狀堆積壩高18 m，現(xiàn)狀壩頂軸線長(zhǎng)度為300 m，堆積壩每級(jí)子壩高度為3 m，坡比為1:2.5，每級(jí)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(kāi)裂等現(xiàn)象，汛期時(shí)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(kù)區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，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?xún)鐾辽疃冗_(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(jì)不足分析

根據(jù)企業(yè)反映及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該尾礦庫(kù)壩面排水溝早期設(shè)計(jì)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(mǎn)足縱橫向排水溝相互獨(dú)立運(yùn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)不明確；③排水溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未充分考慮嚴(yán)寒地區(qū)抗凍害要求。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于上述排水溝設(shè)計(jì)中存在的不足，結(jié)合地表排水溝抗凍設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范及嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫(kù)壩面排水溝的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)主要從壩面排水溝設(shè)計(jì)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(diǎn)考慮。

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3.3.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB 39496—2020）規(guī)定，尾礦庫(kù)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合壩面排水溝運(yùn)行要求，該尾礦庫(kù)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(jí)子壩坡腳平行于壩軸線方向設(shè)置，其中位于第一級(jí)子壩坡腳的縱向排水溝為主溝，其上各級(jí)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(jí)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(gè)堆積壩面上的水溝來(lái)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(dú)立運(yùn)行；同時(shí)橫向排水溝將各縱向支排水溝來(lái)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(shí)現(xiàn)了各區(qū)域溝體獨(dú)立運(yùn)行，降低了個(gè)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(jì)算，確定壩面各排水溝的尺寸和坡度見(jiàn)表2。

3.3.4 材料選擇及結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)該尾礦庫(kù)所在地區(qū)氣候特點(diǎn)，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(kù)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(qiáng)度等級(jí)為M7.5～M10；勾縫砂漿強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)后，質(zhì)量損失率應(yīng)不大于5%，抗壓強(qiáng)度損失率應(yīng)不大于25%。砂漿試配時(shí)應(yīng)采用機(jī)械攪拌，水泥砂漿和水泥混合砂漿攪拌時(shí)間應(yīng)不小于120 s，摻用粉煤灰和外加劑砂漿攪拌時(shí)間應(yīng)不小于180 s。砂漿用水泥強(qiáng)度等級(jí)不宜低于42.5級(jí)，宜采用中粗砂。

按上述規(guī)定，該尾礦庫(kù)壩面排水溝砌筑所用塊石等級(jí)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(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度等級(jí)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(kù)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(shì)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(duì)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(kāi)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(kù)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，避免了采用尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致溝體尺寸過(guò)大產(chǎn)生的浪費(fèi)；同時(shí)提出了壩肩截水溝以及壩面縱橫向排水溝獨(dú)立運(yùn)行的平面布置原則，降低了因局部溝段損壞對(duì)整個(gè)壩面排水的影響程度。

（2）根據(jù)對(duì)以往嚴(yán)寒地區(qū)尾礦庫(kù)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(kù)特點(diǎn)，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(diǎn)。

（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(kù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，以驗(yàn)證其適用性和可靠性。