吳永剛，馬 壯，韓金峰

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2．北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

20世紀以來，隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源快速開發(fā)導(dǎo)致尾礦產(chǎn)量大幅增加，尾礦庫的數(shù)量逐漸增多。雖然近年來國家出臺了相關(guān)的政策，嚴格了尾礦庫的新建項目準(zhǔn)入，治理并且關(guān)閉了一些存在重要隱患的尾礦庫，尾礦庫的數(shù)量存量仍維持在較高的水平。作為重大的危險源，尾礦庫的安全運行仍然面臨著自然災(zāi)害、作業(yè)現(xiàn)場管理不當(dāng)?shù)纫蛩氐耐{[1]。防洪安全是尾礦庫安全運行的重要支撐之一，有保障的防洪排水能力對于尾礦堆積體的安全穩(wěn)定至關(guān)重要[2-3]。

目前，調(diào)洪演算分析是考查尾礦庫防洪安全的主要有效手段之一[4]。但是，靜態(tài)的調(diào)洪演算分析只能評價當(dāng)前尾礦庫的防洪排水構(gòu)筑物布置能否滿足防洪能力需求[5-6]，而對尾礦庫生產(chǎn)運行作業(yè)現(xiàn)場管理的指導(dǎo)意義則不夠突出。近年來，尾礦庫安全監(jiān)督管理日益強化，部分省份或地區(qū)出臺了一些政策督促企業(yè)規(guī)范尾礦庫作業(yè)現(xiàn)場管理，如采用綠、黃、紅等分級標(biāo)識進行庫內(nèi)運行水位預(yù)警[7]。

本文旨在通過一種動態(tài)調(diào)洪演算的分析方法對尾礦庫的防洪安全提供指導(dǎo)。本文采用的評價體系是采用較為普遍的綠、黃、紅三級來標(biāo)識庫內(nèi)安全超高(實際要根據(jù)干灘平均坡度換算成干灘長度)正常運行值、警戒運行值、最小運行值。

1 調(diào)洪演算基本原理

水量平衡法是目前通用的尾礦庫調(diào)洪演算方法。《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB50863)6.2.6條規(guī)定，調(diào)洪計算應(yīng)采用水量平衡法按式(1)計算：

(1)

式中：QS、QZ—時段始、終尾礦庫的來洪流量，m3/s；qS、qZ—時段始、終尾礦庫的泄洪流量，m3/s；VS、VZ—時段始、終尾礦庫的蓄洪量，m3；Δt—該時段的時間，h。

式(1)表達的含義為某一時間段內(nèi)，庫內(nèi)蓄洪量的增加值等與該時間段內(nèi)的來洪量與排洪構(gòu)筑物泄洪量之差。

我國按照尾礦庫的壩高和庫容將尾礦庫分為五個等別進行管理，針對不同等別的尾礦庫，《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB50863)4.2.1條對上游式尾礦堆積壩沉積灘頂與設(shè)計洪水位的高差和灘頂至設(shè)計洪水位水邊線的距離(最小干灘長度)進行了明確的規(guī)定，其值應(yīng)滿足表1的數(shù)值。

表1 上游式尾礦堆積壩的最小安全超高與最小干灘長度Table 1 The minimum safety superelevation and minimum dry beach length of upstream tailings dam /m

表1是基于尾礦庫庫內(nèi)灘面的平均坡度為1%的前提下做的規(guī)定，而近年來隨著選礦工藝以及技術(shù)的發(fā)展，尾礦粒度逐漸變細，上游式尾礦筑壩采用的自然沉積放礦導(dǎo)致庫內(nèi)灘面坡度進一步減小[8-9]，因此多數(shù)尾礦庫在進行防洪安全校核的時候發(fā)現(xiàn)：在最小干灘長度滿足的情況下，安全超高不能滿足表1中對應(yīng)的最小安全超高。

常規(guī)上游法堆筑的尾礦子壩是不能用來擋水的，因此用最小安全超高來判斷尾礦庫防洪是否安全是較為合適的指標(biāo)[10]。但是，通常在尾礦庫運行作業(yè)現(xiàn)場由于操作或值班人員知識結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件等原因沒有辦法直觀的去獲取庫內(nèi)水位與灘頂之間的高差，因此安全超高數(shù)據(jù)不易獲取。在尾礦庫運行作業(yè)現(xiàn)場，易于獲取的數(shù)據(jù)是干灘長度，如尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)。因此本文采用干灘長度值配合不同標(biāo)識來進行防洪安全評價和分級預(yù)警。

2 分級預(yù)警原理概述

根據(jù)《道路交通安全法》中的規(guī)定：“交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示?！蔽驳V庫防洪安全分級預(yù)警同樣可以引入不同的三色標(biāo)識來進行，在庫內(nèi)干灘面上不同距離分別豎立綠、黃、紅三種標(biāo)識牌標(biāo)明庫內(nèi)水位正常運行值、警戒運行值和最小運行值，如圖1所示。我國某些地方安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門已出臺了相關(guān)的政策或文件，如陜西省安全生產(chǎn)委員會發(fā)布的《陜西省安全生產(chǎn)委員會關(guān)于印發(fā)<陜西省進一步加強尾礦庫安全風(fēng)險防控工作方案>的通知》(陜安委[2017]6號)、河北省的《尾礦庫生產(chǎn)運行作業(yè)規(guī)范》(DB13/T 2015—2014)等。

圖1 尾礦庫防洪安全分級預(yù)警示意圖Fig.1 Schematic diagram of flood control safety forewarning classification of tailings pond

目前的調(diào)洪演算算法只能在庫內(nèi)水位為H0的前提下，驗算排洪構(gòu)筑物的排洪能力以及庫內(nèi)調(diào)洪庫容能否滿足防洪的要求，難以真正地指導(dǎo)尾礦庫運行過程中紅、黃、綠三色標(biāo)識牌具體放在什么位置，從而達不到尾礦庫防洪安全分級預(yù)警的目的。本文提出的尾礦庫防洪安全分級預(yù)警方法的根本任務(wù)是如何科學(xué)合理地找到綠、黃、紅三色標(biāo)識警戒水位的依據(jù)。

本文提出的調(diào)洪演算動態(tài)分析步驟如下：

1)根據(jù)尾礦庫的等別確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)和最小安全超高值判定標(biāo)準(zhǔn)，如三等尾礦庫運行中后期可確定其防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=0.2%、最小安全超高值為0.7 m。

2)以當(dāng)前的現(xiàn)狀水位H0為起調(diào)高程計算洪水過程線、泄流量曲線和調(diào)洪庫容曲線進行調(diào)洪演算，計算出最高洪水位H洪，判斷灘頂高程H與H洪之差是否小于或等于規(guī)范規(guī)定的最小安全超高值，如果結(jié)果為真，則終止計算，判定該尾礦庫的防洪安全是無法保障的，反之則進行第3)步。

3)以H0為基礎(chǔ)，抬高起調(diào)高程值繼續(xù)進行動態(tài)調(diào)洪演算(需要重新計算洪水過程線、泄流量曲線和調(diào)洪庫容曲線)，直至計算到最小安全超高正好等于規(guī)范規(guī)定的最小安全超高值則終止計算，此時的起調(diào)高程值即為所求的最小運行值H1(圖1)。

4)根據(jù)H1和現(xiàn)狀水位H0之間的差值進行三等分，然后在H1和H0中間插入H2和H3，分別為警戒運行值和正常運行值。

5)正如之前討論的，干灘長度是易于在現(xiàn)場作業(yè)管理中獲取的數(shù)據(jù)，但是對于防洪安全來說更為合理的評判指標(biāo)是安全超高值，因此需要根據(jù)圖1中的灘頂高程H與正常水位H0之差與干灘長度L0進行比值得到干灘平均坡度i。

6)根據(jù)得到的干灘平均坡度i將H1、H2、H3分別所處位置的干灘長度值換算出來即為L1、L2和L3。

為了清晰地描述上述動態(tài)調(diào)洪演算計算過程，作流程圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)計算過程示意圖Fig.2 Diagram of dynamic calculation process

上述計算過程的理論和客觀依據(jù)是隨著起調(diào)高程的上升，在防洪標(biāo)準(zhǔn)不變的前提下，計算出的洪水位是隨著起調(diào)高程逐漸上升的，隨之最小安全超高是逐步減小的。上述過程提出的警戒運行值和最小運行值是本文作者提出的一種平均分布的情形，在實際的運行管理中也可以采用其他分布形式進行。

3 算例

在詳細描述了動態(tài)調(diào)洪演算分析在尾礦庫防洪安全分級預(yù)警的作用的基礎(chǔ)上，本文引入一個算例進行實例說明。為了更詳細地展示計算的過程，本文選取的尾礦庫在現(xiàn)狀水位進行調(diào)洪演算的結(jié)果是能夠滿足防洪安全并且有一定的安全儲備。為了方便計算展示，將該尾礦庫庫內(nèi)水位假定為0，也即設(shè)定H0為0，其他相應(yīng)高程與現(xiàn)狀實際水位高程進行差值計算即可。

某尾礦庫設(shè)計總壩高140 m，總庫容為(997.04×104)m3，等別為三等庫，目前已運行至中后期，因此計算采用的防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇(P=0.2%)，其洪水過程線、泄流量曲線、調(diào)洪庫容曲線分別如圖3～5所示。

圖3 某尾礦庫500年一遇洪水過程曲線Fig.3 The curve of flood process with 500 year frequency of a tailings pond

圖4 泄流量曲線Fig.4 The curve of flow discharge

圖5 調(diào)洪庫容曲線Fig.5 The curve of flood regulation storage capacity

正如之前假定的，當(dāng)前該尾礦庫現(xiàn)狀庫水位為0 m，灘頂高程經(jīng)過換算后約為6 m，庫內(nèi)干灘長度為373 m，平均沉積灘坡度約為1.61%。有了以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以后采用水量平衡法進行動態(tài)調(diào)洪演算過程。

1)首先，以當(dāng)前庫水位為0時進行調(diào)洪演算，算得最高洪水位為3.07 m，此時最小安全超高值為2.93 m，能夠滿足三等庫的防洪安全要求，且安全儲備較大(規(guī)范要求值為0.7 m)。計算的調(diào)洪演算過程線如圖6所示。

圖6 調(diào)洪演算過程曲線Fig.6 The process curve of flood regulating calculation

2)調(diào)高起調(diào)高程，繼續(xù)進行調(diào)洪演算，算得的起調(diào)高程與最小安全超高值的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 最小安全超高隨起調(diào)高程變化曲線Fig.7 The curve of minimum safety superelevation changing with the elevation of starting regulation

3)通過不停試算，得到H1=3.3 m，此時最小安全超高值正好等于三等庫規(guī)范要求的0.7 m，因此該尾礦庫的最小運行值對應(yīng)的標(biāo)高為3.3 m。

4)將H1=3.3 m和H0=0 m之差值進行三等分，分別得到警戒運行值對應(yīng)的標(biāo)高H2=2.2 m、正常運行值對應(yīng)的標(biāo)高H3=1.1 m。

(5)灘頂高程H與正常水位H0之差與干灘長度L0進行比值即為干灘平均坡度i，該尾礦庫灘面的平均坡度為1.61%，換算成干灘長度值即為：

L1=(H-H1)/i= 167 m；L2=(H-H2)/i=236 m；L3=(H-H3)/i= 304 m。

最終得到本算例的三色標(biāo)識放置的位置，即為：距尾礦壩前167 m放置紅色標(biāo)識表明為干灘最小運行值，距尾礦壩前236 m放置黃色標(biāo)識表明為干灘警戒運行值，距尾礦壩前304 m放置綠色標(biāo)識表明為干灘正常運行值。

4 結(jié)論

1)本文首先探討了目前尾礦庫防洪安全計算的局限性，單純的靜態(tài)調(diào)洪演算無法在尾礦庫的實際運行作業(yè)管理中發(fā)揮很好的作用。

2)解釋了當(dāng)前關(guān)于設(shè)計規(guī)范或者安全規(guī)程判定防洪安全判定標(biāo)準(zhǔn)的適用性，從實際防洪的角度提出最小安全超高值更能表征目前尾礦庫的防洪安全狀態(tài)。

3)引入了交通信號燈“綠黃紅”三色標(biāo)識對尾礦庫防洪安全進行分級預(yù)警的方法，并提出了在現(xiàn)場作業(yè)管理環(huán)境下，干灘長度的易取用性要高于最小安全超高值，因此通過在灘面豎立“綠黃紅”三色標(biāo)識來進行分級預(yù)警可操作性強。

4)在分析了單純靜態(tài)調(diào)洪演算的局限性之后，提出了更為科學(xué)合理的動態(tài)調(diào)洪演算分析方法和計算程序，并通過一個合適的算例進行了計算演示。

5)采用動態(tài)調(diào)洪演算分析方法進行尾礦庫防洪安全分級預(yù)警這一思想方法可操作性強、理論基礎(chǔ)合理，適宜進行推廣。