尾矿库设计中的问题-赵锡铭.ppt

尾矿库设计中的几个问题中冶北方工程技术有限公司赵锡铭 1 尾矿库的调洪2 尾矿坝的稳定3 从溃坝中设计应当汲取的经验教训 1 1防洪标准尾矿库防洪标准和尾矿库的等别使用年限有关 比如初期坝坝高28m 库容150万m3 初期坝使用1年 按库容为四等库 按坝高为五等库 严格按规范 初期坝的防洪标准按30年就可以 对于尾矿库按使用期的等别采用防洪标准是一进步 尾矿库防洪标准表2 3 注 初期指尾矿库启用后的头3 5年 1 尾矿库的调洪 河北有一个设计单位做的一个尾矿库设计 汇水面积0 932km2 排洪管采用3 0m内径 辽宁省有没有这样情况 反正排水管内径普遍偏大 这与设计水平和正确采用的防洪标准是有关的 好的设计是在保证安全的情况下越省越好 1 总论 1 2水文计算水文计算采用当地水文手册 要特别注意是 1 汇水面积一定要算对 广东信宜垮坝其中一条就是汇水面积算小了1 3 2 对设计单位应有必要的程序 避免算错 3 水文计算完成后要进行必要的检查分析 汇水面积小 河长短 计算出的集流时间很小 直接套用水文手册可能出现错误 必须进行分析 吉林省水文手册 汇水面积小 河长短 计算出的集流时间很小 因此采用推理公式计算出的洪峰流量极大 显然是不合理的 因此洪峰流量采用的是经验公式计算出的结果 洪水总量采用经验公式的计算结果 反推径流系数为2 89 这显然是不合理的 辽宁省水文计算也有类似情况 对于小汇水面积计算出的ip 相当于汇流时间 的设计面暴雨强度 mm h 是同频率1小时降雨的2 5 3倍 这显然是不合理的 设计可用10分钟的降雨来校核 对于小汇水面积的尾矿库辽宁省简单套用公式洪峰流量偏大 1 总论 1 3调洪计算1 调洪计算概况调洪计算就是求解尾矿库任意时段的水量平衡方程式的过程 任意时段的水量平衡方程式为 有很大部分设计单位是采用高切林法 在地形图上求出调洪库容 采用高切林法求出需要的最大泄量 来验算排水管和溢水塔的泄量 用明渠流验算排水管 用孔口流和堰流来验算溢水塔 在我审查的设计中经常发现 小的尾矿库 洪水升高2m或3m满足最大泄量的要求 就认为防洪满足要求 他没有考虑溢水塔与滩顶的距离只有200m或300m 如果洪水升高3m早已漫顶 因此在新的规范中 要求调洪计算必须采用水量平衡法 搞尾矿库设计的大部分是学水工的 在学校都学过调洪计算 但尾矿库的调洪计算 比水利的调洪计算要复杂些 排洪构筑物有框架塔 窗口塔 排水管有圆管和隧洞 还有斜槽 2 调洪库容计算调洪库容时 尾矿沉积滩面的坡度可按尾矿物理性质 尾矿库地形及放矿条件类似的其它尾矿库实测资料或由试验确定 当缺少该资料时 可参考附录二计算 任意滩长的平均坡度可按下式计算 有了调洪库容就可以进行调洪计算了 3 调洪计算新规范规定调洪计算应采用水量平衡法 目前在新规范颁布之前 如果仍采用高切林法 必须验算各种流态的泄量 比如采用框架塔排水管系统你就要验算 塔的堰流当为堰流时 式中 L 有效进水宽度 m m 堰的流量系数H 堰上水头 m 塔顶孔口流当为孔口时 2 尾矿库的工程地质概况 式中 F 孔口面积 m2 孔口的流量系数 排水管进口处的泄流能力 半压力流 式中 f 管道面积 m2 h1 堰顶至管道进口中心线高差 m 孔口的流量系数 由上面公式可以看出斜槽的进水流量 只有斜槽上的水头H 没有h1 所以它的泄量要小于溢水塔下排水管的泄量 在斜槽泄量不满足要求的情况下 可在斜槽上适当增加溢水塔 就可以满足泄量的要求 排水管出口处的泄流能力 压力流 式中 f 管道出口面积 m2 h1 堰顶至管道进口中心线高差 m h2 管道进口与出口中心线高差 m 流量系数 局部阻力系数和 管道沿程损失系数 8g C2R 管道水力半径 m f 计算段管道面积 m2 F 管道出口段面积 m2 编程序也是这几个公式 那个计算出的流量小就为控制流量 采用斜槽 计算过程是一样的 我们做调洪计算采用试算法 首先要做到排水管 隧洞 控制 然后在将溢水塔的直径逐渐缩小 使其满足调洪需要 初期坝 通过各控制标高的调洪计算 设计必须给出各控制标高的正常水位 最高洪水位 超过及安全滩长 以便生产单位管理使用 1 排洪构筑物形式的选择对于尾矿库坝高不太大的 地形较平坦的沟谷一般选用窗口式溢水塔 排水管方案 对于高尾矿库一般采用框架塔 竖井 隧洞 对于地形坡度较陡的尾矿库可以采用斜槽 一般考虑管理方便在条件允许的情况下尽量不采用斜槽方案 主要有两个原因 一是斜槽进口流量受限制 二是都在水下盖板容易造成漏水漏矿 为了解决框架塔挡板在水下堵的问题 框架塔现在多数采用带塔孔的框架塔 排洪系统设计要注意到三个问题 1 4排洪系统的布置 塔孔的堵塞 对于使用时间较短的可以用木塞 对于使用时间较长的和尾矿库最后一个塔 必须采用混凝土塞或抗老化的挂胶的塔堵 溢水塔使用完以后应在塔基进行堵塞 框架塔的挡板只预制第一个塔的 并且要特殊说明汛期挡板堵塞高度不得高于水位0 2m 司家营 兰亭尾矿库均出现过挡板封堵过高的问题 看来是小事 出现问题后就成了大事 信宜垮坝就是一个重要原因 3 2第一尾矿库的排渗设施 3 2第2 排洪系统的布置 排洪系统的布置要根据地形进行布置 在布置中应注意的问题 溢水塔尽量不布置在沟中间 必须布置在沟中间时进水口标高一定要高于原地面1 1 5m 避免山上的杂物将塔堵塞 信宜和德胜图 初期坝较高时应在坝前适当位置增加0 溢水塔 不考虑澄清距离 用它来调整初期生产的水位 避免初期坝前水位过高造成初期坝的渗流破坏 德胜工程我们设了0 溢水塔因为跑混 擅自将0 溢水塔封堵 再加上初期坝施工有局部缺陷 细粒级石料过多 高水位渗流造成初期坝塌陷 上游反滤层破坏的事故 采用隧洞方案应当注意隧洞进口岩体应满足3 0倍洞径的要求 进口的堵塞应当严密 我们做的板石沟第一套排洪系统 北京有色设计院做的山西铝厂 都是因为平洞堵塞不严产生漏水漏矿的严重污染事故 溢水塔之间的搭接 我的意见搭接2m较为合适 排洪系统的布置最终要满足调洪需要 不满足时应调整排洪系统的布置和尺寸 不仅要满足安全超高还要满足安全滩长的要求 2 1稳定计算剖面的概化新建尾矿库尾矿坝的稳定计算断面应根据颗粒粗细程度概化分区 扩建 改建及中期论证的尾矿库的尾矿坝稳定计算断面应根据勘察资料进行概化分区 或者按类似尾矿库的勘察资料进行概化分区 2 2浸润线的确定尾矿坝设计一般应进行渗流计算 一级及二级尾矿坝还应视地形条件作专门渗流模拟试验 以确定坝体浸润线 渗流量和逸出坡降 对于二级以下的尾矿坝可采用平面渗流 或理正的渗流有限元计算出浸润线 计算出的浸润线必须根据经验进行调整 使得浸润线更符合实际 浸润线计算中应考虑放矿对浸润线的影响 滩长应采用化引滩长 2 坝体稳定计算 化引滩长可按下式计算 放矿水覆盖绝大部分滩面时 Lh 3 3L0 48 放矿水覆盖部分滩面时 Lh 2 26L0 845 式中Lh 化引滩长 m L 计算滩长 m 有勘察资料的应按勘察给出的浸润线 2 3物理力学指标一般采用类似矿山尾矿的物理力学性质 或参考规范附录给出指标 有勘察的一定按勘察给出的指标 对勘察给出的指标有异议的要与勘察部门协商 最终要以勘察给出的指标为准 勘察要对勘察资料质量负责 设计要对稳定计算负责 2 4稳定计算结果的分析计算方法规范用瑞典圆弧法和毕肖普法 两种方法产生矛盾时目前应以瑞典圆弧法为准 新规范颁布后应通过分析确定 无论采用哪一种计算程序 设计要对计算结果进行分析 尾矿库的排洪系统的布置 4 安全技术措施 峨口毕肖普法计算结果之一 分条50 尾矿库水文计算及调洪计算 峨口毕肖普法计算结果之二 分条100 水文计算 弓长岭前峪瑞典圆弧法 弓长岭后峪瑞典圆弧法 有以上计算实例中可以看出 1 计算结果必须进行分析 2 分条数一定要够 3 尾矿库稳定中可能出现双心 圆心搜索范围一定要够 应当说无论陕西镇安 山西襄汾垮坝和山西宝山垮坝 从目前分析均与设计关系不大 可广东信宜紫金矿业银岩锡矿高旗岭尾矿库垮坝 虽然超标准洪水 管理失误等是垮坝的主要原因 设计的缺点和错误也是重要的因素 我们做设计的也应当从中汲取教训 3 1银岩锡矿高旗岭尾矿库设计概况银岩锡矿高旗岭尾矿库是由南昌有色冶金设计研究院设计的 1 初期坝初期坝坝顶标高为755 0m 初期坝坝底标高为709 5m 初期坝坝高45 5m 坝顶宽度7 5m 初期坝上游坡比1 1 6 下游坡比1 2 0 下游坡在740 0m和725 0m标高设有2 0m宽的马道 2 尾矿堆积坝尾矿堆积坝最终堆积标高为830 0m 尾矿堆积坝外坡比为1 5 尾矿库到最终堆积标高总库容1561万m3 3从溃坝中设计应当汲取的经验教训 3 尾矿库排洪系统及防洪标准尾矿库采用框架塔排水涵管和排洪隧洞 框架塔内径4 0m 尾矿库共设4座排洪塔 其中1 塔塔高21 0m 共设7个圈梁 每个圈梁间3 0m高 排水涵管和排洪隧洞断面为2 5X2 2m城门洞型 1 塔距隧洞出口792 0m 尾矿库总汇水面积为3 65km2 设计考虑到在尾矿库上游有一拦洪坝 拦洪坝以上汇水面积1 147km2 设计按尾矿库汇水面积为2 503km2设计 尾矿库的防洪标准初期为200年一遇 后期为1000年一遇 初期防洪标准按初期50年一遇就行 3 2溃坝事件的概况2010年9月20日 9月21日 凡比亚 强台风给粤西地区带来了强降雨 根据当地水文气象站提供的资料 尾矿库附近地区新贵24最大小时降雨720mm 尾矿库所在地钱排镇最大24小时降雨427mm 由于各种原因其降雨可能要大于此数值 根据广东省水文图集 经计算钱排镇的降雨量已经超过300年一遇洪水 2010年9月20日晚11时开始降雨 到9月21日早晨8时出现洪水漫顶 9时45分左右尾矿库初期坝溃坝 经专家分析溃坝的主要原因 1 超标准降雨根据当地水文气象站提供的降雨资料 当天最大24小时降雨量427mm 经计算实际降雨已经超过300年一遇洪水 设计防洪标准200年一遇洪水 2 排洪系统进水口标高抬高2 5m目前尾矿库是在初期坝运行 溃坝时尾矿堆积标高距初期坝坝顶尚有约2 0m的高度 排洪使用的是1 排洪塔 设计1 排洪塔进水标高为749 0m 经实测1 排洪塔进水口标高为751 5m 3 排水井进水口部分淤堵根据溃坝后的照片和录像 井座至第一个圈梁间的6孔已被钢筋混凝土拱板封堵了3孔 留下的3孔也封堵了三块挡板 每块挡板高0 3m 这样尾矿库最低的进水口标高为751 5 0 9 752 4 溃坝前尾矿库滩顶标高约为753 0m 也就是说排洪塔的进水口只比滩顶低0 6m 暴雨使得上游及周边冲下的砂石淤堵到1号排水井第一个圈梁 754 5m标高 使得排洪塔的泄洪量大为减少 溃坝时1 排洪塔的淤堵标高约为756 5m 已经超过初期坝坝顶实测标高755 4m 使排洪塔完全丧失排洪能力 4 洪水计算偏小由于已建的拦洪坝尚达不到截洪分流的作用 设计应按尾矿库全汇水面积3 65km2计算 不应扣除拦洪坝以上的汇水面积1 147km2 另外设计采用的水文参数也偏小 使得计算出的入库洪峰流量和洪水总量偏小 由以上分析可以看出银岩锡矿高旗岭尾矿库溃坝 是多方面原因造成的 设计如果按全汇水面积计算 或在验收中发现1 排洪塔抬高2 5m 第一道圈梁以下已经堵塞采取了处理措施 或者提出拦洪坝没有有效的拦洪分流措施 初期坝不得使用 就不会发生本次溃坝 施工单位和监理单位如果严格按设计施工1 排洪塔 不把1 排洪塔抬高2 5m 或者企业提出异议 不同意1 排洪塔抬高2 5m 仍按设计施工也不会发生溃坝 如果设计单位给出管理施工图 企业严格按设计要求进行管理 不将6孔堵塞3孔 或者汛期将堵塞的3孔拆除 排洪塔处于完好的排洪状态 也不会发生溃坝 再有竣工验收评价单位 在竣工验收评价中 1 排洪塔的进水标高仍为749 0m 如果发现1 排洪塔的施工标高与设计不符 采取了补救措施 也不会发生溃坝 广东信宜紫金矿业有限公司银岩锡矿高旗岭尾矿库 广东省安监局是严格按照建设程序进行的 有安全予评价 安全专篇审查 施工监理和竣工验收评价 施工单位也是甲级资质 应当说施工质量还是可以的 如果有一个单位在发现问题后认真对待 就不会发生本次溃坝事件 这也从另一个侧面看出 设计 安评 监理等单位对尾矿库的了解是很低的 3 3设计存在的问题1 汇水面积和洪峰流量和洪水总量偏小对于尾矿库的汇水面积是很重要的 明知上游的拦洪坝起不到拦洪分流的作用 仍要扣除拦洪坝以上的汇水面积 这一问题在安全专篇审查中已经提出 设计未引起足够重视 同时水文参数选取有误 这显然是不应该的 2 排洪塔的位置选取不合理经查排洪系统施工图中纵断面图 1 排洪塔的位置的地面标高比排洪塔高了2 3米 更严重的是在纵断面图上还画了将挡板堵到原地面标高 这是错误的 另外排洪塔的位置未考虑地面杂物的堵塞问题 3 参加验收不认真设计参加了尾矿库的竣工验收 1 排洪塔21m高 共有7个圈梁 实际施工了6个圈梁 验收评价报告还有照片 设计未发现1 排洪塔少了一跨 第一个圈梁以下已经被堵塞等情况 因此本次溃坝设计有不可推卸的责任 4 设计过于简单未给出尾矿库管理施工图初步设计只给出初期的防洪标准是200年一遇 后期为1000年一遇洪水及调洪计算 未给出在防洪标准发生变化的标高及管理要求 企业不可能每年进行调洪计算 这对于企业很难管理 3 4设计应从中吸取的教训1 水文计算虽然在我们的设计中汇水面积错误尚未发现 但是对于水文计算错误也有发生 比如板石沟采用吉林省水文图集计算出的洪水过程线 累加后远小于洪水总量 一旦只套用公式不进行分析 就会造成严重错误 再比如酒钢新建尾矿库也存在同样问题 在我们的设计中 水文和调洪计算都是在可研和初步设计中进行 一般只校对说明书的文字部分 很少再校对水文计算的对错 水文计算是谁做设计谁负责 这样就很难避免产生南昌有色冶金设计研究院出现的类似错误 为此建议 每个设计在设计者给审核者提交可研或初步设计说明书的同时 提交水文及调洪计算的计算过程资料和相应的水文手册 审核者同样要对计算结果的正确性负责 组审和科审也必须要对此进行必要的复核