严寒地区某尾矿库坝面排水沟设计要点

贾 军 刘 涛

（1.中水淮河规划设计研究有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

对于上游式大型尾矿库，尾矿堆积高度较高，尾矿堆积坝下游坡面积大，由碎散结构尾矿堆筑而成的尾矿堆积坝在降雨径流作用下会产生冲刷，破坏坝体结构。因此，堆积坝下游坡面通常会设置截排水沟、植被（碎石）护坡等坝面防护设施，截排水沟通常采用纵、横向网格状布置，截排水沟一般采用钢筋混凝土、素混凝土、浆砌石、预制“U”形槽和水泥毯等多种结构形式。位于北方严寒地区的尾矿库，冰冻期较久，上述常用结构型式的截排水沟常常会产生冻害现象，导致每年尾矿库坝面水沟管理维护工作量大，给矿山企业生产运行带来了极大困扰［1-5］。本研究根据多年来积累的尾矿库设计经验，以北方严寒地区某大型尾矿库为例，对坝面排水沟设计要点进行分析，为严寒地区尾矿库坝面截排水沟设计提供参考。

1 常规设计中存在的不足

尾矿库常规设计中对于坝面排水沟设计主要存在的不足为：①对坝面排水沟设计重视程度不足；②排水沟的洪水设计标准不明确；③坝面纵、横向排水沟布置较为混乱，缺乏系统独立性考虑；④确定排水沟断面尺寸时，缺少计算复核过程；⑤沟体材料选择及结构形式设计缺乏针对性，抗冻害能力差。上述问题导致尾矿库在实际运行中，存在坝面地表水无法有效进入截排水沟沟内、沟内排水不畅、沟体冲刷严重、沟体冻害严重、终期运行沟内水漫溢、维护和管理工作量大等问题。虽然不能直接影响尾矿库本质安全，但易引发坝面积水、坝坡面裸露、坝面冲沟、坝面沼泽化等现象，由此带来大量的坝面及水沟维护工作，降低了企业运行效益。

2 排水沟设置要求

2.1 现行规范规定

《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）规定：尾矿库堆积坝应设置坝面排水系统，下游坡与两岸山坡结合处应设置坝肩截水沟，尾矿堆积坝的每级马道内侧或上游式尾矿筑坝的每级子坝下游坡脚处均应设置纵向排水沟，并应在坡面上设置人字沟或竖向排水沟。《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）规定：尾矿堆积坝下游坡与两岸山坡结合处应设置截水沟，尾矿堆积坝坡面宜修筑人字沟或网状排水沟。《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）规定：①坝面排水应包括坝顶、坝坡、坝肩及坝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、抛石护坡外，均应设坝面排水设施。②岸坡排水宜与坝体坝基排水形成相对独立的排水体系。坝面排水沟可用混凝土现场浇筑或浆砌石砌筑，采用混凝土预制件拼装时，应使接缝牢固、成一整体。上述规定表明，尾矿堆积坝设置坝面排水系统对于尾矿库安全运行至关重要。

2.2 排水沟布置形式

尾矿库堆积坝在运行中是通过堆筑子坝、放矿进行逐级加高的。堆积坝下游坡面是由各级子坝坡面及坡顶平台（马道）组成，在横剖面上呈阶梯状。堆积坝坡面大小受堆积坝高度、堆积坡比及坝轴线长度影响，决定了坝面排水系统修筑和维护工作量随着尾矿库运行期延长而增加，随着坝高上升而增加。

根据相关规范规定及实际运行情况可知，尾矿库坝面排水沟由坝面纵、横向排水沟和坝肩截水沟组成。坝面纵向排水沟通常位于各级子坝坡脚或马道内侧，承担收集马道平台和本级子坝坡面径流的作用，同时兼顾收集坝体排渗设施渗水。坝面横向排水沟垂直于坝轴线方向布置，间距通常为50～100 m，承担将各级坝面纵向排水沟内来水逐级向下导排至初期坝顶处的纵向排水沟，最后经初期坝顶排水沟将坝面汇水沿两侧坝肩导排至尾矿库下游。坝肩截水沟位于堆积坝两端与山体结合处，承担将外侧山体汇水拦截并导排至尾矿库下游的作用。上述排水沟在尾矿库运行中构成坝面排水系统，平面上呈网格状，随着坝体升高向上游逐步延伸扩大。对于堆积坝坡面缓、子坝堆积高度小及汇水面积不大的尾矿库，也有采用“人”字形的坝面排水沟布置形式。

2.3 排水沟结构特点

根据统计，尾矿库坝面排水沟常用的结构形式包括浆砌石、混凝土、预制“U”形槽和水泥毯等。常用的坝面排水沟结构形式特点见表1。

3 坝面排水系统设计

3.1 尾矿库概况

北方某山谷型尾矿库，采用上游式湿法筑坝，设计总坝高150 m，初期坝为透水堆石坝，坝高35 m，尾矿堆积坝高115.0 m，堆积坝下游平均坡比为1∶5.0。初期坝顶轴线长度为200 m，现状堆积坝高18 m，现状坝顶轴线长度为300 m，堆积坝每级子坝高度为3 m，坡比为1:2.5，每级马道宽度为7.5 m。堆积坝每上升9 m设置一道纵向排水沟、纵横向排水沟及坝肩截水沟。上述排水沟均为浆砌石结构，断面尺寸为600 mm×800 mm，采用M5水泥砂浆砌筑。经调查，部分坝面排水沟已出现砂浆脱落、沟体开裂等现象，汛期时部分坝面横向排水沟雨水倒灌纵向排水沟，导致坝面排水不畅、局部积水严重。

库区属温带大陆性季风气候区，冬季寒冷漫长，夏季湿热短暂，年平均气温2.8℃，1月份最冷，平均气温-22.5℃，最低气温-45.0℃；7月份最热，平均气温22℃，最高气温37.2℃。结冰期为9月下旬至翌年4月中旬，季节性冻土深度达2.2 m左右。年平均降水量600 mm，多集中在6—8月份，年平均蒸发量为1 000 mm。

3.2 现状排水沟设计不足分析

根据企业反映及现场调查，该尾矿库坝面排水沟早期设计存在诸多不足之处，主要包括：①坝面排水沟平面布置未能满足纵横向排水沟相互独立运行原则；②坝面排水沟尺寸设置未考虑最终标高下坝坡面积，且设计标准不明确；③排水沟结构设计未充分考虑严寒地区抗冻害要求。

3.3 优化设计

基于上述排水沟设计中存在的不足，结合地表排水沟抗冻设计相关规范及严寒地区尾矿库坝面排水沟的实际运行特点，设计中应主要从坝面排水沟设计标准、排水沟平面布置及抗冻害结构等方面进行重点考虑。

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3.3.1 设计标准

根据《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）规定，尾矿库排洪系统外的尾矿坝坝肩截水沟、坝面排水沟的防洪标准应不小于年最大24 h雨量均值。上述规定表明，坝面排水沟设计标准低于尾矿库防洪标准。结合坝面排水沟运行要求，该尾矿库坝面排水系统洪水标准采用洪水重现期为5 a。

3.3.2 平面布置

在堆积坝上设置坝面纵横向排水沟和两侧坝肩截水沟，其中坝面纵向排水沟沿每级子坝坡脚平行于坝轴线方向设置，其中位于第一级子坝坡脚的纵向排水沟为主沟，其上各级子坝坡脚纵向排水沟均为支沟。坝面横向排水沟垂直于坝轴线方向每隔100 m设置一道，上部随着子坝升高逐渐向上延伸修筑，下部与纵向主排水沟相连。两侧坝肩截水沟沿堆积坝与山体接触部位修筑，上部随子坝堆高向上延伸，下部经初期坝顶及坝肩延伸至初期坝脚下游沟渠。各级纵向支排水沟与横向排水沟相通，并在中部向两侧顺坡倾斜。初期坝顶的纵向排水沟最终将整个堆积坝面上的水沟来水进行收集，并沿坝轴线导排至两侧坝肩截水沟。以上平面布置能够实现坝肩截水沟与纵横向排水沟之间独立运行；同时横向排水沟将各纵向支排水沟来水收集后直接导向最下部的纵向主排水沟；最大程度地实现了各区域沟体独立运行，降低了个别沟段损坏产生的大面积关联影响的可能。坝面排水沟系统平面布置如图1所示。

3.3.3 尺寸确定

经水力计算，确定坝面各排水沟的尺寸和坡度见表2。

3.3.4 材料选择及结构形式

根据该尾矿库所在地区气候特点，依据规范规定属于严寒区。由表1分析可知，该尾矿库坝面排水沟采用浆砌石结构形式。

3.3.4.1 材料选择

依据相关规范规定［7］，严寒地区的浆砌石结构所用砌筑砂浆强度等级为M7.5～M10；勾缝砂浆强度等级为M10～M15；砌筑砂浆的稠度取值范围为30～50 mm，分层度应不大于30 mm。水泥砂浆中水泥用量应不小于200 kg/m3，水泥和掺合料总量应不小于350 kg/m3。具有抗冻要求的砌筑砂浆经冻融试验后，质量损失率应不大于5%，抗压强度损失率应不大于25%。砂浆试配时应采用机械搅拌，水泥砂浆和水泥混合砂浆搅拌时间应不小于120 s，掺用粉煤灰和外加剂砂浆搅拌时间应不小于180 s。砂浆用水泥强度等级不宜低于42.5级，宜采用中粗砂。

按上述规定，该尾矿库坝面排水沟砌筑所用块石等级不低于MU30，采用M10砂浆砌筑，用M20砂浆进行勾缝和抹面。制备M10水泥砂浆水泥用量为260～290 kg/m3，水泥强度等级为32.5，砂用量为1 390～1 450 kg/m3，用水量为270～330 kg；制备M20水泥砂浆水泥用量为340～400 kg/m3，水泥强度等级为42.5，砂用量为1 390～1 450 kg/m3，用水量为270～330 kg。

3.3.4.2 结构形式

该尾矿库所地区在冻土深度2.2 m，远大于排水沟沟底埋深。在冻融作用下，排水沟地基及两侧沟壁的尾砂势必产生冻胀变形。由于排水沟自身为刚性体，容许变形量较小，在外部土冻胀力作用下对沟体产生较大的破坏力，使其发生变形破坏。基于上述分析，在沟槽开挖后先铺设一层200 g/m2的土工布，沟底设置碎石垫层，垫层厚度为250 mm，碎石粒径为3～10 cm，垫层底部采用粒径为5～10 cm的碎石，上部采用粒径为3～5 cm的碎石，垫层顶部采用3 cm厚的M5砂浆找平。沟体施工完成后在沟壁与土工布之间封层回填粒径为3～5 cm的碎石至沟顶，回填宽度为15 cm，并将土工布向内侧折叠进行包裹。

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4 结论

（1）根据《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020）规定，明确了坝面排水沟系统设计标准，避免了采用尾矿库防洪标准导致沟体尺寸过大产生的浪费；同时提出了坝肩截水沟以及坝面纵横向排水沟独立运行的平面布置原则，降低了因局部沟段损坏对整个坝面排水的影响程度。

（2）根据对以往严寒地区尾矿库坝面排水沟冻害原因的分析，结合相关规范及严寒地区尾矿库特点，优化了坝面排水沟构体材料要求及结构形式，能够最大程度地适应严寒地区的气候特点。

（3）本研究提出的沟体材料要求及结构形式需要进一步在严寒地区尾矿库进行推广应用，以验证其适用性和可靠性。