尾礦庫大調洪庫容下的水量平衡計算

〔摘 要〕按我國現行規范要求，尾礦庫調洪演算應采用水量平衡法計算，且一次洪水排出時間應小于72 h。但當尾礦庫調洪庫容可裝下一次洪水總量時，則多出現計算結果不能滿足規范要求的情況。通過案例分析，提出可通過擬定更高水頭的條件下得出滿足規范要求的洪水位，并依此確定符合尾礦庫防洪安全要求的防洪高度。

〔關鍵詞〕尾礦庫；調洪演算；水量平衡法；防洪高度；調洪庫容

中圖分類號：TD926.4；TV122" " 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4345（202５）0１-0038-0４

Calculation of Water Balance under Large Storage Capacity of Tailings Storage for Flood Control

LIU Hanhe

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" According to the current codes in China， the method of water balance is used to calculate the flood control of tailings storage， and the flood discharge time should be less than 72 hours. However， when the flood control capacity of the tailings storage can accommodate the total amount of the flood， it often occurs that the calculation results cannot satisfy the requirement of the codes. Through case analysis， it is proposed that the flood level that meets the codes requirements can be derived by formulating higher water head， and accordingly， the required flood control height can be finally determined to ensure the safety of tailings storage flood control.

Keywords" tailings storage; flood control calculation; water balance method; flood control height; storage capacity for flood control

尾礦庫是用于貯存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所，是礦山重要的安全設施，同時也是重大危險源。尾礦庫潰壩會導致不可估量的惡劣影響，如2008年我國山西尾礦庫潰壩、2019年巴西尾礦庫潰壩案例。據不完全統計，因洪水漫頂導致尾礦庫潰壩的事故約占尾礦庫潰壩事故的1/3[1]。為此，合理管控庫內水位，確保尾礦庫度汛安全非常重要。

我國應急管理部2020年10月發布了《尾礦庫安全規程》（GB 39496—2020）[2]，要求生產經營單位每年汛前應委托設計單位根據尾礦庫的實測地形圖、水位和尾礦沉積灘面實際情況進行調洪演算，復核尾礦庫防洪能力，確定汛期尾礦庫的運行水位、干灘長度、安全超高等安全運行控制參數。由此可見，國家對尾礦庫調洪演算非常重視。

1" "研究背景

近年來，尾礦庫從業人員對尾礦庫調洪演算相關工作的研究主要集中在如何利用計算機軟件提高調洪演算的效率，以及對具體尾礦庫的調洪演算進行分析等方面。例如，王振興等[3]采用MATLAB軟件對不同調洪庫容和泄流能力進行調洪演算，分析調洪庫容和泄流能力對演算結果的影響，并得出調洪庫容和泄流能力減小對調洪演算結果影響較大的結論。李小軍等[4]針對正在運行的尾礦庫進行調洪演算，結合尾礦庫的工藝特點，解決了尾礦庫汛期每一階段運行尾礦庫的靜態調洪計算問題。劉曉非等[5]對于多條支溝連通形成的某復雜地形條件尾礦庫，進行不同流域劃分后的洪水計算，并在單一及兩個排洪構筑物并行泄流的能力條件下，采用水量平衡法進行調洪演算，驗證了尾礦庫泄洪能力。張樹茂[6]基于Ｖisual Basic（VB）語言，開發了一套簡單實用的尾礦庫調洪演算計算程序。該程序可快速輸出結果，具有輸入輸出可視化、界面友好、計算速度快、精度高等特點。鄭偉鵬等[7]提出了新型的一鍵式實時調洪計算方法。該法采用水量平衡法，利用來洪量、調洪庫容、泄流量三大時變曲線，借助Python搭建數學推演模型，完成尾礦庫的連續實時調洪演算。

這些研究多從理論計算方法入手，對調洪演算的效率與精確度進行分析。然而在實際應用過程中，存在理論計算與技術規范要求相沖突的情況，卻鮮有文獻對此進行研究。例如在大調洪庫容下，利用水量平衡法進行調洪演算可能無法滿足“尾礦庫的一次洪水排出時間應小于72 h”的要求。下文擬針對此問題進行具體分析。

2" "規范相關要求及存在問題

調洪演算是指根據洪水過程線、水位—調洪庫容關系曲線和水位—泄洪流量關系曲線，逐時段進行水量平衡計算，確定尾礦庫最高洪水位和排洪構筑物最大下泄流量，并作出排水過程線。根據尾礦庫現行主要的國家規范《尾礦庫安全規程》（ＧＢ 39４９６—２０２０）和《尾礦設施設計規范》（ＧＢ 50863—2013）[8]，調洪計算應采用水量平衡法進行計算，水量平衡法計算公式如下：

規范要求，尾礦庫的一次洪水排出時間應小于72 h。對于一次洪水排出時間作出規定的目的在于方便尾礦庫盡快騰空調洪庫容以接納下一次洪水。然而，筆者在進行某尾礦庫調洪演算過程中發現，當調洪庫容大至可以裝下一次洪水總量時，無法滿足“尾礦庫的一次洪水排出時間應小于72 h”的要求。

3" "調洪演算案例

3.1" 演算案例

某尾礦庫為傍山型，采用上游式尾礦堆壩工藝，總壩高62 m，總庫容約1.6×108 m3。根據規范，尾礦庫等級為二等，設計取防洪標準為500年一遇，最小安全超高為1.0 m，最小干灘長度為100 m。本次以該庫最終堆積高程時的調洪演算為例進行探討。

該尾礦庫匯水面積約10.9 km2，洪水計算采用簡化推理公式，得出：500年一遇洪峰流量為160.6 m3/s，一次洪水總量為1.363×106 m3，匯流歷時1.8 h。采用五點概化法得出洪水過程線見圖1。

該尾礦庫排洪系統采用內徑2.5 m框架式排水井+內徑1.8 m排水涵洞型式，結合排洪系統參數，根據自由泄流、半壓力流、壓力流計算得出其泄流量與水位關系見表1。

尾礦庫汛前水位為1 454.0 m，在遭遇500年一遇洪水時，最高洪水位為1 454.37 m。此時，設計洪水位與壩頂之間的最小安全超高為1.63 m，最小干灘長度約為200 m，可以滿足規范要求。如按照調洪水深約0.4 m推算，則可要求汛前防洪高度為1.4 m即可。

調洪演算計算結果顯示，72 h后庫內洪水余量仍有約6.18×105 m3，占一次洪水總量的45%，對應庫水位約為1 454.20 m。如按照規范要求，一次洪水應在72 h排空，則不能滿足要求。

3.2" 案例分析

該尾礦庫一次洪水總量約1.363×106 m3，當調洪水深在0.42 m時即可裝下一次洪水。在調洪過程中，排洪系統的泄流水頭較小，對應泄流量小，從而導致所需排出洪水時間很長。調洪至72 h后，其泄流水頭僅為0.20 m，泄流量為1.51 m3/s，但當次洪水總量還剩下約61.8×104 m3，占一次洪水總量的45.3%。后續隨著洪水的排出，排泄流量繼續降低。經測算，完全排出一次洪水的時間可達到2 420 h（＞100 d），排出一次洪水總量的90%時所需時間也達到240 h。

筆者測算過將排水井內徑擴大，以減少一次洪水排出時間。但由于泄流水頭較小，其泄流量增加有限，尤其在更低水頭情況下，其泄流量依然很小。即使將排水井井徑擴大至10 m時，仍不能“滿足一次洪水排出時間應不超過72 h”的規范要求。

4" "推薦解決方法

在大調洪庫容條件下，以排洪系統蓋板頂部作為進水口的起始水位計算，通常會產生一次洪水排出時間過長的問題。筆者認為，尾礦庫在遭遇一次洪水前，庫內水位就存在高于蓋板頂部的可能。設計擬定起始庫內水深已有0.4 m，尾礦庫在遭遇一次洪水前，庫內水位為1 454.4 m，則庫水位對應泄流量計算結果見表3。同時，按照庫水位1 454.4 m起計算調洪庫容，對應的計算結果見表4。采用水量平衡法進行調洪演算，計算結果見圖3。

綜上，按尾礦庫汛前水位為1 454.4 m計算，在遭遇500年一遇洪水時，最高洪水位為1 454.68 m，最小安全超高為1.32 m，最小干灘長度約為150 m，滿足規范要求。本次洪水在51 h左右排空，可以滿足規范要求。據此，設計要求汛前防洪高度達到1.7 m，即可以滿足規范要求。

5" "結論

筆者通過案例分析，提出當尾礦庫調洪庫容足夠裝下一次洪水總量時，通常的調洪演算會存在不滿足“一次洪水應在72 h排空”要求的問題。若設計人員僅以一次洪水排出過程中滿足最小安全超高和最小干灘長度要求為依據，并將調洪水深疊加最小安全超高作為防洪高度，則可能出現一次洪水未排完時，又遭遇低頻率暴雨，導致最小安全超高及最小干灘長度不滿足規范要求的情況。尾礦庫防洪系統可能存在安全隱患。而若想要通過擴大排洪系統結構斷面以獲得更大的排洪能力，則由于其低水頭條件導致泄流量小，也不一定能解決問題。而且排洪系統斷面過大，會大幅增加排洪系統的投資，從而加大排洪系統運營難度，帶來安全風險。

為此，筆者建議設計人員在調洪演算中考慮洪水發生前庫內已存在的水位抬升情況，并基于此，推演滿足“72 h排空一次洪水”要求的最高洪水位；將此最高洪水位與排洪系統進水口高程的水位作為總調洪水深，再疊加最小安全超高作為汛前防洪高度要求。為增強安全冗條，也可以將第一次洪水調洪水深的2倍作為總調洪水深，并據此提出防洪高度要求。

參考文獻

[1] 張家榮，劉建林．中國尾礦庫潰壩與泄露事故統計及成因分析[J]．中國鉬業，2019，43（4）：10-14.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國應急管理部．尾礦庫安全規程：GB 39496—2020[S]．北京：中國計劃出版社，2013．

[3] 王振興，蘇星月．尾礦庫水量平衡法調洪演算影響因素分析[J]．黃金，2019，7（40）：79-81.

[4] 李小軍，梅國棟，蘇軍．上游法尾礦庫調洪演算[J]．中國礦業，2020，29（增刊1）： 530-533.doi：10. 12075/j.issn.1004-4051.2020.S1. 113.

[5] 劉曉非，周漢民，崔旋，等．某復雜地形條件尾礦庫的調洪演算[J]．有色金屬工程，2021，11（8）：122-127.

[6] 張樹茂．基于VB語言的調洪演算計算程序的開發與應用[J]．現代礦業，2021，5（5）：252-254.

[7] 鄭偉鵬，袁文君，劉光先，等．基于Python的尾礦庫連續實時調洪演算[J]．現代礦業，2023，12（12）：128-132.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．尾礦設施設計規范：GB 50863—2013[S]．北京：中國計劃出版社，2013．