田林县那比水电站渭寒沟金矿尾矿库处理方案分析与设计
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[摘要] 那比水电站渭寒沟金矿尾矿库处理方案的选取，经过技术经济比较，综合考虑环境、社会、经济方面，从安全压倒一切、力求溃坝风险最小以及水质风险最小的角度出发，推荐方案5—（Ⅴ#尾矿库），即渭崇沟方案。
[关键词] 那比水电站；尾矿库；拦渣坝；排水涵洞。
中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：
1那比水电站概况
广西田林县那比水电站工程（以下简称那比水电站）位于广西百色市田林县那比乡境内的西洋江上，距下游驮娘江和西洋江汇合口16.3km，坝址控制集雨面积4777km2，多年平均流量59.9m3/s。
那比水电站为日调节型径流式水电站，水库正常蓄水位355m，总库容0.579亿m3，调节库容490万m3，为日调节水库，电站装机容量3×16MW=48MW，多年平均净发电量1.7520亿kW.h。那比水电站工程主要建筑物有拦河大坝、电站厂房、开关站等，坝顶总长238.0m。溢流坝全长39.0m，设3孔净宽13m的的溢流闸孔。工程属Ⅲ等工程，其主要水工建筑物挡水坝、溢洪坝等为3级建筑物，发电厂房和引水系统属3级建筑物，其他次要建筑物为4级建筑物。挡水坝、溢洪坝按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核；发电厂房和引水系统按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
渭寒沟金矿位于那比水电站库区，距坝址上游8km处的西洋江右岸。金矿主要由采矿场、尾矿库（矿渣场）、氰化池、排土场组成；现有1#、2#、3#、4#、5#、6#共6个尾矿库，现只有3#、4#两个尾矿库尚在使用中；其余尾矿库均已废弃，其中5#、6#尾矿库已做好封场处理。那比水电站水库设计洪水位355m淹没4#尾矿库（位于渭寒沟）的下面部分、5#尾矿库（位于渭寒沟，废弃并封场）全部和6#尾矿库（位于那登沟，废弃并封场）全部。由于金矿4#、5#和6#尾矿库的砷（As）含量超标，且含有剧毒氰化物，为避免水库建成后对西洋江的水环境造成污染，必须进行处理，寻找安全位置进行堆放。
尾矿渣的处理初步选择5个方案，经过技术经济比较，综合考虑环境、社会、经济方面，从安全压倒一切、力求溃坝风险最小以及水质风险最小的角度出发，最后推荐方案5—（Ⅴ#尾矿库），即渭崇沟方案。
3处理方案分析
3.1受水库淹没影响的4#、5#、6#尾矿库概况
渭寒沟金矿位于那比水电站坝址上游8km处的西洋江右岸冲沟处，原为民办矿山，先后共有6位私营业主进场开矿，2002年田林县高龙黄金有限公司开始接手经营。工程主要由采矿场、尾矿库（矿渣场）、氰化池、排土场组成；现有1#、2#、3#、4#、5#、6#共6个尾矿库，现只有3#、4#共2个尾矿库尚在使用过程中；其余尾矿库均已废弃，其中5#、6#尾矿库已做好封场处理。
根据《危险废物鉴别标准--通则》（GB5085.7-2007）要求，经查《国家危险废物目录》，金矿尾矿渣不在该目录内；因此将尾矿渣监测结果与《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》（GB5085.3-2007）比较，两个监测点尾矿渣浸出液各项指标均未超出标准限值，因此渭寒沟金矿尾矿渣不属于危险废物；但砷（As）、氰化物两个指标均超过《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级标准，根据《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB 18599-2001）定义，渭寒沟金矿尾矿渣属于第Ⅱ类一般工业固体废物。各尾矿库具体情况如下：
4#尾矿库位于渭寒沟下游位置，那比至洞巴电站公路的远河侧，高程在325m至360m之间，大约有尾矿渣16万m3。那比水电站水库设计洪水位355m淹没的4#尾矿库的下面部分，4#尾矿库需要全部搬走。
5#尾矿库位于渭寒沟与那比河汇合口的东南侧，那比至洞巴电站公路的近河侧，高程在318m至325m之间，大约有尾矿渣5.0万m3，那比水电站设计洪水位355m淹没的5#尾矿库的全部；虽然5#尾矿库已废弃并封场，但为避免环境风险仍需要全部搬走。
6#尾矿库位于那比至洞巴电站公路的远河侧、那登沟出口处，高程在330m至350m之间，大约有尾矿渣2万m3。那比水电站设计洪水位355m淹没的6#尾矿库的全部；虽然6#尾矿库废弃并封场，但仍需要全部搬走。
4#尾矿库、5#尾矿库、6#尾矿库共需要搬走尾矿渣约23.0万m3
3.2处理方案分析和比选
经那比水电站建设单位、高龙金矿业主、那比乡政府、设计单位、环评单位等5家单位联合现场踏勘，根据现有地形地质条件，经田林县环保局的认可，提出以下处理方案。
本次设计对那比水电站水库淹没的金矿4#、5#、6#尾矿库的尾矿渣采用集中堆放的处理方法，初步选择了5个方案。
方案1—（Ⅰ#尾矿库）：位于那比水电站库区内，那登沟中上游段，高程在365m～385m之间。该尾矿库下游设浆砌石高7m的浆砌石拦渣坝，全长26m；沿冲沟底部敷设管径1m的砼预制管长360m；库底铺设土工膜25414m2用于防渗；上游设高7m的浆砌石挡水坝，全长15m；尾矿库顶部设截水沟1440m。尾矿库容量约30万m3，计划堆渣量23.0万m3，用地面积2.5hm2，平均运距约1.8km。
方案2—（Ⅱ#尾矿库）：位于那比水电站库区外（瓦村水电站库尾），那比水电站生活区对面的冲沟上，渡沟屯下游，高程在330m～370m之间。该尾矿库下游设高6m的浆砌石拦渣坝，长16m；沿冲沟底部埋管径1m的砼预制管长480m；库底铺设土工膜23600m2；上游设高7m的浆砌石挡水坝，长13m；顶部截水沟长1920m。渣场容量约27万m3，计划堆渣量23.0万m3，用地面积1.5hm2，平均运距约10km。
方案3—（Ⅲ#尾矿库）：位于那比水电站库区外，旧那比乡政府西北侧，为山谷凹地；渣场容量约28万m3，计划堆渣量23.0万m3。用地面积1.7hm2，平均运距约12km，距离附近居民点、中小学近，占用约1hm2的水田。
方案4—（Ⅳ#尾矿库）：利用原4#尾矿库进行堆渣，位于渭寒沟中下游段。对该尾矿库原有挡渣墙进行加高加固防渗处理后，把5#、6#尾矿库搬运至4#尾矿库处堆放。堆渣前需将浆砌石挡渣墙加高到28m，长90m，搬迁尾矿渣7万m3，库底铺设土工膜10980m2，尾矿库顶部排水沟长450m。设计堆渣量23.0万m3，用地面积1.5hm2，平均运距约0.2km。
方案5—（Ⅴ#尾矿库）：位于那比水电站库区内，渭崇沟的下游段，堆渣高程在357m～410m之间。该尾矿库下游设坝高5m的干砌石拦渣坝，全长38.6m；沿沟底底部铺设矩形排水涵洞，涵洞洞身尺寸1.4×1.6m（宽×高），洞长414m；尾矿堆渣体底部设置防渗系统用于防渗，面积31000m2；上游设最大坝高7m的混凝土重力挡水坝，全长34m；尾矿库周边设岸边排水沟900m；坡脚设有排水沟总长545m。尾矿库容量约30万m3，计划堆渣量23.0万m3。用地面积约3.0hm2，平均运距约4.0km。
各处理方案选择比较见表1。
表1各处理方案选择比较表
综上所述，方案4选址在那比水电站库区内，虽然存在某些方面优点，但尾矿库部分位于正常蓄水位以下，将尾矿渣堆放在库区内存在的水质风险较大，防护措施的设计及实施都比较复杂。因此本次设计不推荐方案4。
方案1～方案3、方案5位于那比水电站或瓦村水电站库区设计洪水位以上，均可满足弃渣容量的要求；考虑尾矿渣的量很大，而方案2、方案3运距均太长运输费用高，且方案3占用较多的耕地，因此本次设计不推荐方案2、方案3；方案1那登沟尾矿库方案由于拦水坝坝址以上集雨面积达18.2km2，设计洪水对尾矿库构成重大的安全隐患；而方案5的渭崇沟集雨面积才3km2，设计洪水远小于那登沟，而且沟谷开阔，适合建造尾矿库，只要措施到位，拦渣坝及拦水坝的溃坝风险很小。
因此，综合考虑环境、社会、经济方面，从安全压倒一切、力求溃坝风险最小以及水质风险最小的角度出发，最后推荐方案5—（Ⅴ#尾矿库）。
4推荐处理方案设计
本次推荐的渭崇沟Ⅴ#尾矿库（方案5），位于那比水电站库区内，渭崇沟的下游段，高程在359m～410m之间。主要包括拦渣坝、挡水坝、尾矿堆渣坝和排水涵洞等。尾矿库容量约30万m3，计划堆渣量23.0万m3。
4.1拦渣坝
在渣场下游渭崇沟建拦渣坝，用于保持渣场稳定。拦渣坝坝址位于渭崇沟沟口上游150m处，为干砌石坝，建基面置于第四系残坡积含碎石粉质粘土层上，基面高程为359.0m。坝顶高程为364.0m，最大坝高为5m，坝顶宽度2.5m，坝顶总长度38.6m。上游坝坡坡比为1：2，下游坝坡坡比为1：3。拦渣坝坝体稳定及应力分析见4.3尾矿堆渣坝。计算简图见图2。
4.2拦水坝
在渣场上游建拦水坝，用于拦蓄上游来水，并通过沟底排水涵洞水流直接导入西洋江。挡水坝为C15埋石混凝土（埋石率30%）重力坝，坝顶高程为411.0m，坝高为7m，坝顶宽度0.8m，坝顶总长度34m。上游坝坡坡比为1：0.1，下游坝坡面为1：0.45，下游坝坡与尾矿堆渣体相触。挡水坝坝体稳定及应力分析计算如下：
作用于坝体上的荷载主要有：坝体自重、静水压力、土压力、扬压力等，坝体稳定及应力分析采用北京理正软件设计研究院《理正挡土墙设计软件》计算。取坝的最大断面进行最不利工况计算：坝前水位按设计水位410.5m，设计水头为5.5m。计算简图见图4-1。
取单位长度的坝体作为计算单元，计算参数采用：坝体埋石混凝土容重23KN/m3，尾矿渣的内摩擦角为30°,湿容重为22.0KN/m3，浮容重为10KN/m3，基础处于基岩上，摩擦系数为f=0.50，地基容许承载力为500kPa。
图1 挡水坝计算简图（单位：m）
由以上资料，经抗滑、抗倾覆稳定和基底应力计算后得下表2。
表2挡水坝稳定计算成果表
由上表可知，在计算工况下，抗滑和抗倾覆稳定安全系数均大于规范要求的最小值，满足规范要求；坝基础最大应力σmax、最小应力σmin均小于基础容许应力，满足规范要求；最大基底应力与最小基底应力之比小于2，满足规范要求。
4.3尾矿堆渣坝
由于尾矿库堆置的渣体均为土石混合松散料，为确保渣场自身稳定，要求分层堆放，并经过一定的碾压压实。尾矿堆渣坝于挡水坝与拦渣坝之间，起始顶高程364.0m与拦渣坝顶高程齐平，最高顶高程为410.0m。中间设九级马道，高程分别为369.0m、374.0m、379.0m、384.0m、389.0m、394.0m、399.0m、404.0m、410.0m，马道宽2m，坝体外坡坡比为1：3。
堆渣坝边坡稳定分析采用瑞典圆弧计算方法进行分析计算。根据地质资料，综合分析后取渣料容重为20.09kN/m3，粘聚力为0，综合内摩擦角φ为38°，以坡脚为原点，采用北京理正公司的岩土计算软件计算，其结果是最不利工况的滑动面的滑动圆心位于（43.20，54.0），滑动半径为39.154m，其计算结果见下表3
表3 尾矿堆渣坝边坡稳定分析成果表
上表可知，尾矿坝最小滑动安全系数2.344，大于规范要求的最小安全系数1.10，边坡稳定满足要求。
图2 尾矿堆渣坝稳定计算图（单位：m）
4.3排水涵洞和排水沟
尾矿堆渣体坡脚设有C15砼坝坡排水沟，沟宽300mm，深400mm，总长545m，沟纵坡i=0.01，从中间往两边排入渣场周边排水沟。为避免雨水冲刷及山坡地表径流灌入堆渣体内，沿渣场周边设C15 砼排水沟，排水沟采用梯形断面，边坡比1：0.5，底宽1m，深0.9m，总长900m。排水涵洞设在挡水坝上游，采取八字式进口，由八字形斜墙组成，墙身为M7.5浆砌石重力墙，平面扩散角为θ=30°。洞身为单孔钢筋混凝土结构箱涵，断面为矩形，尺寸为1.4×1.6m（宽×高），洞身四周厚度均为0.3m，底板底面设0.1m厚C15混凝土垫层，宽度为2.0m。涵洞进口高程为405.00m，出口高程为359.00m，纵坡比降i=0.111，洞身段长414m，设计流量33m3/s。经计算，不同水位条件下，排水涵洞输水过流能力大于33m3/s，即涵洞过流能力满足设计要求。
5结语
通过对以上5种尾矿库处理方案的详细分析与比选，方案5—渭崇沟方案（Ⅴ#尾矿库）具有较高的安全性，从安全压倒一切、力求溃坝风险最小以及水质风险最小的角度出发，综合考虑后推荐该方案。
作者简介： 黄伟强（1968—），男，广西玉林人，广西桂禹工程咨询有限公司工程师，主要从事水利水电工程和水土保持工程设计工作。