摘要:尾礦庫工程是一個復雜多變的大系統，它運行狀態的好壞直接關系到礦山企業和下游人民群眾的生命和財產安全。而大多數尾礦庫坍塌、潰壩、漫壩等事故的發生，多半是因為水的影響。為此國家安全生產監督管理總局力推實行建立尾礦庫工程在線監測系統。本文詳細介紹了某大型尾礦庫在線監測工程在線監測系統的組成及其現場實際應用等情況，具有一定的推廣意義。

　　關鍵詞:尾礦庫,水位,浸潤線,穩定性

　　1 尾礦庫在線監測系統綜述

　　某大型尾礦庫在線監測系統根據相關規程、設計文件要求，在尾礦庫主壩分6個斷面布設傳感器建立在線監測預警系統。針對該尾礦庫特定的筑壩管理要求、滲流場及變形場的復雜性和潰壩的危險性，通過分析監測該尾礦庫內部深層水平位移、豎向位移、浸潤線深度、干灘長度、降雨量、庫水位變化等指標，進行在線安全監測預警系統開發，建立以尾礦庫安全穩定性監測為主、滲流應力應變場分析為輔，融現代監測技術、信息技術和分析技術于一體的尾礦庫災害分析、安全預警新方法，建立新尾礦壩在線監測預警系統。

　　2 工程施工情況

　　某大型尾礦庫在線監測系統由設計院組織施工，該項工程于2010年11月鉆機進場開始施工，2011年4月鉆孔完畢，同時進行線纜溝開挖，線纜的套管、鋪設;2011年5月中旬安裝調試完成，目前該系統正在試運行中。

　　3 系統情況

　　3.1 監測指標選擇

　　尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，水位相對比較穩定;同時，從尾礦壩壩頂排放尾礦時，礦漿向庫內流淌的過程中，礦漿水不斷向下滲透;此外，汛期大量降雨，這些因素在尾礦壩體內形成一個龐大滲流場;再者，尾礦沉積體屬非均質體，排礦部位又需要經常調換，壩體又在不斷增高，況且在尾礦庫整個服務期間內，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦性能自然也會變化。這就是尾礦壩滲流場異常復雜的原因。浸潤線即滲流流網的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩定及安全性狀，因此，對于浸潤線位置的監測是尾礦庫安全監測的重要內容之一。

　　尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監測的目的是根據其水位的高低可判斷該庫防洪能力是否滿足安全要求。具體地說：一個完善的設計在設計文本中會給出防洪所需的調洪水深，并要求在設計洪水位(即最高洪水位)時，要同時滿足設計規定的最小安全超高和最小安全干灘長度的要求。因此，對于庫水位位置的把握可以直接防止尾礦庫在汛期避免洪水漫頂潰壩事故的發生，有利于安全監管部門和企業在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握庫水位是否達到了設計要求的汛前限制水位。由此可見，庫水位的連續動態監測也是尾礦庫安全監測的重要內容之一。

　　尾礦庫發生潰壩災害，壩體位移是災害演化過程的直觀反應指標，因此對于壩體下游坡變形的掌握，可以及時發現尾礦壩變形率和發展速度，有利于安全監管部門和企業進行科學的應急決策，并及時采取應急對策措施，從而避免災害的發生或者減少災害發生造成的危害。

　　在定量評價尾礦庫的防洪能力時，需要測定灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，當前的檢測方法較難準確并快速測定這兩個指標，問題在于水邊線的界線很不明顯，該處又無法進人，通常只能目測。據此推算出來的總干灘長度和調洪干灘長度自然也是極不可信的。因此，在尾礦庫安全自動化監測系統中，應增加快速并簡捷的標高測定方法。灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，是尾礦庫安全監測需要測定的指標。

　　此外，在尾礦庫安全監測系統中，為了實時掌握尾礦庫庫區的情況和運行狀況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監測設置，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況的需要。

　　根據以上所述，最終確定該尾礦庫的監測項目為：庫區水位、壩體位移、灘頂高度、降雨量、干灘長度監測、浸潤線監測、回水區水質、庫區視頻監測等。

　　3.2 監測方案組成

　　針對該尾礦庫庫區安全監測項目的需要，在線監測系統最終采用如下方案：

　　各種傳感器數據通過分線電纜采集，再通過總線電纜連接到自動采集箱。分線和總線為了安全都埋置在地下。所有有安全隱患的抗壓聯通管、電纜等均采用PPR管或鋼管保護，將所有電纜掏溝埋設，保證使用過程中的安全。

　　在尾礦庫監控機房內設置尾礦庫監測系統控制中心，控制中心內設監控用服務器1臺。

　　具體監測項目實施如下所述

　　3.2.1 干灘監測

　　干灘監測內容為干灘長度。干灘長度可根據灘頂高程、干灘平均坡度、水位計讀數自動生成，也可根據視頻圖像在控制室讀取。

　　3.2.2 浸潤線監測

　　滲水在水位作用下，水流滲入壩體，將壩體分為上干下濕兩部分，干濕尾沙的分界線為浸潤線。壩體浸潤線監測采用在壩體內埋設測壓管進行監測，測壓管采用在壩體表面鉆孔埋設，鑒于該庫壩體堆筑的方式，測壓管設計應可持續加高。設計系統中采用浸潤線分析組件，按照尾礦壩浸潤線時間序列，來判斷壩體高度、庫內水位等因素所帶來的確定性影響,根據浸潤線觀測數據，系統軟件繪出壩體浸潤線埋深位置，并與數據庫中(規范規定)的設計浸潤線進行比較，實現浸潤線觀測的自動化。

　　浸潤線的位置是分析尾礦壩穩定性的最重要的參數之一，也是判別尾礦壩安全與否的重要特征。不少尾礦壩需通過降低浸潤線以增強穩定性，也必須事先了解浸潤線位置的現狀。因此，能否確切測出浸潤線的觀測設施是設計必須認真對待的一項工作。遺憾的是對于浸潤線觀測設施的設計，至今尚無統一規定和標準。

　　本尾礦壩浸潤線觀測設施采用在壩坡上埋設水位觀測管。觀測管的開孔滲水段的長度取2m，觀測管滲水段設置在設計所需浸潤線的下面2m左右處。浸潤線監測采用滲壓計測量滲透水壓力，為浸潤線的提取提供基礎數據。主壩布置6個斷面，每個斷面設浸潤線監測點3～12個不等，各斷面通過滲壓計、庫區水位、干灘位置確定浸潤線位置(圖2)。

　　監測方法是將滲壓計埋設到管內，當滲壓計沒有探測到管內水位時，返回一個基準值，如果探測到水位，轉換為相應電信號后傳輸到現場采集室，經處理后匯總通過總線傳送控制中心的自動采集箱內。3.2.3 壩體變形監測

　　靜力水準儀和測斜儀來測量，都可通過總線傳送到采集室自動采集箱內，測斜儀放置在壩體6個剖面上。高智能型電子測斜儀廣泛用于觀測山體邊坡、土石壩以及建筑物基坑等土體內部的水平方向變化大小，改變了便攜式測斜儀必須人工監測的方式，直接接入系統中可實現無線自動化監測，節約了物力人力的消耗。該靜力水準儀測點在壩體南側山坡上設置一個基準點。基準罐置于一個穩定的水平基點，其他儲液罐置于標高大致相同的不同位置，當其他儲液罐相對于基準罐發生升降時，將引起該罐內液面的上升或下降。通過測量液位的變化，了解被測點相對水平基點的升降變形。

　　在壩頂布置靜力水準儀1套，設置6個變形監測點和1個基準點;靜力水準儀測量壩體整體垂直位移，測量精度更高，為直接判斷壩體變形提供基礎數據;使用測斜儀來監測壩體內部的水平位移，布置6個斷面，共設測斜孔8個(含初期壩2個)，每孔根據孔深布置測斜儀2～5個不等;測斜儀測量壩體水平方向上的位移，為壩體水平應變速率的判斷提供基礎數據。

　　綜合靜力水準儀和測斜儀，本監測系統能夠全面、科學、深入的了解壩體的內部變形情況。

　　3.2.4 庫水位監測

　　在澄清水區3號溢水井處設置1個庫區水位監測站，采用水位計測量。庫區水位監測采用高智能型水位計，由分線傳輸到總線上，再通過光纜傳輸到監控機房。

　　3.2.5 降雨量監測

　　庫區雨量監測采用高智能型雨量計，由分線傳輸到總線上，再傳輸到自動采集箱。該型雨量計主要技術指標：桶口直徑：200mm(為國標所定)，分辨率：0.5mm，測量誤差：≤ ±3%，雨強范圍：0～4mm/min，最大可承受8mm/min。雨量計的安裝選擇在尾礦庫監控機房房頂設置降雨量監測點1個。

　　3.2.6 視頻監測

　　在壩頂設置視頻監測點2個，以監控放礦狀態;在初期壩頂附近設置視頻監測點1個，監控排放水情況;在回水區擋水壩設置視頻監測點1個，監控回水區溢水情況。視頻信號均通過光纖傳至尾礦庫值班室。

　　3.2.7 回水區水質監測

　　在回水區擋水壩附近設置PH計和SS計各一只，監控回水水質情況。監控數據信號均通過光纜傳至尾礦庫監控機房。

　　3.2.8 流量監測

　　在南、北排水涵洞出水口均設置量水堰1座，監控排水流量情況。監控數據信號均通過總線傳至尾礦庫值班室。

　　3.2.9 排水構筑物穩定性監測

　　在南、北排水涵洞內部分別設置表面應變計4個和3個，監控排水涵洞穩定性情況。監控數據信號均通過總線或光纜傳至尾礦庫值班室。

　　3.2.10 數據傳輸

　　各種傳感器數據通過分線電纜采集，再通過總線電纜或光纜連接到自動采集箱。分線和總線為了安全都埋置在地下。

　　3.2.11 防雷措施

　　所有外露于地表的監控設施(視頻采集、雨量計等)均架設符合防雷要求的避雷設施，總線系統采用二級防護措施進行防雷設計。

　　4 結論

　　4.1 該系統目前正在試運行，效果很好。

　　4.2 該系統能夠實時判斷尾礦壩壩體各監測斷面浸潤線的高度、尾礦庫水位的變化、干灘長度、壩體內部和壩頂位移等重要指標，可有效避免尾礦壩災害發生或降低其造成事故的發生概率，有利于保護尾礦庫周圍人員生命和財產安全，促進經濟發展和社會穩定。

　　4.3 該系統能夠直觀顯示各項監測、監控信息數據的歷史變化過程及當前狀態，為礦區安全生產管理人員提供簡單、明了、有效的信息參考，具有推廣意義。