楔形進(jìn)水口在斜槽式排洪設(shè)施中的創(chuàng)新應(yīng)用

劉瀚和，余國(guó)平

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌330031）

楔形進(jìn)水口在斜槽式排洪設(shè)施中的創(chuàng)新應(yīng)用

劉瀚和，余國(guó)平

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌330031）

通過(guò)分析斜槽—管（或隧洞）排洪設(shè)施的水力學(xué)原理，創(chuàng)造性設(shè)置一個(gè)楔形進(jìn)水口置于拱蓋板斜槽上，大大增加其自由泄流過(guò)流量，解決其因調(diào)洪水深小而泄流能力不足的問(wèn)題。

楔形進(jìn)水口；拱蓋板；尾礦庫(kù)

尾礦庫(kù)是堆存金屬非金屬礦山排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所，是礦山三大控制性工程之一［1－2］。國(guó)內(nèi)大多尾礦庫(kù)由初期壩、堆積壩、排洪設(shè)施等安全設(shè)施組成，其中排洪設(shè)施是尾礦庫(kù)的必要組成部分。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示［3－4］，國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)病害事故中，我國(guó)有色金屬礦山因排洪設(shè)施失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦庫(kù)事故的50%。排洪設(shè)施設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到尾礦庫(kù)的防洪安全，影響到尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定與工程投資。

斜槽式排洪系統(tǒng)作為尾礦庫(kù)常見(jiàn)的排洪設(shè)施之一，主要應(yīng)用于泄洪流量不大的尾礦庫(kù)，其進(jìn)水構(gòu)筑物為斜槽，泄水構(gòu)筑物為斜槽與涵管（或隧洞）。斜槽按蓋板類(lèi)型區(qū)分為拱蓋板斜槽和平蓋板斜槽兩種。拱蓋板在結(jié)構(gòu)受力條件上比平蓋板好，而在小水頭情況下，拱蓋板斜槽的泄流能力卻不如平蓋板斜槽［5］。為了解決拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)在小水頭時(shí)泄流量小的問(wèn)題，筆者從斜槽式排洪系統(tǒng)的泄流計(jì)算原理進(jìn)行分析，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種楔形進(jìn)水口，解決了該問(wèn)題。

1 計(jì)算原理

斜槽式排洪系統(tǒng)泄流形態(tài)隨著庫(kù)水位的上升有自由泄流、半壓力流、壓力流三種不同的泄流形態(tài)。其泄流量計(jì)算原理及公式詳見(jiàn)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》［5－6］。

2 方案提出

筆者分析，影響斜槽式排洪系統(tǒng)自由泄流能力的主要為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。傳統(tǒng)的斜槽式排洪系統(tǒng)過(guò)流斷面為三角形，筆者在蓋板前端增設(shè)楔形進(jìn)水口（見(jiàn)圖1），將其過(guò)水?dāng)嗝娓脑鞛榫剑瑥亩艹浞掷梦驳V庫(kù)水頭，使泄流能力大大提高。

圖1 楔形進(jìn)水口示意圖Fig.1 Diagram of wedged water inlet

改造后的井式進(jìn)水口過(guò)流斷面為橢圓形加梯形堰。根據(jù)幾何計(jì)算可知，其過(guò)橢圓面周長(zhǎng)c為：

式中：r—拱蓋板內(nèi)徑，m；h′—拱蓋板的厚度，m；β—斜槽槽身與水平面坡角。

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》，楔形進(jìn)水口拱蓋板斜槽排洪系統(tǒng)的自由溢流流量Qz計(jì)算公式為：

式中：m1—堰流量系數(shù)；c—橢圓面周長(zhǎng)，m；Ht—自由泄流水頭，m；β—斜槽槽身與水平面坡角。

3 工程實(shí)例

筆者設(shè)計(jì)的江西某尾礦庫(kù)初期壩頂高程130.0 m，堆積壩頂高程185.0m，總壩高84.0m，對(duì)應(yīng)總庫(kù)容411.60×104m3，尾礦庫(kù)為三等庫(kù)［7］。尾礦庫(kù)匯水面積0.34km2，設(shè)計(jì)洪峰流量為4.13m3/s，一次洪水總量為9.11×104m3。

尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)型式采用斜槽式排洪系統(tǒng)。排水斜槽凈寬×凈高＝1.2m×1.2m，平蓋板型式，蓋板高度0.2m。斜槽坡度隨地形而變：高程126.0～142.9m為0.294；高程142.9～185.0m為0.587。排洪隧洞凈寬×凈高＝1.5m×1.8m，城門(mén)洞型，縱坡0.8%。

筆者根據(jù)前述水力學(xué)計(jì)算原理，對(duì)該排洪系統(tǒng)的實(shí)際泄流能力進(jìn)行了計(jì)算，其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，在壩頂高程180～185m段，該套排洪系統(tǒng)實(shí)際泄流能力不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)排洪要求。

由于平蓋板結(jié)構(gòu)受力情況較差，在高尾礦庫(kù)中較容易出事故，故筆者將其改為拱蓋板，經(jīng)計(jì)算，拱蓋板斜槽排洪系統(tǒng)的泄流能力在壩頂高程175～185m段均不能滿(mǎn)足泄洪要求，其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

筆者按照前述對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行改造，即增加楔形進(jìn)水口，經(jīng)計(jì)算，整套排洪系統(tǒng)滿(mǎn)足泄洪要求，其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 平蓋板斜槽泄流能力驗(yàn)算結(jié)果Table 1 Flow capacity calculations of chute with plat plates

表2 拱蓋板斜槽泄流能力驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Flow capacity calculations of chute with arch plates

表3 楔形進(jìn)水口拱蓋板斜槽泄流能力驗(yàn)算結(jié)果Table 3 Flow capacity calculations of chute with arch plates and wedged water inlet

4 案例分析

為能表明平蓋板、拱蓋板、增加楔形進(jìn)水口的拱蓋板三種進(jìn)水口類(lèi)型的斜槽式排洪系統(tǒng)的過(guò)流情況，筆者針對(duì)案例尾礦庫(kù)的壩頂高程185m時(shí)的排洪系統(tǒng)水頭—泄流量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

通過(guò)圖2，并結(jié)合所舉案例，筆者得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）自由泄流情況下，傳統(tǒng)的拱蓋板斜槽比平蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)的泄流能力小得較多，這是因?yàn)槠缴w板斜槽的自由泄流過(guò)流斷面為梯形，較拱蓋板斜槽的三角形過(guò)流斷面面積大。

圖2 不同蓋板排洪系統(tǒng)的水頭—泄流量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Water head－flow capacity curve of flood drainage system with different plates

2）相比傳統(tǒng)拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)，增加楔形進(jìn)水口的拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)在自由泄流情況下泄流能力大大增加，且在較小的水頭情況進(jìn)入半壓力流。況，還是在半壓力流情況，過(guò)流能力都較大。究其原因，是后者的過(guò)流斷面較大。自由泄流情況，后者的過(guò)流斷面比前者增加了一個(gè)橢圓形的堰口；半壓力流情況，斜槽式排洪系統(tǒng)過(guò)流斷面受斜槽與蓋板合體的斷面面積控制，后者比前者大。

5 結(jié)論

通過(guò)在傳統(tǒng)的拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)進(jìn)口增加楔形進(jìn)水口，可達(dá)到以下效果：

1）大大改善進(jìn)水口的泄流條件，能更大限度地泄流，從而為尾礦庫(kù)的排洪安全增加一份保障。

2）在調(diào)洪過(guò)程中，能更快使排洪系統(tǒng)的泄流形態(tài)進(jìn)入到半壓力流，從而充分利用斜槽斷面，達(dá)到物盡其用。

3）在一些調(diào)洪水深較小的尾礦庫(kù)中應(yīng)用該系統(tǒng)可以解決澄清距離與排洪的矛盾，從而能更好地利用尾礦庫(kù)地形，增加尾礦庫(kù)庫(kù)容，為礦山減少尾礦堆存成本。

［1］魏作安，尹光志，沈樓燕，等.探討尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題［J］.有色金屬（礦山部分），2002，54（4）：44－45.

［2］鄧書(shū)申.尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法［J］.金屬礦山，2014（2）：146－149.

［3］徐宏達(dá).我國(guó)尾礦庫(kù)病害事故統(tǒng)計(jì)分析［J］.工業(yè)建筑，2001（1）：69－71.

［4］彭承英.尾礦庫(kù)事故及預(yù)防措施［J］.有色礦山，1969（5）：38－40.

［5］劉瀚和，余國(guó)平.尾礦庫(kù)斜槽式排洪系統(tǒng)泄流能力探討［J］.金屬礦山，2012（3）：131－133.

［6］《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫(xiě)組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980：319－340.

［7］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013：25－28.

Innovative application of wedged water inlet on chute flood drainage facilities

LIU Hanhe，YU Guoping
（China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang 330031，China）

Through analyzing the hydraulic principle of chute－pipe（or tunnel）flood drainage facilities，a wedged water inlet is creatively designed to be placed on the chute with arch plate，with which the flow capacity increases significantly，and the problem of its inadequate flow capacity with low flood regulation water head is solved.

wedged water inlet；arch plate；tailings pond

TD442

Α

1671－4172（2015）02－0088－03

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.020

“贛鄱英才555工程”領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（贛財(cái)行指［2012］165號(hào)）

劉瀚和（1985－），男，工程師，碩士，水工結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)，主要從事尾礦設(shè)施、工（礦）業(yè)固體廢物貯存與處置堆場(chǎng)的設(shè)計(jì)與研究工作。