基于徐家河尾礦庫(kù)調(diào)洪演算及安全調(diào)度分析

劉兆勝

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

基于徐家河尾礦庫(kù)調(diào)洪演算及安全調(diào)度分析

劉兆勝

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114039）

根據(jù)尾礦庫(kù)調(diào)洪演算的基本原理，建立尾礦庫(kù)調(diào)洪演算的時(shí)變分析模型，研究某尾礦庫(kù)在200年一遇洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)下的調(diào)洪演算，結(jié)果表明在現(xiàn)有堆積高320.2m，尾礦庫(kù)在200年一遇設(shè)計(jì)洪水下剛好滿足調(diào)洪要求，即尾礦庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為200年一遇。

尾礦庫(kù)；調(diào)洪計(jì)算；原理；方案

尾礦庫(kù)是一種具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源。其發(fā)生會(huì)給人民生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失，同時(shí)對(duì)周邊的環(huán)境造成嚴(yán)重污染，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定帶來很大的負(fù)面影響［1］。

調(diào)洪演算的安全超高和干灘長(zhǎng)度是尾礦庫(kù)安全度的重要判據(jù)［2］。李斌華等［3］通過調(diào)洪演算研究了排洪系統(tǒng)的泄流能力，為尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇提供依據(jù)。

1 調(diào)洪演算基本原理

采用水力學(xué)圣維南方程組表示，簡(jiǎn)化后為水量平衡方程和泄流方程［4］。

式中 Q1為時(shí)段初的入庫(kù)流量（m3/s）；Q2為時(shí)段末的入庫(kù)流量（m3/s）；q1為時(shí)段初的出庫(kù)流量（m3/s）；q2為時(shí)段末的出庫(kù)流量（m3/s）；V1為時(shí)段初尾礦庫(kù)蓄水量（m3）；V2為時(shí)段末為庫(kù)蓄水量（m3）；Δt為時(shí)段長(zhǎng)，其大小一般可視入庫(kù)流量的變化幅度而定 （陡漲陡落的小河取1~6h，變化平緩的大河取12~24h）。

在方程中，Q1、Q2可由設(shè)計(jì)洪水過程線上查得，Δt可根據(jù)具體情況選定，q1及V1根據(jù)起調(diào)條件確定。q2和V2是未知數(shù)。一個(gè)方程包括兩個(gè)未知數(shù)不能求解，須建立水庫(kù)下泄流量q與蓄水量V的關(guān)系。

以上兩式組成一個(gè)方程組，這個(gè)方程組表達(dá)了入庫(kù)洪水過程、下泄流量過程和尾礦庫(kù)蓄水量變化過程三者之間的定量關(guān)系。

2 排水構(gòu)筑物泄流能力

尾礦庫(kù)排水構(gòu)筑物主要由排洪井、豎井、排洪隧洞、盲豎井構(gòu)成。其整個(gè)排水系統(tǒng)的泄流能力由最小泄流能力來決定，在低水位工況下，排洪井泄流能力起主導(dǎo)作用，隨著庫(kù)水位的不斷升高，盲豎井的泄流能力又占據(jù)主導(dǎo)地位。所以，計(jì)算排洪系統(tǒng)泄流能力時(shí)，應(yīng)對(duì)排洪井和盲豎井的最大泄量分開計(jì)算。

徐家河位于本溪市南芬區(qū)郭家街道，尾礦庫(kù)壩址以上總占地面積2605.93hm2，目前堆積高下尾礦庫(kù)僅4#排洪井正常工作。4#排洪井為框架式，其塔高32m，內(nèi)徑4m，下接內(nèi)徑2.5m的豎井，進(jìn)水高程316.0m。排水能力按環(huán)形堰流量公式計(jì)算：

式中 Qm為最大泄量（m3/s）；Mw為綜合流量系數(shù)（0.22367+ 1.30312Hw/B）；B為環(huán)形堰總寬 （m）；Hw為進(jìn)水水頭（m）。

其計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 4#排洪井泄流能力計(jì)算 單位：m3/s

在中高水位工況下，尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)泄流能力受盲豎井控制，故應(yīng)另計(jì)算盲豎井最大泄量。盲豎井是連接尾礦庫(kù)新老排洪隧洞的通道，圓管狀，長(zhǎng)30m，內(nèi)徑2.5m，垂直地面，最大泄量按有壓圓管流量公式計(jì)算：

式中 Qm為最大泄量（m3/s）；μ為流量系數(shù)（0.263）；A為過水面積（4.91m2）；H0為總水頭（m）。

計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 盲豎井泄流能力計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

當(dāng)庫(kù)水位小于318m時(shí)，尾礦庫(kù)泄流能力采用排洪井最大泄量，當(dāng)庫(kù)水位大于318m時(shí)，尾礦庫(kù)泄流能力采用盲豎井最大泄量。另因庫(kù)區(qū)內(nèi)有回水塔1座，其下泄流量2m3/s，故計(jì)算總泄流能力時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)。尾礦庫(kù)總泄流能力如表3。

表3 尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)泄流能力成果 單位：m3/s

3 調(diào)洪計(jì)算

根據(jù)排洪系統(tǒng)的布置，按前述進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。起調(diào)水位為正常水位314.3m，排洪塔進(jìn)水水位316.00m。計(jì)算結(jié)果顯示，在選用500年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪時(shí)，因調(diào)洪庫(kù)容不足導(dǎo)致洪水漫頂，選用200年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪時(shí)，在保證回水系統(tǒng)正常工作的情況下，尾礦庫(kù)在200年一遇設(shè)計(jì)洪水下剛好滿足調(diào)洪要求。說明尾礦庫(kù)現(xiàn)狀防洪能力為200年一遇。計(jì)算結(jié)果如表4，表5。

表4 尾礦庫(kù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

表5 尾礦庫(kù)200年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算參數(shù) 單位：m

5 與原設(shè)計(jì)比較

根據(jù)尾礦庫(kù)不同等級(jí)，按照規(guī)范規(guī)定，確定尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)。原初步設(shè)計(jì)確定現(xiàn)堆積高下尾礦庫(kù)等別為Ⅱ等，其設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。由于原設(shè)計(jì)中排洪系統(tǒng)存在安全隱患，目前，原設(shè)計(jì)中1#~ 3#排洪井受尾礦堆積影響，已不能正常工作，目前只有4#排洪井正常工作。而原設(shè)計(jì)中其排洪隧洞（4.6m×4.8m）終點(diǎn)位于3#排洪井處，優(yōu)化設(shè)計(jì)提出的延長(zhǎng)排洪隧洞（2.4m×2.6m）位于原排洪隧洞延長(zhǎng)線的上方，靠深30m、內(nèi)徑2.5m的盲豎井與之相連，這樣其排洪系統(tǒng)泄流能力已經(jīng)不取決于兩段排洪隧洞的泄流能力，而是取決于盲豎井的泄流能力，換言之，盲豎井的泄流能力已經(jīng)成為尾礦庫(kù)排洪能力的瓶頸。

原設(shè)計(jì)中：“計(jì)算調(diào)洪庫(kù)容時(shí)沉積灘坡度按實(shí)測(cè)0.5%，水下沉積坡度按10%”，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)實(shí)際沉積灘坡度平均為0.4%，這就造成原設(shè)計(jì)調(diào)洪庫(kù)容比實(shí)際調(diào)洪庫(kù)容偏大，致使尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)防洪能力與實(shí)際防洪能力存在偏差，如表6。

表6 尾礦庫(kù)調(diào)洪計(jì)算結(jié)果比較

若使尾礦庫(kù)滿足500年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，所需調(diào)洪庫(kù)容已經(jīng)大于現(xiàn)有最大調(diào)洪庫(kù)容704萬m3，也大于原設(shè)計(jì)的639萬m3。因原設(shè)計(jì)沒有提供尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)泄流曲線，無法判定其是否與本文采用的泄流曲線一致。但原設(shè)計(jì)中提到：“初期排洪系統(tǒng)的泄量是溢水塔控制，后期泄量是排洪隧洞控制”，并沒有提到尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)中盲豎井是其泄流能力的瓶頸。故未考慮盲豎井最大泄流能力，是造成原設(shè)計(jì)與本設(shè)計(jì)尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)不一致的原因之一。

6 安全調(diào)度方案

根據(jù)不同頻率下的暴雨洪水分析和調(diào)洪計(jì)算，確定各種情況下的安全調(diào)度方案。如表7。

表7 尾礦庫(kù)安全調(diào)度方案 單位：m

7 結(jié)語

（1）本次調(diào)洪計(jì)算針對(duì)現(xiàn)狀堆積標(biāo)高及現(xiàn)狀最低水位時(shí)，通過計(jì)算洪水，從而推求其最高水位和最大下泄流量。

（2）由于原設(shè)計(jì)存在缺陷，致使設(shè)計(jì)中的盲豎井成為影響排洪系統(tǒng)泄流能力的瓶頸。經(jīng)過計(jì)算，在現(xiàn)有堆積高314.3m，選用500年一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪時(shí)，調(diào)洪庫(kù)容不足，庫(kù)水位已經(jīng)超過壩高（即漫頂），表明現(xiàn)有條件下尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)不到500年一遇。選用200一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪時(shí)，在保證回水系統(tǒng)正常工作的情況下，其防洪能力為200年一遇。

［1］梅國(guó)棟，王云海．我國(guó)尾礦庫(kù)事故統(tǒng)計(jì)分析與對(duì)策研究［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6（3）.

［2］AQ2006—2005，尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程［S］．

［3］李斌華，刁明軍，楊海波．尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)水力計(jì)算研究［J］．西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，33（3）．

［4］王鳳凰．某尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)定量分析與研究［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2010．

［5］蔡景禮.小型水庫(kù)庫(kù)容調(diào)洪計(jì)算的常用方法［J］.黑龍江水利科技，2012（11）.

［6］楊立芳，程健.某尾礦庫(kù)調(diào)洪安全研究［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（4）．

（責(zé)任編輯：王艷肖）

The flood routing and secure dispatching of Xujiahe River tailing pond

LIU Zhao-sheng
（Anshan Hydrology Bureau of Liaoning Province,Anshan 114039，China）

According to the basic principle of tailing reservoir flood regulating calculation,analysis model is established to research the tailing reservoir flood routing under the flood control standard of 200 year frequency flood.The results show that the existing high accumulation of 320.2m,it just meets the requirement of design flood in 200 year frequency,then the present flood control capacity of the tailing pond is 200 year frequency flood.

tailing pond;flood routing;principle；scheme

TV122

B

1672-9900（2017）01-0026-03

2016-12-13

劉兆勝（1983-），男（漢族），遼寧鞍山人，工程師，主要從事水文勘測(cè)和水資源研究工作，（Tel）13704171965。