尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)豎井深度對(duì)泄流能力的影響研究

王耀宇，佘成學(xué)，陳昱欽，陳俊宇，賈 攀，尹志強(qiáng)，李 楊，金俊超

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072)

尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)豎井深度對(duì)泄流能力的影響研究

王耀宇，佘成學(xué)，陳昱欽，陳俊宇，賈 攀，尹志強(qiáng)，李 楊，金俊超

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072)

通過(guò)水露溝尾礦壩加高擴(kuò)容工程，研究尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)豎井深度對(duì)泄流能力的影響規(guī)律。在該工程中，有9個(gè)排洪支系統(tǒng)的排水井內(nèi)外徑、豎井內(nèi)徑、隧洞斷面一致，而豎井深度不一致。選取其中3個(gè)代表性的排洪支系統(tǒng)，改變排水井的進(jìn)水口高程，進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，得到了一系列的排水井進(jìn)水水頭與泄流量的關(guān)系曲線。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同豎井深度對(duì)泄流量的影響規(guī)律，建立泄流量與豎井深度之間的擬合函數(shù)關(guān)系。

尾礦庫(kù)；豎井深度；泄流能力；水工模型試驗(yàn)

水露溝尾礦庫(kù)[1]一期設(shè)計(jì)總壩高135 m，總庫(kù)容1 473×104m3。該尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)采用初期壩+后期上游法堆壩形式，其中初期尾礦壩壩高60 m，壩底標(biāo)高1 090 m，壩頂標(biāo)高1 150 m；初期壩頂以上設(shè)計(jì)平均堆積邊坡1∶5.0，一期上游法尾砂堆積至1 225 m標(biāo)高。水露溝尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容工程，是在現(xiàn)有一期工程的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用上游法加高，堆積至1 388 m標(biāo)高，如此形成的尾礦庫(kù)總壩高298 m，總庫(kù)容約1.5 億m3，有效庫(kù)容13 506.48 萬(wàn)m3。

圖1水露溝尾礦庫(kù)新增排洪系統(tǒng)布置圖

水露溝尾礦庫(kù)加高擴(kuò)容后，新增的排水井[2]為6#—21#共16個(gè)，見(jiàn)圖1。其中6#—11#屬頭道溝排洪系統(tǒng)，12#—14#屬奶奶廟溝排洪系統(tǒng)，16#—21#屬苗家溝排洪系統(tǒng)。其中奶奶廟溝的新建排洪系統(tǒng)，通過(guò)排水隧洞，與頭道溝新建的排洪系統(tǒng)相連通。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)排洪系統(tǒng)進(jìn)行了很多的水工模型試驗(yàn)，但一般所含的排水井?dāng)?shù)量相對(duì)較少，常用包括排水井、豎井、消能井、支隧洞及主隧洞的整體模型進(jìn)行試驗(yàn)研究[3-4]。

由于水露溝尾礦庫(kù)新增排水井?dāng)?shù)量較多，用傳統(tǒng)的整體模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，將消耗很大的人力、物力。如果我們將排水井、豎井、消能井[5-6]、支隧洞稱為排洪支系統(tǒng)，則水露溝的排洪系統(tǒng)共新增16個(gè)排洪支系統(tǒng)。其中，有9個(gè)排洪支系統(tǒng)的排水井、豎井、消能井、支隧洞、主隧洞的斷面尺寸相同，而豎井深度相差很大，從6.0 m變化到104.2 m不等。對(duì)于這9個(gè)排洪支系統(tǒng)，如果選取若干代表性的排洪支系統(tǒng)，用排水井、豎井、消能井、支隧洞和部分主隧洞構(gòu)成局部模型進(jìn)行試驗(yàn)，研究其排水能力隨豎井深度的變化規(guī)律，進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其他深度的排洪支系統(tǒng)的排水能力評(píng)估，則一方面可大大減少試驗(yàn)工作量；另一方面有助于加深對(duì)排水能力隨豎井深度的變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也有助于指導(dǎo)同類排洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文選取9#、11#和13#3三個(gè)排洪支系統(tǒng)作為代表，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，得到一系列排水井進(jìn)水水頭與泄流量的關(guān)系曲線，以此為基礎(chǔ)，分析不同豎井深度對(duì)泄流量的影響規(guī)律，并建立泄流量與豎井深度之間的擬合函數(shù)關(guān)系，用于其他排洪支系統(tǒng)排洪能力的評(píng)估[7]。

1 模型設(shè)計(jì)

9#、11#、13#排洪支系統(tǒng)的排水井內(nèi)徑為4.0 m，外徑為4.5 m，每層開(kāi)有8個(gè)窗口，窗口高度為2.65 m，寬度為1.17 m；框架立柱寬度為0.40 m，橫梁厚度為0.35 m。豎井內(nèi)徑為3.0 m。支隧洞斷面為城門(mén)洞型，高3.0 m，寬2.5 m。排洪支系統(tǒng)原型結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1，排洪支系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2，其中主隧洞未畫(huà)出。

表1 排洪支系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原型尺寸

圖2排洪支系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于重力起著主導(dǎo)作用，依據(jù)滿足主導(dǎo)力相似的原則，在水流相似方面按重力相似準(zhǔn)則(弗勞德準(zhǔn)則)設(shè)計(jì)模型[8]，并滿足紊動(dòng)阻力相似要求[9]，選取模型的幾何比尺為1∶25，相應(yīng)的各物理量比尺見(jiàn)表2。

對(duì)于主隧洞，斷面較支隧洞大，底坡也較大，在一般情況下，水流為明渠急流，流態(tài)單一。如果不需要了解主隧洞中流態(tài)變化情況，則不需要把整個(gè)主隧洞全部納入，按整體模型進(jìn)行研究。由此，對(duì)于9#、11#和13#排洪支系統(tǒng)，可取其排水井、豎井、消能井、支隧洞以及部分主隧洞制作局部模型進(jìn)行試驗(yàn)，以了解排洪支系統(tǒng)的排水能力和水流流態(tài)變化情況。其中主隧洞只對(duì)排洪支系統(tǒng)起到水流邊界的作用，因此，不需要特別長(zhǎng)。

表2 模型比尺表

有機(jī)玻璃糙率與按表2中糙率比尺折算后的混凝土糙率一致，因此選用有機(jī)玻璃制作排洪支系統(tǒng)模型。制作的模型見(jiàn)圖3和圖4。其中，9#和11#排洪支系統(tǒng)共用一個(gè)水箱模擬水庫(kù)，尺寸為1.5 m×1.7 m×1.7 m；13#排洪支系統(tǒng)與尺寸為1.8 m×2.0 m×1.7 m水箱相連，模擬水庫(kù)。當(dāng)一個(gè)支系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，共用水箱的另一個(gè)排洪支系統(tǒng)封堵住，因此，在試驗(yàn)時(shí)，共用水箱的兩個(gè)排洪支系統(tǒng)相互沒(méi)有影響。

圖3 9#、11#排洪支系統(tǒng)外觀情

9#、11#、13#排水井總高度分別為30 m、20 m和30 m。隨大壩加高，排水井逐步封堵，即進(jìn)水口位置不斷抬高。對(duì)于試驗(yàn)而言，不可能完全按實(shí)際封堵[10]過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，而是選擇若干進(jìn)水口高程進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)排水井的高度，以及為了不同排水井排水情況的橫向比較，分別在底部、中部和頂部位置，選擇2～3個(gè)進(jìn)水口位置，具體見(jiàn)表3。

圖4 13#排洪支系統(tǒng)外觀情況

表3 排水井進(jìn)水口位置及等效豎井深度

以9#排洪支系統(tǒng)為例，三個(gè)不同進(jìn)水口位置的具體情況見(jiàn)圖5。

圖5 9#排水井不同位置進(jìn)水口情況

從圖5中也可以看到，排水井封堵部分相當(dāng)于增加了豎井的深度。如果將豎井深度加上封堵的排水井高度相加看做是等效的豎井深度，則對(duì)于不同的進(jìn)水口位置，就有不同的等效豎井深度。對(duì)于表3中的9#、11#、13#排水井，根據(jù)進(jìn)水口位置的不同，共有8種等效排水井深度。

根據(jù)干灘長(zhǎng)度的需要，對(duì)于每一個(gè)進(jìn)水口位置，水頭不能超過(guò)6 m，即對(duì)于試驗(yàn)而言，試驗(yàn)水頭控制在6 m范圍以內(nèi)。

排水井進(jìn)水水頭通過(guò)測(cè)針測(cè)量水位后推算得到，流量用電磁流量計(jì)測(cè)量。

2 試驗(yàn)過(guò)程和成果分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

確定某一級(jí)流量，用閥門(mén)調(diào)節(jié)控制進(jìn)水流量，待水位穩(wěn)定后，測(cè)水箱中的水位，便可得一個(gè)流量-水位數(shù)據(jù)對(duì)；同時(shí)觀測(cè)排水井、豎井、消能井和泄洪支洞中的流態(tài)情況。

確定下一級(jí)流量，用同樣的方式，重復(fù)上述試驗(yàn)，測(cè)得下一個(gè)流量-水位數(shù)據(jù)對(duì)；以及得到各部位相應(yīng)的流態(tài)。

對(duì)于某一高程的進(jìn)水口位置，需要測(cè)若干個(gè)流量-水位數(shù)據(jù)對(duì)，用于繪制水頭-流量關(guān)系曲線。在本項(xiàng)目中，我們一般側(cè)11～14個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)。

2.2 試驗(yàn)成果分析

對(duì)于表3所示的9#、11#、13#排洪系統(tǒng)的8種進(jìn)水口高程情況，分別進(jìn)行試驗(yàn)，共測(cè)得8條流量-進(jìn)水口水頭關(guān)系曲線，見(jiàn)圖6。

圖6各排洪支系統(tǒng)流量-水頭關(guān)系曲線

從圖6可以看出：

(1) 對(duì)于不同的豎井深度，流量-進(jìn)水口水頭關(guān)系曲線變化規(guī)律大致類似，均可分為平穩(wěn)上升段、拐彎段、快速上升段三段，以9#底部進(jìn)水口泄流能力曲線為例，見(jiàn)圖7。

圖7 9#底部進(jìn)水口流量-水頭關(guān)系曲線分段情況

在曲線平穩(wěn)上升段，泄洪支洞中的水流基本為明渠流。即使隨流量增大，豎井中的水深增加，淹沒(méi)了支隧洞進(jìn)水口位置，但絕大部分支隧洞中水流仍然為明渠流，排水井自由排水，所以整個(gè)支系統(tǒng)中的排水完全由排水井控制。

隨著流量和水頭增加，豎井中水位向上升高，排水井進(jìn)入到淹沒(méi)出流的狀態(tài)，此時(shí)，支隧洞中的水流還不是完全有壓，整個(gè)支系統(tǒng)的泄水能力由排水井、豎井和支隧洞共同控制，這一過(guò)程一直延續(xù)到支隧洞完全為有壓流為止。整個(gè)過(guò)程的流量-水頭關(guān)系曲線就是圖中的拐彎段。對(duì)于拐彎段，要確切獲得其變化范圍，需要在其變化范圍內(nèi)大量增加流量-進(jìn)水口水頭數(shù)據(jù)對(duì)，一般情況下很難精確得到其變化范圍。

隨著流量和水頭進(jìn)一步增加，支隧洞中完全為有壓流，豎井中也是滿管流，排水井內(nèi)外基本沒(méi)有水頭差，整個(gè)系統(tǒng)完全處于一種有壓流狀態(tài)，在本項(xiàng)目中，支隧洞的泄流能力相對(duì)較小，起控制作用。此時(shí)的流量-水頭關(guān)系曲線為快速上升段，流量少量增加，水頭增加很大。

(2) 對(duì)于不同的豎井深度，豎井淺的平穩(wěn)上升段曲線與豎井深的平穩(wěn)上升段曲線相重合，但豎井深的平穩(wěn)上升段曲線的水頭和流量變化范圍更大，即豎井深的平穩(wěn)上升段曲線包含了豎井淺的平穩(wěn)上升段曲線。曲線重合的原因是：各排洪支系統(tǒng)的排水井進(jìn)水部分尺寸完全相同，而此時(shí)泄水能力由排水井控制，反映在曲線中，就是部分曲線重合。

(3) 對(duì)于不同的豎井深度，其曲線拐彎段差異很大，豎井深的排洪支系統(tǒng)的拐彎段處于更大的水頭和流量位置。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是：豎井深度越深，總水頭越大，在豎井、支隧洞中的流速增大，從而增加了整個(gè)排洪支系統(tǒng)的排水能力，反映在曲線中，各排洪支系統(tǒng)的拐彎段位置不在同一位置，且差異很大。

對(duì)于拐彎段的流量，盡管無(wú)法確切確定其拐彎段的確切范圍，但根據(jù)試驗(yàn)得到的流量-水頭數(shù)據(jù)對(duì)，通過(guò)擬合，可得到拐彎段的大致范圍。我們?cè)诠諒澏畏秶鷥?nèi)，找一個(gè)點(diǎn)，使得該點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎段曲線的切線斜率為1，將此點(diǎn)作為拐彎點(diǎn)。在所有的拐彎段內(nèi)都能找到這樣一個(gè)拐彎點(diǎn)，將該點(diǎn)的流量和等效豎井深度建立擬合函數(shù)關(guān)系，具體為：

Y=-0.0029X2+0.9719X+58.568

(1)

其中：Y表示拐彎點(diǎn)流量；X表示等效豎井深度；擬合相關(guān)系數(shù)為0.9873。將此函數(shù)繪圖，具體見(jiàn)圖8。由圖8可以看到，拐彎點(diǎn)流量與等效豎井深度之間大致符合拋物線函數(shù)關(guān)系。

同樣，可以得到拐彎點(diǎn)水頭和豎井深度之間的擬合函數(shù)關(guān)系，具體為：

Y=6×10-5X2+0.0012X+2.4852

(2)

其中：Y為拐彎點(diǎn)水位；X為等效豎井深度；擬合相關(guān)系數(shù)為0.9097。將此函數(shù)繪圖，具體見(jiàn)圖9。由圖9可以看到，拐點(diǎn)水位與等效豎井深度之間大致符合拋物線函數(shù)關(guān)系。

圖8 拐彎點(diǎn)流量-等效豎井深度關(guān)系曲線

圖9拐彎點(diǎn)水位-等效豎井深度關(guān)系曲線

(4) 對(duì)于不同的豎井深度，其快速上升段位置差異也很大，豎井深度越深，其泄流能力越大，在相同水頭條件下，具有更大的下泄流量。

如果統(tǒng)一取水頭為5.9 m時(shí)的泄流量，與等效豎井深度建立擬合函數(shù)關(guān)系，則可以得到：

Y=-0.003X2+1.0458X+61.206

(3)

其中：Y表示最大流量；X表示豎井等效深度；擬合相關(guān)系數(shù)為0.997。將此函數(shù)繪圖，具體見(jiàn)圖10。由圖10可以看到，最大流量與等效豎井深度之間大致符合拋物線函數(shù)關(guān)系。

圖10最大流量-等效豎井深度曲線

通過(guò)上述分析，我們深入了解了不同豎井深度的泄流能力變化規(guī)律，進(jìn)一步可以以此推測(cè)其他豎井深度的排洪支系統(tǒng)的泄流能力。具體而言，對(duì)于某一個(gè)豎井深度的排洪支系統(tǒng)，利用圖6提供的曲線，得到排水井起控制作用時(shí)的流量-水頭關(guān)系曲線；通過(guò)式(1)、式(2)推測(cè)拐彎點(diǎn)的流量和水頭；利用式(3)推測(cè)5.9 m水頭時(shí)的流量，由此建立水頭-流量關(guān)系曲線，盡管在拐彎段和快速上升段與真實(shí)情況有些差異，但是偏安全的，可以滿足水露溝其他排洪系統(tǒng)的排洪能力的估算。同時(shí)該尾礦庫(kù)運(yùn)行的任一時(shí)期，有且僅有一個(gè)排水井發(fā)揮作用，當(dāng)新的排水井發(fā)揮作用時(shí)，舊的排水井則被封堵。固排洪系統(tǒng)總流量等于正在發(fā)揮作用的排水井的流量，因此不對(duì)系統(tǒng)的總過(guò)流能力[11-12]做相應(yīng)研究。限于篇幅，利用水頭-流量曲線的調(diào)洪過(guò)程以及泄流安全性判斷等方面內(nèi)容，不再贅述。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于不同的豎井深度，流量-進(jìn)水口水頭關(guān)系曲線變化規(guī)律大致類似，均可分為平穩(wěn)上升段、拐彎段、快速上升段三段，分別對(duì)應(yīng)于排水井起控制作用，排水井、豎井和支隧洞共同起控制作用和排水支洞起控制作用階段。

(2) 對(duì)于不同的豎井深度，豎井淺的平穩(wěn)上升段曲線與豎井深的平穩(wěn)上升段曲線相重合，但豎井深的平穩(wěn)上升段曲線的水頭和流量變化范圍更大，即豎井深的平穩(wěn)上升段曲線包含了豎井淺的平穩(wěn)上升段曲線。

(3) 對(duì)于不同的豎井深度，其曲線拐彎段差異很大，豎井深的排洪支系統(tǒng)的拐彎段處于更大的水頭和流量位置。

(4) 對(duì)于不同的豎井深度，其快速上升段位置差異也很大，豎井深度越深，其泄流能力越大，在相同水頭條件下，具有更大的下泄流量。

(5) 根據(jù)上述研究結(jié)果，可以推斷其他豎井深度情況下排洪支系統(tǒng)的水頭-流量關(guān)系曲線，并用于排洪安全性分析。

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InfluenceofShaftDepthonDischargeCapacityofTailingsPondFloodSystem

WANG Yaoyu, SHE Chengxue, CHEN Yuqin, CHEN Junyu, JIA Pan,YIN Zhiqiang, LI Yang, JIN Junchao

(StateKeyLaborataroyofWaterResourcesandHydropowerEngineeringSciences,WuhanUniversity,Wuhan,Hubei430072,China)

In this paper the influence of shaft depth on discharge capacity of tailings pond flood system was analyzed based on the Shuilugou tailings dam heightening engineering. There are 9 flood systems whose inner diameter and outer diameter of the drainage well, inner diameter of the shaft and the tunnel sections are consistent, while they have different shaft depth. By selecting 3 representative flood systems and changing the intake elevation of the drainage well, we carried out the hydraulic model experiment, from which a series of relation curves between water head and flow rate of the drainage well were obtained. Basing on the curves, the experiment data can then be used to analyze the influence rule of different shaft depth on the flow rate, and establish the fitting function.

tailingspond;shaftdepth;dischargecapacity;hydraulicmodelexperiment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.026

2017-06-21

2017-07-24

王耀宇(1994—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)檫吰路€(wěn)定。 E-mail: 463415663@qq.com

TV131.61

A

1672—1144(2017)06—0133—05