水量平衡法在尾礦庫調(diào)洪計(jì)算中的應(yīng)用

趙永志

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司)

尾礦庫是用以貯存金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場所，也是礦山必需的生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)還是一個(gè)人造泥石流高危險(xiǎn)源，因此，汛期當(dāng)中的尾礦庫安全更是礦山工作的重中之重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2017年底，全國各類尾礦庫共計(jì)7 793座，其中三等以上大、中型尾礦庫989座，占比約12.7%，四、五等尾礦庫6 804座，占比約87.3%。中、小型尾礦庫往往由于建設(shè)過程中設(shè)計(jì)、施工不規(guī)范，生產(chǎn)運(yùn)行管理過程中缺少經(jīng)驗(yàn)，更容易發(fā)生安全生產(chǎn)事故。

尾礦庫安全度主要根據(jù)尾礦庫防洪能力和尾礦壩的壩體穩(wěn)定性分為危庫、險(xiǎn)庫、病庫、正常庫四級(jí)。近幾年，隨著各級(jí)人民政府及企業(yè)對(duì)尾礦庫治理投入的加大，病、危、險(xiǎn)庫的數(shù)量逐年減少(表1)，但仍然有一些尾礦庫存在著各種安全隱患。從2001—2013年，全國共發(fā)生尾礦庫事故85起，其中死亡事故19起，死亡364人。在85起事故中排洪設(shè)施損壞的24起，洪水漫頂?shù)?3起，與汛期洪水相關(guān)的安全事故占43.5%。

表1 全國尾礦庫近年來危險(xiǎn)等級(jí)變化情況

因此，在尾礦庫設(shè)計(jì)中，通過合理的計(jì)算方法對(duì)尾礦庫進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，確定安全可靠的排洪構(gòu)筑物尺寸，是保證尾礦庫安全度汛的前提。

1 尾礦庫排洪構(gòu)筑物的類型

尾礦庫庫內(nèi)排洪構(gòu)筑物通常由進(jìn)水構(gòu)筑物和輸水構(gòu)筑物組成。排洪構(gòu)筑物形式的選擇應(yīng)根據(jù)尾礦庫排水量的大小、尾礦庫地形、地質(zhì)條件、使用要求及施工條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

尾礦庫常用進(jìn)水構(gòu)筑物有排水井、排水斜槽、溢洪道和截洪溝。排水井是最常用的進(jìn)水構(gòu)筑物，有窗口式、框架式、框架窗口組合式等多種型式，常用的排水井結(jié)構(gòu)形式見圖1。排水斜槽既是進(jìn)水構(gòu)筑物，又是輸水構(gòu)筑物，隨著庫水位的升高，進(jìn)水口的位置不斷向庫尾延伸，由于進(jìn)水量較小，一般在排洪量較小時(shí)采用。溢洪道常用于一次性建壩的尾礦庫或在尾礦庫使用后期作為閉庫的永久排洪設(shè)施中采用。

圖1 常用排水井結(jié)構(gòu)形式

尾礦庫常用的輸水構(gòu)筑物有排水管、隧洞、斜槽等。排水管是最常用的輸水構(gòu)筑物，一般埋設(shè)在庫區(qū)底部，通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，常用的排水管結(jié)構(gòu)形式見圖2。排洪隧洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，泄流量大，是大、中型尾礦庫常用的輸水構(gòu)筑物[1]。

尾礦庫排洪構(gòu)筑物通常由一種或多種進(jìn)水構(gòu)筑物與輸水構(gòu)筑物組合而成，構(gòu)成一套完整的排洪系統(tǒng)。尾礦庫排洪構(gòu)筑物應(yīng)優(yōu)選事故率較低的排水井加隧洞等排洪形式，同時(shí)盡量在尾礦庫上游或庫外設(shè)置截洪設(shè)施，從而減少入庫洪水量，減緩庫內(nèi)排洪壓力[2]。

圖2 常用排水管結(jié)構(gòu)形式

2 水量平衡法

2.1 計(jì)算原理

調(diào)洪計(jì)算的目的是根據(jù)既定的排洪系統(tǒng)確定所需的調(diào)洪庫容和泄洪流量，對(duì)一定的來水過程線，排水構(gòu)筑物越小，所需的調(diào)洪庫容就越大。設(shè)計(jì)通過不同尺寸排洪系統(tǒng)的調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，合理確定排水構(gòu)筑物的尺寸，保證尾礦庫能夠安全度汛，并使工程的投資最優(yōu)。

采用水量平衡法進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算就是求解尾礦庫任意時(shí)段的水量平衡方程的過程，任意時(shí)段的水量平衡方程為[3]

(1)

式中,Q1、Q2為某時(shí)段始、終尾礦庫的來洪量,m3/s；q1、q2為某時(shí)段始、終尾礦庫的泄洪量,m3/s；V1、V2為某時(shí)段始、終尾礦庫的蓄洪量，m3；Δt為某時(shí)段的時(shí)間，s。

尾礦庫調(diào)洪計(jì)算的過程可用圖3表示。

圖3 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算示意

尾礦庫的來洪量即尾礦庫洪水產(chǎn)生的過程，可通過水文計(jì)算得出洪水過程線。尾礦庫的泄洪量與排洪構(gòu)筑物的布置、形式、斷面大小、泄流狀態(tài)等參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)試算選取。

2.2 排洪構(gòu)筑物泄流量計(jì)算

2.2.1 排水井泄流量計(jì)算

當(dāng)為堰流時(shí),計(jì)算公式為

(2)

式中,q1為排水井泄流量,m3/s；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；L為有效進(jìn)水寬度,m；m為堰的流量系數(shù)；H為堰上水頭,m。

當(dāng)為孔口出流時(shí),計(jì)算公式為

(3)

式中,F為孔口面積，m2；μ為孔口的流量系數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

堰流和孔口流分界水頭為

Hkp=(Fμ)/(Lm) .

(4)

2.2.2 排水管(隧洞)進(jìn)口泄流量(半壓力流)計(jì)算

計(jì)算公式為

(5)

式中,q2為排水管(隧洞)進(jìn)口泄流量，m3/s；f為管道面積，m2；h1為堰頂至管道進(jìn)口高差，m；μ′為流量系數(shù);其他符號(hào)意義同上。

2.2.3 排水管(隧洞)出口泄流量(壓力流)計(jì)算

計(jì)算公式為

(6)

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 工程概況

某尾礦庫采用上游法濕排工藝堆存，6柱框架式排水井作為進(jìn)水構(gòu)筑物，排水井內(nèi)徑為3 m，井柱寬0.4 m。井下接排水管作為輸水構(gòu)筑物，排水管內(nèi)徑為1.2 m。

尾礦庫堆積至230 m標(biāo)高時(shí)級(jí)別為三等庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)上限采用規(guī)范要求的500 a一遇，設(shè)計(jì)需對(duì)尾礦庫230 m標(biāo)高的防洪能力進(jìn)行校核及調(diào)洪計(jì)算，驗(yàn)證尾礦庫的最小安全超高和最小干灘長度是否滿足規(guī)范的要求。

3.2 水文計(jì)算結(jié)果

通過水文計(jì)算，尾礦庫500 a一遇的洪峰流量為50.4 m3/s，洪水總量為21.7萬m3，洪水過程線概化為三角形，洪水過程線見表2和圖4。

表2 尾礦庫洪水過程線計(jì)算結(jié)果

圖4 尾礦庫洪水過程線示意

3.3 尾礦庫調(diào)洪庫容

尾礦庫堆積標(biāo)高為230 m時(shí)，按照正常水位標(biāo)高297.5 m，尾礦沉積灘坡度1%計(jì)算，230 m標(biāo)高以下的調(diào)洪庫容見表3。

表3 尾礦庫230 m標(biāo)高的調(diào)洪庫容

3.4 水力計(jì)算

按照不同標(biāo)高分別計(jì)算進(jìn)水構(gòu)筑物(排水井)、輸水構(gòu)筑物(排水管)進(jìn)口和出口的泄流量，計(jì)算出的最小泄流量為控制泄流量，尾礦庫排洪構(gòu)筑物泄流量計(jì)算結(jié)果見表4。

3.5 調(diào)洪計(jì)算

將洪水過程線劃分為若干時(shí)段，分別計(jì)算各個(gè)時(shí)段尾礦庫的入庫水量和出庫水量，當(dāng)入庫水量大于出庫水量時(shí)，將占用尾礦庫的調(diào)洪庫容，庫內(nèi)水位升高；當(dāng)入庫水量小于出庫水量時(shí)，庫水位降低。時(shí)段劃分的越多，計(jì)算的工程量越大，計(jì)算的結(jié)果也越精確，計(jì)算過程中可根據(jù)洪水過程線的時(shí)長合理劃分時(shí)段。尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果見表5、圖5，庫水位與泄流量的關(guān)系見圖6。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，尾礦庫排洪系統(tǒng)泄流初期是由排水井堰流控制流量，當(dāng)庫水位由正常水位標(biāo)高227.5 m上升至228.8 m時(shí)，泄流量由排水管壓力流控制。洪水產(chǎn)生2.04 h以后，洪水占用的調(diào)洪庫容達(dá)到最大值，庫水位上升至228.88 m，庫區(qū)水位升高了1.38 m，尾礦庫灘頂標(biāo)高為230 m，尾礦庫

表4 尾礦庫排洪構(gòu)筑物泄流量計(jì)算

表5 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果

圖5 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果曲線

仍然有1.12 m的安全超高，按照尾礦沉積灘坡度1%計(jì)算，尾礦庫遭遇設(shè)計(jì)500 a一遇洪水時(shí)仍然有112 m的干灘長度，滿足上游式尾礦堆積壩最小安全超高0.7 m和最小干灘長度70 m的要求。2.04 h以后，尾礦庫的泄洪量大于來洪量，庫水位逐漸降低。

圖6 庫水位與泄流量關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

尾礦庫防洪安全是影響尾礦庫安全的重要因素之一，由于尾礦庫排洪構(gòu)筑物的多樣性，尾礦庫的調(diào)洪計(jì)算比較復(fù)雜。水量平衡法是尾礦庫調(diào)洪計(jì)算的基本方法，也是《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50863—2013)要求采用的方法，采用水量平衡法進(jìn)行尾礦庫調(diào)洪計(jì)算，將洪水過程分成若干時(shí)段，通過計(jì)算來水量和泄水量，可以掌握洪水過程全歷時(shí)的尾礦庫水位變化情況，對(duì)尾礦庫汛期安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。尾礦庫設(shè)計(jì)人員及安全管理人員應(yīng)該掌握水量平衡法進(jìn)行尾礦庫調(diào)洪計(jì)算，對(duì)尾礦庫不同運(yùn)行時(shí)期的各控制標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，給出正常水位、最高洪水位，控制尾礦庫運(yùn)行時(shí)的調(diào)洪高度、干灘長度等參數(shù)，是尾礦庫安全度汛的可靠保障。