極端天氣下大型中線法尾礦庫調(diào)洪演算技術(shù)研究與應(yīng)用

周 炳 劉金勇 謝建輝 王 莎

(1.江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦，江西 德興334224； 2.礦冶科技集團有限公司，北京 102628)

1 項目背景

我國是礦業(yè)大國，但并不是礦業(yè)強國，礦產(chǎn)資源整體賦存呈現(xiàn)“礦貧物性復(fù)雜”的特點。近年來，為了提高國際競爭力和企業(yè)經(jīng)濟效益，我國礦山企業(yè)逐步擴大開采規(guī)模，提高礦石處理量，導致作為選礦尾砂存儲主要構(gòu)筑物的尾礦庫逐步趨向大型化。這些大型尾礦庫由于堆積壩高、匯水面積大、尾礦堆存量大，在汛期容易造成漫頂甚至潰壩事故，產(chǎn)生不可挽回的后果。大型中線法筑壩尾礦庫在汛前及時進行調(diào)洪演算，分析判斷當前庫容是否滿足汛期來洪需求，并在必要時采取工程措施，是有效防止尾礦庫出現(xiàn)洪水漫頂事故的一種重要對策方法。為此，大型尾礦庫迫切需要實時了解尾礦庫的水情動態(tài)，對存在的隱患及時預(yù)警，并為尾礦庫的放礦作業(yè)和庫區(qū)調(diào)洪提供參考依據(jù)。

在尾礦庫調(diào)洪演算計算分析方面，研究學者就具體的實際工程開展了廣泛的應(yīng)用研究。孫文杰[1]開展了尾礦庫的洪水計算和調(diào)洪演算分析。劉波等[2]對數(shù)值方法在調(diào)洪演算中的應(yīng)用進行了初步研究。吳永剛等[3]研究了動態(tài)調(diào)洪演算分析在尾礦庫防洪安全分級預(yù)警中的應(yīng)用。呂庭剛等[4]基于實際工程開展了尾礦庫調(diào)洪演算及排洪系統(tǒng)泄流能力分析。李小軍等[5]對上游法尾礦庫開展了調(diào)洪演算研究。王振興[6]等對尾礦庫水量平衡法中調(diào)洪演算的影響因素進行了分析。但上述研究僅針對中小尾礦庫開展調(diào)洪演算，由于大型中線法筑壩尾礦庫地形、地質(zhì)復(fù)雜，開展類似調(diào)洪演算需要的參數(shù)更多，分析難度更大，為了有效指導大型、復(fù)雜尾礦庫的實際防、排洪工作，迫切需要開展相關(guān)研究。

本文以德興銅礦4#中線法筑壩大型尾礦庫為典型案例，針對尾礦庫在極端天氣下的調(diào)洪需求，采用公式推理法和水量平衡法，依據(jù)尾礦庫的實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，研究極端天氣下適合中線法筑壩大型尾礦庫的調(diào)洪算法，并據(jù)此分析尾礦庫在遭遇5 000年一遇洪水時的庫水位變化過程，分別采用經(jīng)驗公式法和物模試驗法獲得下泄流量。通過對調(diào)洪結(jié)果進行對比分析，建立了適合大型中線法筑壩尾礦庫的調(diào)洪演算技術(shù)體系。

2 調(diào)洪演算方法的建立

針對大型中線法筑壩尾礦庫調(diào)洪需求，本文綜合采用公式推理和水量平衡法建立尾礦庫調(diào)洪演算的技術(shù)框架。

2.1 洪峰流量計算方法

尾礦庫在汛期來洪的洪峰流量公式為：

(1)

式中：QP—設(shè)計頻率P的洪峰流量，m3/s；SP—頻率為P的暴雨雨力，mm/h；F—壩趾以上的匯水面積，km2；L—由壩趾至分水嶺的主河槽長度，km；m—匯流參數(shù)；J—主河槽的平均坡降；μ—產(chǎn)流歷時內(nèi)流域平均入滲率，mm/h；A、B、C、D—最大洪峰流量計算系(指)數(shù)；n—暴雨遞減指數(shù)，當τ≤1時，n=n1，當τ>1時，n=n2；τ—流域匯流歷時，h。

(2)

式中：H24P—頻率為P的24小時降雨量，mm。

(3)

(4)

式中：X，Y—計算系(指)數(shù)，根據(jù)n2查取；hR——歷時tR的主雨峰產(chǎn)生的逕流深，hR=hR24，mm。

hR24=a24H24P

(5)

式中：a24—歷時24小時的降雨逕流系數(shù)。

(6)

式中：tc——主雨峰產(chǎn)流歷時，h。

當tc>24，則：

(7)

(8)

2.2 水量平衡法調(diào)洪演算

針對中線法筑壩大型尾礦庫的調(diào)洪演算，可根據(jù)來水過程線和排水構(gòu)筑物的泄流量與尾礦庫的蓄水量關(guān)系曲線，通過水量平衡計算求出庫水位過程線，從而定出泄流量和調(diào)洪庫容。

尾礦庫內(nèi)任一時段△t的水量平衡方程式如下式所示。

式中：I1、Q1—時段初尾礦庫的入流量和出流量，m3/s；I2、Q2—時段末尾礦庫的入流量和出流量，m3/s；V1、V2—時段末尾礦庫的蓄水量，m3。

將上式改寫為：

(10)

3 德興銅礦4#尾礦庫應(yīng)用

3.1 德興銅礦4#尾礦庫基本情況

德興銅礦4#尾礦庫位于江西省德興市海口鎮(zhèn)杜村西源大溝內(nèi)，屬于山谷型尾礦庫。尾礦庫匯水面積為14.3 km2。尾礦庫設(shè)計最終堆積標高為280 m，總壩高208 m，總庫容8.35×108m3，有效庫容7.7×108m3，后期壩采用中線式筑壩工藝，目前為亞洲最大的尾礦庫。該尾礦庫在1991年投入使用，用來貯存大山選礦廠和泗洲選礦廠排出的尾礦，原設(shè)計等級為二等庫，2018年“頭頂庫”綜合治理后升級為一等庫。

3.2 排洪系統(tǒng)設(shè)置情況

排洪系統(tǒng)的設(shè)置對調(diào)洪過程具有重要的影響。德興銅礦4#尾礦庫由于庫區(qū)較大，排洪系統(tǒng)由兩條斜槽、一條支洞、一條主洞及隧洞出口的泄水槽組成。排洪斜槽設(shè)于隧洞進口處的山坡上，采用雙格鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每格寬1.0 m、高1.5 m，每格上面均設(shè)鋼筋混凝土蓋板，隨著尾礦庫內(nèi)水位的上升逐漸用蓋板封堵斜槽。其中，1號斜槽最低進水口底標高100.0 m，最高進水口底標高193.0 m，總長130 m。2號斜槽最低進水庫標高191.5 m，最高進水口底標高280 m，總長126 m。從高程布置上來看，1號和2號斜槽屬接力斜槽，為保障排水效果，兩個斜槽間重疊高度1.5 m，1號斜槽使用完畢后進行封堵，再使用2號斜槽。排水隧洞斷面為城門洞型B×H=2.0 m×2.5 m，即寬2.0 m、高2.5 m的城門洞形狀。

圖1 德興銅礦4#尾礦庫Fig.1 4# tailings pond in Dexing copper mine

3.3 調(diào)洪演算參數(shù)選取

德興銅礦4#尾礦庫上游匯水面積14.3 km2，主河槽長度5 km，主河槽平均坡度0.01。當前堆積壩標高280 m，現(xiàn)狀運行水位256 m，設(shè)計洪水標準為5 000年一遇。流域特征參數(shù)值詳見表1，設(shè)計暴雨參數(shù)值詳見表2，洪水計算參數(shù)詳見表3。

表1 德興銅礦4#尾礦庫的流域特征參數(shù)

表2 德興銅礦4#尾礦庫的設(shè)計暴雨參數(shù)Table 2 Rainstorm design parameters of 4# tailings pond in Dexing copper mine

表3 洪水計算參數(shù)表Table 3 Parameters of flood calculation

3.4 水位—庫容曲線

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)規(guī)定，尾礦庫的有效庫容和調(diào)洪庫容應(yīng)按尾礦不同坡度的沉積灘面和庫底地形分別計算確定。調(diào)洪庫容計算時，干灘坡度按坡比1∶200考慮。根據(jù)實測庫底地形獲得的德興銅礦4#尾礦庫的庫水位—庫容曲線詳見圖2。

圖2 德興銅礦4#尾礦庫的庫水位—庫容曲線Fig.2 Water level- capacity curve of 4# tailings pond in Dexing copper mine

3.5 泄流量取值

基于德興銅礦4#尾礦庫的排洪系統(tǒng)水工模型試驗獲得的排洪系統(tǒng)排水構(gòu)筑物泄流能力計算曲線見圖3。泄流過程大致分為自由泄流、半壓力流及壓力流三個過程，泄流量總體體現(xiàn)隨水位的升高而升高的規(guī)律。該曲線為本次調(diào)洪演算所采用的泄流量曲線，隨著洪水過程中水位的不斷升高，采用插值算法直接獲得各水位下的泄流量值。

圖3 德興銅礦4#尾礦庫的泄流量過程線Fig.3 Discharge process line of 4# tailings pond in Dexing copper mine

4 德興銅礦4#尾礦庫調(diào)洪演算結(jié)果分析

4.1 物模試驗法調(diào)洪演算結(jié)果分析

基于物模試驗法泄流量曲線情況下，德興銅礦4#尾礦庫調(diào)洪演算計算結(jié)果詳見圖4。根據(jù)計算結(jié)果可知，當起調(diào)數(shù)位為261.0 m時，一次靜態(tài)調(diào)洪過程中最高水位為262.18 m，最小安全超高為3.82 m，洪峰流量為286.9 m3/s，洪峰出現(xiàn)時間為調(diào)洪開始后的6小時29分55秒，計算最小干灘長度為763.83 m，滿足設(shè)計要求。

圖4 德興銅礦4#尾礦庫的調(diào)洪演算水位變化過程Fig.4 Water level changing process of 4# tailings pond in Dexing copper mine

4.2 理論計算法與物模試驗法結(jié)果對比

尾礦庫排水設(shè)施泄流量計算方法有兩種：經(jīng)驗公式法和物模試驗法。德興銅礦4#尾礦庫泄流量采用物模試驗法獲得，為了驗證兩種方法對調(diào)洪演算計算結(jié)果的影響，本文對兩種方法下調(diào)洪演算結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果詳見表4。

根據(jù)經(jīng)驗公式法和物模試驗法計算結(jié)果對比可知，采用經(jīng)驗公式法時，最大泄流量值僅為物模試驗的19.7%。由于泄流量的差異，導致尾礦庫在整個調(diào)洪過程中的最高水位、最高水位出現(xiàn)時間、時段末水位均不同。采用物模試驗法計算的最高水位比經(jīng)驗公式法低0.06 m，最高水位出現(xiàn)時間較經(jīng)驗公式法提前1.6 h，時段末水位較經(jīng)驗公式法低0.37 m。

表4 經(jīng)驗公式法與物模試驗法調(diào)洪結(jié)果對比表

根據(jù)計算結(jié)果可知，物模試驗法和經(jīng)驗公式法雖然泄流量差距較大，但在尾礦庫整個調(diào)洪過程中，最高水位的差異并不大，這與德興銅礦4#尾礦庫單位高差對應(yīng)的庫容值較大有關(guān)。

5 結(jié)論

本文以德興銅礦4#中線法筑壩大型尾礦庫為典型案例，針對尾礦庫在極端天氣下的調(diào)洪需求，采用公式推理法和水量平衡法，依據(jù)尾礦庫的實際運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，研究極端天氣下適合中線法筑壩大型尾礦庫的調(diào)洪算法，分別采用經(jīng)驗公式法和物模試驗法獲得下泄流量，主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)簡化推理公式法獲得了一次靜態(tài)調(diào)洪過程中的洪峰流量及出現(xiàn)時間、最高水位及出現(xiàn)時間，同時計算獲得了調(diào)洪過程中尾礦庫的最小干灘長度，為指導德興銅礦4#尾礦庫在遭遇極端天氣情況時快速制定安全度汛方案提供了理論依據(jù)。

2)采用物模試驗法和經(jīng)驗公式法分別計算泄流量的對比結(jié)果顯示，在尾礦庫整個調(diào)洪演算過程中，最高水位的差異不大，但出現(xiàn)時間和時段末水位差異較大?？傮w而言，采用經(jīng)驗公式法計算下泄流量時，最高水位出現(xiàn)時間晚于物模試驗法情況，且時段末水位高于物模試驗法。

3)中線法筑壩大型尾礦庫由于其特殊性，排洪系統(tǒng)復(fù)雜，建議采用物模試驗對排洪構(gòu)筑物的泄流能力進行校核，并對經(jīng)驗公式法的參數(shù)進行優(yōu)化，避免直接套用經(jīng)驗公式法而導致較大誤差。

4)本文方法可結(jié)合數(shù)值計算實現(xiàn)自動處理，從而定期為尾礦庫提供調(diào)洪演算服務(wù)，實現(xiàn)動態(tài)水情預(yù)警。