尾礦庫調(diào)洪演算及下游河道合成流量計(jì)算

胡 岑

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司,沈陽 110003)

1 概 況

某流域內(nèi)有本溪鋼鐵集團(tuán)公司南芬選礦廠大型尾礦庫一座,天慧礦業(yè)小型尾礦池一座,對(duì)流域內(nèi)的降雨和徑流有一定的影響, 南芬選礦廠是本鋼主要的鐵精礦供應(yīng)基地。經(jīng)過多次改擴(kuò)建,已形成年產(chǎn)原礦1000萬t的生產(chǎn)能力。南芬選礦廠原使用的小廟兒溝尾礦庫系1969年投產(chǎn)使用,現(xiàn)已閉庫。為了確保南芬選礦廠的正常生產(chǎn)和尾礦排放,自20世紀(jì)80年代就開始進(jìn)行本鋼南芬選礦廠二期尾礦庫的選址和設(shè)計(jì)工作。新尾礦庫庫址選定在距選礦廠西南4.5 km處的徐家河流域內(nèi)。

2 尾礦庫調(diào)洪演算

2.1 調(diào)洪庫容

野外調(diào)查中,在尾礦庫庫區(qū)布置了202個(gè)控制點(diǎn),根據(jù)各經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程及水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際測量對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)分析,采用MATLAB軟件建立了三維模型,然后,根據(jù)各水位形成的平面切割模型可得到相應(yīng)的洪水調(diào)節(jié)庫容,詳見表1。

表1 尾礦庫現(xiàn)狀調(diào)洪庫容

2.2 排水構(gòu)筑物泄流能力

尾礦庫排水構(gòu)筑物主要由排洪井、豎井、排洪隧洞、盲井組成,整個(gè)排水系統(tǒng)的排水量由以上四部分的最小泄洪能力決定,在低工況下,排洪井的泄洪能力起主導(dǎo)作用,隨著水庫水位的升高,盲井的泄洪能力起主導(dǎo)作用。因此,在計(jì)算排洪系統(tǒng)的泄洪能力時(shí),應(yīng)分別計(jì)算排洪井和盲井的最大泄洪能力[1-2]。

目前只有尾礦庫僅4#排洪井在正常工作,4#排洪井為框架型,塔高為32m,內(nèi)徑為4m。連接的豎井內(nèi)徑為2.5m,進(jìn)水標(biāo)高為316.0m。其計(jì)算公式為:

(1)

式中:Qm為最大泄量,m3/s;Mw為綜合流量系數(shù);B為環(huán)形堰總寬(寬度為8m);Hw為進(jìn)水水頭,m。其計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 4#排洪塔泄流能力計(jì)算結(jié)果表

尾礦庫防汛排水系統(tǒng)在中、高工況下由盲井控制,因此盲井最大流量需單獨(dú)計(jì)算[3-5]。盲井是連接尾礦庫新舊泄洪隧洞的通道。它是圓形管狀的,長為30 m,內(nèi)徑為2.5 m,垂直于地面。其流量計(jì)算公式為:

(2)

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

其計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 盲豎井泄流能力計(jì)算結(jié)果表

當(dāng)水庫水位<318m時(shí),尾礦庫的排水量采用排洪塔的最大排水量。當(dāng)水庫水位>318m時(shí),尾礦庫排水量采用盲井最大排水量。另外,庫區(qū)有一個(gè)回水塔,排水量為2m3/s,需考慮總排水量?？傂沽髂芰υ斠姳?。

表4 尾礦庫排洪系統(tǒng)泄流能力成果表

2.3 調(diào)洪計(jì)算

根據(jù)洪水排水系統(tǒng)的布局,洪水調(diào)節(jié)計(jì)算根據(jù)上述計(jì)算公式進(jìn)行。在啟動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)水位314.3m和溢洪道塔的流入水位316.00m。計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)設(shè)計(jì)洪水為500a一遇時(shí),由于防洪水庫的承載力相對(duì)不足,發(fā)生了洪水溢出。當(dāng)設(shè)計(jì)洪水為200a一遇防洪時(shí),根據(jù)回水系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況,尾礦庫可滿足設(shè)計(jì)洪水200a一遇防洪的要求。計(jì)算結(jié)果見表5,表6。

表5 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果表

表6 尾礦庫200a一遇設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算參數(shù)表

2.4 與原設(shè)計(jì)比較

根據(jù)不同等級(jí)的尾礦庫,按有關(guān)技術(shù)規(guī)程確定尾礦庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)。原初步設(shè)計(jì)確定尾礦庫為二級(jí),為500a一遇的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn),由于原設(shè)計(jì)中排洪系統(tǒng)存在安全隱患,本鋼委托中鋼北方工程有限公司進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(二次)。目前,原設(shè)計(jì)的1-3#排洪塔由于尾砂堆積的影響,已無法正常工作。目前,只有4#泄洪塔運(yùn)行正常。

在原設(shè)計(jì)中,泄洪洞(4.6×4.8m)的終點(diǎn)位于3號(hào)泄洪塔。優(yōu)化設(shè)計(jì)中提出的擴(kuò)建泄洪洞(2.4×2.6m)位于原泄洪洞延長線上方,通過深為30m、內(nèi)徑為2.5m的盲井與之相連。這樣,泄洪系統(tǒng)的泄洪能力就不再依賴于兩個(gè)泄洪隧洞的泄洪能力。也就是說,盲井的排洪能力已經(jīng)成為尾礦庫排洪能力的瓶頸。

原設(shè)計(jì)中提到:“在計(jì)算沉積坡灘時(shí)按實(shí)際測量的0.5%計(jì)算,水下沉積坡灘按10%計(jì)算”,在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn),沉積坡灘的實(shí)際調(diào)洪能力平均為0.4%,這可以使原蓄洪設(shè)計(jì)的調(diào)洪能力大于實(shí)際,尾礦設(shè)計(jì)的防洪能力與實(shí)際的防洪能力存在偏差。見表7。

表7 尾礦庫調(diào)洪計(jì)算結(jié)果比較表

如果尾礦水庫滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)每隔500a一遇, 所需蓄洪能力比現(xiàn)有最大蓄洪能力增加704萬m3,也大于639萬m3的原始設(shè)計(jì)。由于原設(shè)計(jì)中未提供尾礦庫排水系統(tǒng)的泄流曲線,因此無法確定是否與文章采用的泄流曲線一致。因此,我們判斷,沒有考慮盲井的最大排水量,也是原設(shè)計(jì)尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)與本次設(shè)計(jì)尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不一致的原因之一。

由上述計(jì)算可知,當(dāng)現(xiàn)有堆高為320.2m,設(shè)計(jì)洪水為500 a一遇時(shí),調(diào)洪能力不足,水庫水位已超過壩高(即溢流)。在目前的條件下,尾礦庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)還沒有達(dá)到500a一遇的水平。設(shè)計(jì)洪水200a一遇,在保證回水系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下,尾礦庫可以滿足防洪要求。結(jié)果表明,該尾礦庫目前的防洪能力為200a一遇[6-7]。

3 安全調(diào)度方案

根據(jù)暴雨洪水分析、洪水調(diào)節(jié)計(jì)算不同頻率下,確定安全生產(chǎn)調(diào)度方案,見表8。

4 合成流量計(jì)算

4.1 下游河道水文計(jì)算

根據(jù)流域內(nèi)河流的形態(tài)和居民的生活條件,在河流控制不變的情況下,經(jīng)過認(rèn)真調(diào)查,選擇控制斷面11個(gè),縱斷面1個(gè),位于礦水庫壩址下5.83km范圍內(nèi),針對(duì)所布設(shè)的斷面分別進(jìn)行水文計(jì)算,計(jì)算其不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量,見表9。

表9 不同頻率各斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果

4.2 下游河道合成流量計(jì)算

徐家河流域的防洪目標(biāo)是河流兩岸的居民,因此水位是第一判別參數(shù)。而對(duì)設(shè)計(jì)洪水過程沒有要求,其合成流量為不同頻率段的最大流量與相應(yīng)頻率的尾礦庫的最大流量之和,見表10。

表10 各斷面不同頻率合成流量成果表

5 結(jié) 語

尾礦庫事故大多是防洪能力不足造成的, 即防洪庫容不足或泄洪構(gòu)筑物泄洪能力不足。使得洪水水位超過了最高水位,導(dǎo)致副壩倒塌,因此,對(duì)尾礦庫進(jìn)行防洪計(jì)算就顯得非常重要。改善大壩以增加蓄洪能力,上游建壩增加排洪能力是解決尾礦庫防洪能力不足的重要途徑。