閆 鵬

(化工部長沙設(shè)計研究院)

尾礦庫明渠排洪系統(tǒng)調(diào)洪演算方法

閆 鵬

(化工部長沙設(shè)計研究院)

在尾礦庫閉庫治理、截洪型新建尾礦庫工程中，明渠作為排洪系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。排洪系統(tǒng)是尾礦庫的重要構(gòu)筑物，直接關(guān)系到尾礦庫工程的經(jīng)濟(jì)與安全。目前，明渠應(yīng)用存在的問題：設(shè)計流量直接按洪峰流量計算，造成明渠設(shè)計斷面偏大；明渠緩流狀態(tài)時未考慮淹沒系數(shù)對流量的影響，存在防洪安全隱患；明渠急流狀態(tài)未設(shè)置過渡段，致使斷面設(shè)計偏大。針對以上問題，利用臨界底坡將明渠進(jìn)口的流態(tài)分為自由出流、淹沒出流，給出了矩形斷面進(jìn)口自由出流狀態(tài)下的臨界水深、臨界流速、臨界底坡的計算公式；根據(jù)明渠進(jìn)口的流態(tài)，分別給出了明渠緩流、急流泄流關(guān)系的計算步驟；根據(jù)區(qū)域洪水過程線、調(diào)蓄庫容曲線及泄流關(guān)系曲線，進(jìn)行了尾礦庫調(diào)洪驗算。

尾礦庫 明渠 排洪系統(tǒng) 調(diào)洪演算 臨界底坡

尾礦庫是貯存金屬非金屬尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是礦山三大控制性工程之一[1-2]。一般情況下，尾礦庫由初期壩、堆積壩、排洪系統(tǒng)等安全設(shè)施組成。其中排洪系統(tǒng)是尾礦庫安全設(shè)施的重要組成部分，其泄流能力關(guān)系到尾礦庫的防洪安全。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示[3-4]，國內(nèi)尾礦庫病害事故中，排洪系統(tǒng)的病害事故占33.3%，洪水漫頂占44.4%[3]，我國有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦庫事故的50%。

尾礦庫調(diào)洪驗算是根據(jù)相應(yīng)等別、相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的尾礦庫洪水過程線、尾礦庫的調(diào)蓄庫容曲線，驗算設(shè)計排洪系統(tǒng)的排洪能力能否滿足規(guī)程規(guī)范對尾礦庫最小安全超高、最小干灘長度的要求。

明渠作為排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的一種，在尾礦庫工程中應(yīng)用較為廣泛。對于停止使用、需要整改閉庫的尾礦庫，或匯水面積較大，需要截洪的尾礦庫，線路兩側(cè)沒有不良地質(zhì)作用如滑坡、泥石流等的情況下，采用明渠作為排洪形式具有較大的優(yōu)勢：明渠受力要求不高；易于檢修和維護(hù)，相對排水管、排水隧洞造價低，施工方便。

目前明渠應(yīng)用存在以下幾個問題：未進(jìn)行調(diào)洪驗算，明渠的設(shè)計流量直接按洪峰流量計算，造成設(shè)計斷面偏大；緩流狀態(tài)時未考慮淹沒系數(shù)對流量的影響，造成明渠防洪存在隱患；急流狀態(tài)未設(shè)置合理過渡段，造成明渠斷面設(shè)計偏大。

為此，利用臨界底坡將明渠進(jìn)口的流態(tài)分為自由出流、淹沒出流兩種。根據(jù)明渠進(jìn)口的流態(tài)、斷面、坡度等進(jìn)行泄流關(guān)系計算；根據(jù)區(qū)域洪水過程線、調(diào)蓄庫容曲線及泄流關(guān)系曲線，進(jìn)行尾礦庫調(diào)洪驗算，以期達(dá)到防洪能力滿足規(guī)范要求、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

1 水流流態(tài)

根據(jù)水力學(xué)中的微波實驗[5]，當(dāng)水流斷面平均流速大于微波相對波速時，水流為急流，干擾波不能向上游傳播；當(dāng)水流斷面平均流速等于微波相對波速時，水流為臨界流，干擾波不能向上游傳播；當(dāng)水流斷面平均流速小于微波相對流速時，干擾波能向上游傳播。

1.1 進(jìn)水口流態(tài)

根據(jù)明渠進(jìn)口上游河溝的底坡、斷面，明渠的泄流形式分為以下4種：

iu>iuk，i>ik時，水流上游為急流，明渠內(nèi)為急流，從急流到急流，不經(jīng)過臨界水深；

iu>iuk，i

iu

iuik時，水流上游為緩流，明渠內(nèi)為急流，從緩流到急流，經(jīng)過臨界水深，

1.2 臨界底坡

在棱柱形渠道中，斷面形狀尺寸和流量一定時，若水流的水深恰好等于臨界水深，則此渠道坡度稱為臨界底坡。臨界底坡的計算[6]：

(1)

由明渠均勻流的公式可知，流量一定時，明渠均勻流坡度越大，水深越小;坡度越小，水深越大。

式中,h為明渠均勻流正常水深，m，hk為明渠臨界水深，m；Vw為微波流速，m/s；Vk為臨界流速，m/s。

無底坎堰流的計算式[7]：

(2)

臨界水深的計算式：

(3)

取α=1.0，根據(jù)式(2)、式(3)，得出臨界水深、臨界流速、臨界底坡的計算式:

hk=H0μ2/3;

(4)

(5)

(6)

1.3 自由出流泄流關(guān)系曲線

當(dāng)i≥ik時，明渠流態(tài)為急流，此時干擾波向下游傳播，明渠進(jìn)水口處堰流為無底坎自由出流。自由出流時，無底坎堰流計算為式(2)，式中淹沒系數(shù)σs為1.0。

根據(jù)明渠進(jìn)口的形狀、明渠與上游水面寬度的比值，查無底坎堰流流量系數(shù)表，取m值。

自由出流的無底坎堰流，給定上游總水頭H0，按式(2)直接計算流量Q。

當(dāng)忽略上游水流的行進(jìn)流速時，上游總水頭H0與流量Q可以形成泄流關(guān)系曲線。

1.4 淹沒出流泄流關(guān)系曲線

當(dāng)i

寬頂堰的淹沒系數(shù)σs根據(jù)淹沒度(hs/H0，hs為下游正常水深，m)查表取值。

2 調(diào)洪演算

根據(jù)既定的排洪系統(tǒng)確定所需的調(diào)洪庫容與泄流流量。調(diào)洪演算的基本原理就是水量平衡方程[8]：

(7)

式中，Δt為庫內(nèi)任一時段，s；Qs、Qz分別為時段Δt始、終尾礦庫的來洪流量，m3/s；qs、qz分別為時段Δt始、終尾礦庫的泄洪流量，m3/s；Vs、Vz分別為時段Δt始、終尾礦庫的蓄洪量，m3。

根據(jù)全庫容和壩高，可以將尾礦庫分為五等[9]，如表1所示。不同等級的尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。構(gòu)筑物的等級根據(jù)尾礦庫的等別劃分為5級，如表3所示，尾礦壩是尾礦庫的主要構(gòu)筑物，其級別與等別一致，每個級別尾礦壩的最小安全超高、最小灘長[10]的要求見表4所示。

表1 尾礦庫等別

3 算 例

某尾礦庫采用上游法筑壩，等別為五等，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，尾礦沉積灘坡度為1%，庫區(qū)內(nèi)洪水過程線見表5所示，調(diào)蓄庫容表見表6所示，排洪系統(tǒng)采用排洪明渠。尾礦庫壩頂標(biāo)高為745.0m，最低進(jìn)水口標(biāo)高為742.0m，出口標(biāo)高為738.0m，線路長度為185m，設(shè)計該明渠斷面，并進(jìn)行防洪安全分析。

表2 尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)

注：初期指尾礦庫啟用后的頭3～5a。

表3 尾礦庫構(gòu)筑物級別

表4 上游式尾礦壩的最小安全超高與最小灘長

表5 洪水過程線

表6 調(diào)蓄庫容關(guān)系

(1)首先假定明渠進(jìn)口為無底坎堰流自由出流。設(shè)計明渠為混凝土結(jié)構(gòu)，糙率系數(shù)n=0.016，進(jìn)口為矩形直角，寬度3 m，按照無底坎堰流自由出流計算公式，忽略行進(jìn)水頭，計算的泄流關(guān)系見表7所示。

(2)根據(jù)庫區(qū)洪水過程線、調(diào)蓄庫容關(guān)系曲線、泄流關(guān)系曲線進(jìn)行調(diào)洪驗算，結(jié)果見表8所示。

表7 泄流關(guān)系

表8 調(diào)洪驗算結(jié)果

從表8可以看出，尾礦庫的安全超高為0.46 m，干灘長度為46 m，可以滿足規(guī)程規(guī)范對五等庫的防洪要求。最高洪水位為744.54 m，調(diào)洪水深為2.54 m，最大下泄流量為18.86 m3/s。

(3)根據(jù)調(diào)洪水深、進(jìn)口寬度，按式(4)計算渠道的臨界水深為1.591 m，按式(5)計算渠道的臨界流速為3.713 m/s，按式(6)計算渠道的臨界底坡為1.177%。

(4)明渠進(jìn)、出口之間的高差為4 m，長度為185 m，故實際坡降為2.162%，大于臨界底坡，其流態(tài)為急流，進(jìn)口為自由出流，假定正確。

(5)明渠斷面優(yōu)化設(shè)計。明渠底寬為2.0 m，主排水段的平均坡度為0.017。根據(jù)最大下泄流量18.86 m3/s，計算明渠正常水深為1.6 m，流速為5.9 m/s。

(6)過渡段設(shè)計與計算。過渡段上游的水深取臨界水深、寬度取進(jìn)水寬度，下游水深取明渠正常水深、寬度取明渠底寬。根據(jù)實際地形，過渡段的平均坡度取0.08，按明渠恒定非均勻流的公式計算，當(dāng)過渡段的末端流速與明渠流速相等時，過渡段的長度為13.82 m。

明渠進(jìn)口過水?dāng)嗝鏋?.0 m×1.69 m，過渡段上游過水?dāng)嗝鏋?.0 m×1.69 m，末端過水?dāng)嗝鏋?.0 m×1.6 m，平均坡度為8%；明渠過水?dāng)嗝鏋?.0 m×1.6 m，平均坡度為0.017。

4 結(jié) 論

在尾礦庫工程中，采用明渠作為排洪系統(tǒng)時，需要判斷明渠進(jìn)口的流態(tài)是自由出流還是淹沒出流。明渠進(jìn)口為自由出流時，可以通過無底坎堰流自由出流公式計算出泄流關(guān)系曲線；明渠進(jìn)口為淹沒出流時，需要考慮明渠的正常水深，試算后得出明渠泄流關(guān)系曲線；當(dāng)明渠進(jìn)口為自由出流，且實際坡度較大時，可以通過設(shè)置過渡段，優(yōu)化明渠斷面。

[1] 唐 猛,鄧書申.主溝槽長度計算方法對尾礦庫防洪安全的影響分析[J].安全與環(huán)境工程,2009,16(2):93-94.

[2] 魏作安,尹光志,沈樓燕,等.探討尾礦庫設(shè)計領(lǐng)域中存在的問題[J].有色金屬：礦山部分,2002(4):44-45.

[3] 彭承英.尾礦庫事故及預(yù)防措施[J].有色礦山,1969(5)：38-40.

[4] 徐宏達(dá).我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計分析[J].工業(yè)建筑,2001(1)：69-71.

[5] 吳持恭.水力學(xué)[M].北京.高等教育出版社,1982.

[6] 水工設(shè)計手冊編委會.水工設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2011.

[7] 李煒主.水力計算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

[8] 邰自安,孫景敏,馮煜彪，等.某尾礦庫排水系統(tǒng)防洪能力驗算及評價[J].現(xiàn)代礦業(yè),2011(8):136-137.

[9] 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB 50863—2013 尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[10] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 2006—2005 尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

Flood Regulating Calculation Algorithm of Open Channel Drainage System of Tailing Ponds

Yan Peng

(Changsha Design Research Institute,Ministry of Chemcial Industry)

In the closed treatment of tailing ponds and the intercepting flood type new tailing pond project, open channel has been widely applied as drainage system. Drainage system is an important structure of tailing pond, it is directly related to economic and security engineering of tailing pond. At present, there are several problems of the application of open channel are existed: flood regulating calculation is not conducted, design of open channel flow is directly calculated by peak flow, resulting in open channel cross-section design is too large; the influence of the submerged coefficient flow is not considered in channel slow state, so, flood control safety hazards are existed; the transition section is not set in channel rapids state, resulting in the design of cross section is too large. In view of the above problems, the flow of imports of open channel is divided into free flow submerged discharge flow by using the critical bottom slope. The calculation formulas of critical depth, critical flow velocity and critical bottom slope are given under the state of rectangular import free flow. According to the flow state of the imports of open channel, the calculation steps of the discharge relationship between slow flow and jet flow are given respectively. The flood regulating calculation is conducted based on the regional flood process line, storage capacity curve and discharge curve of tailings.

Tailing pond, Open channel, Drainage system, Flood regulating calculation, Critical bottom slope

2015-04-30)

閆 鵬(1981—)，女，410117 湖南省長沙市雨花區(qū)洞井鋪洞株路6號。