劉瀚和，余國平

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌330031）

楔形進水口在斜槽式排洪設(shè)施中的創(chuàng)新應(yīng)用

劉瀚和，余國平

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，南昌330031）

通過分析斜槽—管（或隧洞）排洪設(shè)施的水力學(xué)原理，創(chuàng)造性設(shè)置一個楔形進水口置于拱蓋板斜槽上，大大增加其自由泄流過流量，解決其因調(diào)洪水深小而泄流能力不足的問題。

楔形進水口；拱蓋板；尾礦庫

尾礦庫是堆存金屬非金屬礦山排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是礦山三大控制性工程之一［1－2］。國內(nèi)大多尾礦庫由初期壩、堆積壩、排洪設(shè)施等安全設(shè)施組成，其中排洪設(shè)施是尾礦庫的必要組成部分。有關(guān)統(tǒng)計資料顯示［3－4］，國內(nèi)尾礦庫病害事故中，我國有色金屬礦山因排洪設(shè)施失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦庫事故的50%。排洪設(shè)施設(shè)計的合理性關(guān)系到尾礦庫的防洪安全，影響到尾礦庫的安全穩(wěn)定與工程投資。

斜槽式排洪系統(tǒng)作為尾礦庫常見的排洪設(shè)施之一，主要應(yīng)用于泄洪流量不大的尾礦庫，其進水構(gòu)筑物為斜槽，泄水構(gòu)筑物為斜槽與涵管（或隧洞）。斜槽按蓋板類型區(qū)分為拱蓋板斜槽和平蓋板斜槽兩種。拱蓋板在結(jié)構(gòu)受力條件上比平蓋板好，而在小水頭情況下，拱蓋板斜槽的泄流能力卻不如平蓋板斜槽［5］。為了解決拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)在小水頭時泄流量小的問題，筆者從斜槽式排洪系統(tǒng)的泄流計算原理進行分析，創(chuàng)造性地設(shè)計了一種楔形進水口，解決了該問題。

1 計算原理

斜槽式排洪系統(tǒng)泄流形態(tài)隨著庫水位的上升有自由泄流、半壓力流、壓力流三種不同的泄流形態(tài)。其泄流量計算原理及公式詳見《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》［5－6］。

2 方案提出

筆者分析，影響斜槽式排洪系統(tǒng)自由泄流能力的主要為過水?dāng)嗝婷娣e。傳統(tǒng)的斜槽式排洪系統(tǒng)過流斷面為三角形，筆者在蓋板前端增設(shè)楔形進水口（見圖1），將其過水?dāng)嗝娓脑鞛榫?，從而能充分利用尾礦庫水頭，使泄流能力大大提高。

圖1 楔形進水口示意圖Fig.1 Diagram of wedged water inlet

改造后的井式進水口過流斷面為橢圓形加梯形堰。根據(jù)幾何計算可知，其過橢圓面周長c為：

式中：r—拱蓋板內(nèi)徑，m；h′—拱蓋板的厚度，m；β—斜槽槽身與水平面坡角。

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》，楔形進水口拱蓋板斜槽排洪系統(tǒng)的自由溢流流量Qz計算公式為：

式中：m1—堰流量系數(shù)；c—橢圓面周長，m；Ht—自由泄流水頭，m；β—斜槽槽身與水平面坡角。

3 工程實例

筆者設(shè)計的江西某尾礦庫初期壩頂高程130.0 m，堆積壩頂高程185.0m，總壩高84.0m，對應(yīng)總庫容411.60×104m3，尾礦庫為三等庫［7］。尾礦庫匯水面積0.34km2，設(shè)計洪峰流量為4.13m3/s，一次洪水總量為9.11×104m3。

尾礦庫排洪系統(tǒng)型式采用斜槽式排洪系統(tǒng)。排水斜槽凈寬×凈高＝1.2m×1.2m，平蓋板型式，蓋板高度0.2m。斜槽坡度隨地形而變：高程126.0～142.9m為0.294；高程142.9～185.0m為0.587。排洪隧洞凈寬×凈高＝1.5m×1.8m，城門洞型，縱坡0.8%。

筆者根據(jù)前述水力學(xué)計算原理，對該排洪系統(tǒng)的實際泄流能力進行了計算，其部分計算結(jié)果見表1。結(jié)果表明，在壩頂高程180～185m段，該套排洪系統(tǒng)實際泄流能力不能滿足設(shè)計排洪要求。

由于平蓋板結(jié)構(gòu)受力情況較差，在高尾礦庫中較容易出事故，故筆者將其改為拱蓋板，經(jīng)計算，拱蓋板斜槽排洪系統(tǒng)的泄流能力在壩頂高程175～185m段均不能滿足泄洪要求，其部分計算結(jié)果見表2。

筆者按照前述對進水口進行改造，即增加楔形進水口，經(jīng)計算，整套排洪系統(tǒng)滿足泄洪要求，其部分計算結(jié)果見表3。

表1 平蓋板斜槽泄流能力驗算結(jié)果Table 1 Flow capacity calculations of chute with plat plates

表2 拱蓋板斜槽泄流能力驗算結(jié)果Table 2 Flow capacity calculations of chute with arch plates

表3 楔形進水口拱蓋板斜槽泄流能力驗算結(jié)果Table 3 Flow capacity calculations of chute with arch plates and wedged water inlet

4 案例分析

為能表明平蓋板、拱蓋板、增加楔形進水口的拱蓋板三種進水口類型的斜槽式排洪系統(tǒng)的過流情況，筆者針對案例尾礦庫的壩頂高程185m時的排洪系統(tǒng)水頭—泄流量關(guān)系進行計算，其結(jié)果詳見圖2。

通過圖2，并結(jié)合所舉案例，筆者得出以下幾點結(jié)論：

1）自由泄流情況下，傳統(tǒng)的拱蓋板斜槽比平蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)的泄流能力小得較多，這是因為平蓋板斜槽的自由泄流過流斷面為梯形，較拱蓋板斜槽的三角形過流斷面面積大。

圖2 不同蓋板排洪系統(tǒng)的水頭—泄流量關(guān)系曲線Fig.2 Water head－flow capacity curve of flood drainage system with different plates

2）相比傳統(tǒng)拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)，增加楔形進水口的拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)在自由泄流情況下泄流能力大大增加，且在較小的水頭情況進入半壓力流。況，還是在半壓力流情況，過流能力都較大。究其原因，是后者的過流斷面較大。自由泄流情況，后者的過流斷面比前者增加了一個橢圓形的堰口；半壓力流情況，斜槽式排洪系統(tǒng)過流斷面受斜槽與蓋板合體的斷面面積控制，后者比前者大。

5 結(jié)論

通過在傳統(tǒng)的拱蓋板斜槽式排洪系統(tǒng)進口增加楔形進水口，可達到以下效果：

1）大大改善進水口的泄流條件，能更大限度地泄流，從而為尾礦庫的排洪安全增加一份保障。

2）在調(diào)洪過程中，能更快使排洪系統(tǒng)的泄流形態(tài)進入到半壓力流，從而充分利用斜槽斷面，達到物盡其用。

3）在一些調(diào)洪水深較小的尾礦庫中應(yīng)用該系統(tǒng)可以解決澄清距離與排洪的矛盾，從而能更好地利用尾礦庫地形，增加尾礦庫庫容，為礦山減少尾礦堆存成本。

［1］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），2002，54（4）：44－45.

［2］鄧書申.尾礦庫排洪系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化方法［J］.金屬礦山，2014（2）：146－149.

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

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

［5］劉瀚和，余國平.尾礦庫斜槽式排洪系統(tǒng)泄流能力探討［J］.金屬礦山，2012（3）：131－133.

［6］《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980：319－340.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2013：25－28.

Innovative application of wedged water inlet on chute flood drainage facilities

LIU Hanhe，YU Guoping
（China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang 330031，China）

Through analyzing the hydraulic principle of chute－pipe（or tunnel）flood drainage facilities，a wedged water inlet is creatively designed to be placed on the chute with arch plate，with which the flow capacity increases significantly，and the problem of its inadequate flow capacity with low flood regulation water head is solved.

wedged water inlet；arch plate；tailings pond

TD442

Α

1671－4172（2015）02－0088－03

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.020

“贛鄱英才555工程”領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計劃項目（贛財行指［2012］165號）

劉瀚和（1985－），男，工程師，碩士，水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，主要從事尾礦設(shè)施、工（礦）業(yè)固體廢物貯存與處置堆場的設(shè)計與研究工作。