李宗偉，陸宗健，高宏遠(yuǎn)，韓 雪

(1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012； 2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，長春 130012；3.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021)

0 引言

尾礦庫作為礦山生產(chǎn)的重要組成部分，一般由初期壩、堆積壩、排水系統(tǒng)等組成[1]。據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)尾礦庫事故是由于排水系統(tǒng)出現(xiàn)問題造成的，所占比例約達(dá)60%[2]。所以，尾礦庫排水系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，關(guān)系到尾礦庫的安全，需要引起重視。

1 泄流能力計(jì)算原理

該尾礦庫泄流能力的計(jì)算依據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》[3]提供的經(jīng)驗(yàn)公式。

1.1 自由泄流

1)水位未淹沒框架圈梁時(shí)

(1)

2)水位淹沒框架圈梁時(shí)

(2)

式中：na為同一橫斷面上排水口的個(gè)數(shù)；m為堰流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；ba為一個(gè)排水口的寬度(m)；Hy為溢流堰泄流水頭(m)；ωc為一個(gè)排水窗口的面(m2)；Hi為第i層全淹沒工作窗口的泄流計(jì)算水頭(m)；H0為最上層未淹沒工作窗口的泄流水頭(m)。

1.2 水位淹沒井口的孔口泄流

(3)

式中：φ為此時(shí)井口淹沒系數(shù)；ωs為井筒水流收縮斷面面積(m2)；Hj為井口泄流水頭(m)。

1.3 半壓力流

(4)

式中：φ為此時(shí)排水管進(jìn)口淹沒系數(shù)；Fs為排水管入口水流收縮面積(m2)；H為計(jì)算水頭(m)。

1.4 壓力流

(5)

式中：μ為排水管出口斷面淹沒系數(shù)；Fx為排水管下游出口斷面面積(m2)；Hz為計(jì)算水頭(m)。

2 調(diào)洪演算

對(duì)于一般的調(diào)洪演算，可以采用水量平衡計(jì)算，尾礦庫內(nèi)任一時(shí)段Δt的水量平衡方程式如式(6)：

(6)

式中：Q1、Q2為時(shí)段始、終尾礦庫的來洪流量，m3/s；q1、q2為時(shí)段始、終尾礦庫的下泄流量，m3/s；V1、V2為時(shí)段始、終尾礦庫的蓄洪量，m3。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某公司擬建的尾礦庫，等級(jí)為二等，初期壩址處最低高程為495.00 m，主溝谷嶺頂最大高程為937.70 m，相對(duì)高差442.70 m。初期壩以上主溝谷全長3.70 km，初期壩址以上溝底坡度約為7.4%。新建尾礦庫尾礦壩總堆高143.00 m，總庫容4 523.29×104m3。尾礦庫的排水系統(tǒng)采用5座排水井接5座排水豎井接5座排水隧洞的布置形式，其中排水井為框架式，井徑為3.5 m，排水豎井的尺寸為3 m，排水隧洞為圓拱直墻式，尺寸為2.2 m×2.2 m。

3.2 洪水計(jì)算

尾礦庫各使用期的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)使用期庫的等別、庫容、壩高、使用年限及對(duì)下游可能造成的危害程度等因素確定[4]。根據(jù)規(guī)范，將該尾礦庫分為4期，由提供的尾礦庫匯水面積、溝谷長度、平均坡降等資料，采用簡化推理公式及《吉林省小水庫簡易算水賬方法》分別計(jì)算出各使用期不同洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量及洪水總量，通過兩種洪水計(jì)算方法綜合比較，最終采用簡化推理公式法進(jìn)行洪水計(jì)算。成果見表1。

表1 庫區(qū)洪峰和洪量計(jì)算成果

通過概化多峰三角形法推求的防洪標(biāo)準(zhǔn)為0.5%，0.2%，0.1%的洪水過程線，如圖1所示。

圖1 單位線法計(jì)算所得的洪水過程線

3.3 泄流能力理論計(jì)算

該尾礦庫排水設(shè)施設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，布置形式為排水井接排水豎井接排水隧洞。根據(jù)規(guī)范，對(duì)該尾礦庫進(jìn)行分期使用。初期采用200 a一遇的洪水的防洪標(biāo)準(zhǔn)，壩頂標(biāo)高545 m，壩高43 m，4等庫，由1#排水井泄洪；中前期采用500 a一遇的洪水，壩頂標(biāo)高562 m，3等庫，由2#排水井泄洪；中后期和后期采用1 000 a一遇的洪水，壩頂標(biāo)高分別為602 m、645 m，尾礦庫的等別均為2等庫，泄洪的進(jìn)水口為3#和5#排水井[5]。對(duì)各期庫不同標(biāo)高下的排水構(gòu)筑物進(jìn)行泄流能力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2。

(a)標(biāo)高545 m

3.4 調(diào)洪計(jì)算

根據(jù)尾礦庫區(qū)地形圖所得到的各運(yùn)行期調(diào)洪庫容，結(jié)合泄流曲線(圖2)和洪水過程線所得到調(diào)洪演算的成果見表2。

表2 調(diào)洪演算成果

從表2可以看出，尾礦庫在各運(yùn)行期的壩頂標(biāo)高下，汛期最小干灘長度和安全超高均符合規(guī)范的要求，且隨著壩體的升高最小干灘長度和最小安全超高越大，由此可知，尾礦庫排水構(gòu)筑物的泄洪能力是滿足要求的。

3.5 排水系統(tǒng)泄流能力試驗(yàn)

現(xiàn)行的AQ2006—2005《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[6]，尾礦庫排水構(gòu)筑物的形式及尺寸應(yīng)根據(jù)水力計(jì)算及調(diào)洪演算確定，但對(duì)一、二等尾礦庫及特別復(fù)雜的排水構(gòu)筑物，還應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證[7]。因此，對(duì)該尾礦庫的排水設(shè)施進(jìn)行了水力學(xué)模型試驗(yàn)，來進(jìn)一步對(duì)它的排水構(gòu)筑物的安全作出評(píng)價(jià)。

3.5.1 泄流情況

本次試驗(yàn)，根據(jù)SL 155—2012《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，選用正態(tài)、整體模型，并用有機(jī)玻璃制作排水井及排水洞。試驗(yàn)設(shè)置了4種工況，每種工況模擬了尾礦庫不同運(yùn)行期下的泄洪情況(如圖3所示)。

從調(diào)洪演算(表2)的結(jié)果可知，后期運(yùn)行時(shí)，最大下泄流量為17.25 m3/s，結(jié)合對(duì)試驗(yàn)的流態(tài)觀察，堰上水頭<1 m時(shí)，排水系統(tǒng)處于無壓狀態(tài)的結(jié)論?？芍潘O(shè)施基本處于無壓泄流工作，從而能保證排水設(shè)施的長期使用[9]。

3.5.2 壓力量測

本實(shí)驗(yàn)還對(duì)排水井的底部、排水支洞的中間部位、排水主洞和排水支洞交接處下游等地方進(jìn)行了壓力測試。結(jié)果表明：對(duì)于每一組排水設(shè)施來說，當(dāng)處于有壓泄流時(shí)，排水支洞測壓管壓力為正值，排水主洞上測壓管出現(xiàn)負(fù)壓，并伴有氣泡產(chǎn)生；排水豎井底部壓力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，以防對(duì)排水豎井的正常工作產(chǎn)生不利影響。

(a)標(biāo)高545 m

4 結(jié)論

通過對(duì)尾礦庫排水系統(tǒng)的調(diào)洪演算和模型試驗(yàn)的結(jié)果分析可知：

1)尾礦庫在各運(yùn)行期的壩高下，汛期最小干灘長度和安全超高能滿足規(guī)范的要求，并且隨著壩高的增加而增大。說明尾礦庫各運(yùn)行期的排水構(gòu)筑物的泄洪是滿足要求的。

2)在尾礦庫后期運(yùn)行中，尾礦庫基本處于無壓狀態(tài)下泄流，從而能保證排水設(shè)施的長期使用。

3)從壓力測試得知，各運(yùn)行的排水豎井底部壓力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)此予以重視，以防對(duì)排水豎井的正常工作產(chǎn)生不利影響。