某尾礦庫排水系統(tǒng)的安全評價

李宗偉，陸宗健，高宏遠，韓 雪

(1.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，長春 130012； 2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，長春 130012；3.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，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60%[2]。所以，尾礦庫排水系統(tǒng)能否正常運行，關系到尾礦庫的安全，需要引起重視。

1 泄流能力計算原理

該尾礦庫泄流能力的計算依據(jù)《尾礦設施設計參考資料》[3]提供的經(jīng)驗公式。

1.1 自由泄流

1)水位未淹沒框架圈梁時

(1)

2)水位淹沒框架圈梁時

(2)

式中：na為同一橫斷面上排水口的個數(shù)；m為堰流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；ba為一個排水口的寬度(m)；Hy為溢流堰泄流水頭(m)；ωc為一個排水窗口的面(m2)；Hi為第i層全淹沒工作窗口的泄流計算水頭(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為此時排水管進口淹沒系數(shù)；Fs為排水管入口水流收縮面積(m2)；H為計算水頭(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為計算水頭(m)。

2 調(diào)洪演算

對于一般的調(diào)洪演算，可以采用水量平衡計算，尾礦庫內(nèi)任一時段Δt的水量平衡方程式如式(6)：

(6)

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

3 工程實例

3.1 工程概況

某公司擬建的尾礦庫，等級為二等，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 洪水計算

尾礦庫各使用期的防洪標準應根據(jù)使用期庫的等別、庫容、壩高、使用年限及對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》分別計算出各使用期不同洪水標準的洪峰流量及洪水總量，通過兩種洪水計算方法綜合比較，最終采用簡化推理公式法進行洪水計算。成果見表1。

表1 庫區(qū)洪峰和洪量計算成果

通過概化多峰三角形法推求的防洪標準為0.5%，0.2%，0.1%的洪水過程線，如圖1所示。

圖1 單位線法計算所得的洪水過程線

3.3 泄流能力理論計算

該尾礦庫排水設施設計采用鋼筋混凝土結(jié)構，布置形式為排水井接排水豎井接排水隧洞。根據(jù)規(guī)范，對該尾礦庫進行分期使用。初期采用200 a一遇的洪水的防洪標準，壩頂標高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，壩頂標高分別為602 m、645 m，尾礦庫的等別均為2等庫，泄洪的進水口為3#和5#排水井[5]。對各期庫不同標高下的排水構筑物進行泄流能力計算，計算結(jié)果如圖2。

(a)標高545 m

3.4 調(diào)洪計算

根據(jù)尾礦庫區(qū)地形圖所得到的各運行期調(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，尾礦庫在各運行期的壩頂標高下，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

現(xiàn)行的AQ2006—2005《尾礦庫安全技術規(guī)程》規(guī)定[6]，尾礦庫排水構筑物的形式及尺寸應根據(jù)水力計算及調(diào)洪演算確定，但對一、二等尾礦庫及特別復雜的排水構筑物，還應通過水工模型試驗驗證[7]。因此，對該尾礦庫的排水設施進行了水力學模型試驗，來進一步對它的排水構筑物的安全作出評價。

3.5.1 泄流情況

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

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

3.5.2 壓力量測

本實驗還對排水井的底部、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行了壓力測試。結(jié)果表明：對于每一組排水設施來說，當處于有壓泄流時，排水支洞測壓管壓力為正值，排水主洞上測壓管出現(xiàn)負壓，并伴有氣泡產(chǎn)生；排水豎井底部壓力較大，設計時應予以重視，以防對排水豎井的正常工作產(chǎn)生不利影響。

(a)標高545 m

4 結(jié)論

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

1)尾礦庫在各運行期的壩高下，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。說明尾礦庫各運行期的排水構筑物的泄洪是滿足要求的。

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

3)從壓力測試得知，各運行的排水豎井底部壓力較大，設計時應對此予以重視，以防對排水豎井的正常工作產(chǎn)生不利影響。