某金礦尾礦庫(kù)排水隧洞豎井段的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉明生 王睿齊，2

（1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650504）

排洪系統(tǒng)是確保尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的主要設(shè)施。環(huán)保對(duì)金礦尾礦庫(kù)清污分流的要求較高，對(duì)于匯水面積較大的尾礦庫(kù)多采取庫(kù)外擋水壩+排水隧洞的方式，盡量截排上游清水，減少洪水入庫(kù)形成的污水量，減輕庫(kù)內(nèi)排水設(shè)施的泄洪壓力及尾礦回水的處理量。排水隧洞布置受庫(kù)型條件限制，高差較大時(shí)，常需采用豎井連接。豎井式排水系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于尾礦庫(kù)工程中，設(shè)計(jì)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究［1-3］，豎井落差大，進(jìn)水水流為激流，只有控制上部進(jìn)水流速和流態(tài)才能有效減緩水流對(duì)構(gòu)筑物的沖刷破壞，減輕底部消能壓力，使消能后的水流平穩(wěn)地與下游排水設(shè)施妥善銜接。

1 工程概況

工程區(qū)地處亞熱帶高原季風(fēng)氣候類型，屬金沙江水系。多年平均氣溫13.6℃，降水集中，多年平均降雨量1 054.7 mm。平均海拔2 080 m。某金礦選廠的工藝流程中不涉及氰化物，尾礦屬一般固廢Ⅱ類，庫(kù)區(qū)采用防滲膜全防滲。尾礦粒徑較細(xì)，-200目占80.32%，上游式尾礦堆壩，初期壩為堆石壩，尾礦壩總壩高94 m，總庫(kù)容2 181萬(wàn)m3，屬三等庫(kù)。

尾礦庫(kù)所在山間溝谷長(zhǎng)約4 km，溝型呈“V”型發(fā)育，溝壁岸坡較陡，坡度4～50°，地形西高東低，庫(kù)區(qū)占用溝谷長(zhǎng)約2.1 km。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度。初期壩址以上匯水面積為17.80 km2。排洪系統(tǒng)由庫(kù)外和庫(kù)內(nèi)排洪設(shè)施構(gòu)成。庫(kù)內(nèi)排洪設(shè)施由3座框架式排水井+支洞+排水隧洞（庫(kù)內(nèi)）組成，控制匯水面積5.27 km2；庫(kù)外排洪設(shè)施由擋水壩+排水隧洞+豎井組成，控制匯水面積12.53 km2。

庫(kù)內(nèi)庫(kù)外排洪系統(tǒng)的出口均在尾礦庫(kù)所在溝谷下游，兩者相距700 m。庫(kù)內(nèi)排洪系統(tǒng)的污水不外排，進(jìn)入回水池，揚(yáng)送至污水處理站。經(jīng)處理后返回至選廠生產(chǎn)使用。

尾礦庫(kù)下游12 km范圍內(nèi)無(wú)村莊、工礦企業(yè)及重要設(shè)施。

2 庫(kù)外排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尾礦庫(kù)為三等庫(kù)，防洪標(biāo)準(zhǔn)取三等庫(kù)上限，洪水重現(xiàn)期500 a（P=0.2%）。經(jīng)水文計(jì)算，庫(kù)外排洪系統(tǒng)需滿足24 h最大洪峰Qm=93.80 m3/s的下泄流量要求。

庫(kù)外排洪系統(tǒng)的地表設(shè)施受地形及林地限制，要求進(jìn)口標(biāo)高1 946～1 952 m之間，出口標(biāo)高在1 740～1 746 m之間。隧洞線路較長(zhǎng)，根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，為避免隧洞全線均處于強(qiáng)風(fēng)化較破碎的灰?guī)r地層（Ⅴ類圍巖），以減少隧洞支護(hù)難度節(jié)約投資，提高施工安全性。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，沿隧洞線路，設(shè)置一高91.4 m的豎井，使隧洞洞身Ⅱ段布置在較穩(wěn)固堅(jiān)硬的中風(fēng)化板巖內(nèi)（Ⅲ類圍巖）。同時(shí)也減緩了隧洞底坡，減小長(zhǎng)距離下產(chǎn)生的加速流，簡(jiǎn)化了出口消能設(shè)施。庫(kù)外排洪系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

2.1 進(jìn)、出口段及洞身Ⅰ段

進(jìn)口段設(shè)置在擋水壩上游地表，開(kāi)敞式寬頂堰型式，利于水流順利導(dǎo)入隧洞。長(zhǎng)L1=15 m，寬B1=4 m，邊墻高H1=6.5 m，C30鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)。出口段設(shè)置在洞身Ⅰ段尾部，長(zhǎng)L3=18 m，B3×H3=4 m×8 m。

洞身Ⅰ段位于強(qiáng)風(fēng)化的灰?guī)r地層，長(zhǎng)L2=262.0 m，城門(mén)洞型斷面B2×H2=4 m×4.15 m，縱坡i=0.15，C30鋼筋混凝土全襯砌厚0.6 m，設(shè)計(jì)為無(wú)壓流。經(jīng)計(jì)算，500 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，下泄流量為93.80 m3/s時(shí)，出口段（豎井進(jìn)口）流速達(dá)21.22m/s，沿程水面線3.10～2.27 m，基本滿足高流速無(wú)壓隧洞洞內(nèi)摻氣水面以上的空間宜為斷面面積15%～25%的《GB 50863-2013尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2.2 豎井段

受自然環(huán)境條件限制，豎井深度主要以隧洞出口標(biāo)高反推，并考慮洞身Ⅱ段均處于中風(fēng)化板巖內(nèi)。經(jīng)計(jì)算確定豎井深度Hs=91.4 m。豎井采用圓形斷面，C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)襯砌，井壁厚0.5 m，豎井段沿豎直方向每隔12 m設(shè)置井壁拖座，拖座深入井壁圍巖1 m。豎井直徑D由下式確定［4-5］：

式中，Qm為最大設(shè)計(jì)下泄流量，m3/s；g為重力加速度，取9.81m/s2。

相應(yīng)最大下泄流量93.80 m3/s時(shí)，D=3.90 m，設(shè)計(jì)時(shí)直徑取4.0 m。

豎井下接的消力坑，直徑取B4=6.0 m，深度按1.4B4估算，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，最后取深度為10.0 m。

2.3 洞身Ⅱ段及消力池

洞身Ⅱ段長(zhǎng)L5=2 897.2 m，起點(diǎn)（進(jìn)口）為豎井底部，地表出口與消力池相接。洞身段均位于較穩(wěn)固堅(jiān)硬的弱～中風(fēng)化板巖內(nèi)，圍巖類別Ⅲ類。除進(jìn)口段外均采用噴射混凝土永久支護(hù)，極大地節(jié)約了洞身的襯砌及支護(hù)費(fèi)用，提高了施工安全性。

洞身Ⅱ段城門(mén)洞型斷面B5×H5=4 m×（6～4.15）m，縱坡i=0.02，起點(diǎn)進(jìn)口段長(zhǎng)18 m，凈高由6.0 m漸變?yōu)?.15 m，該段為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)口段后洞身的凈高均為4.15 m。

洞身坡度緩、沿程長(zhǎng)，其泄流能力按明渠均勻流考慮，其中糙率n分別按0.014（進(jìn)口段）和0.025取值，經(jīng)計(jì)算，進(jìn)口段后水深3.33 m時(shí)，流量94.50 m3/s，流速為14.68 m/s，過(guò)流能力均大于所需下泄洪峰Qm=93.80 m3/s。此時(shí)，隧洞凈空高0.82 m，滿足無(wú)壓隧洞摻氣凈空要求。

洞身Ⅱ段出口接地表下挖式消力池進(jìn)行底流消能。消力池底寬由B6=4 m漸擴(kuò)為8 m、邊墻高H6=5 m，池長(zhǎng)L6=22.5 m，采用C30鋼筋混凝土矩形斷面結(jié)構(gòu)型式。

3 豎井段的優(yōu)化

由于庫(kù)外排水系統(tǒng)的設(shè)施較復(fù)雜，對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)展了水工模型試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究隧洞水流流態(tài)、水面線、流速、動(dòng)水壓力，綜合評(píng)價(jià)排洪系統(tǒng)布置和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)合理性，為設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 水工模型試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓳跛畨瓮馍嫌螏?kù)區(qū)、庫(kù)外排水隧洞組成。按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)［6］，上游庫(kù)區(qū)采用水泥砂漿按原地形敷設(shè)抹面，排洪設(shè)施采用有機(jī)玻璃制作，尺寸嚴(yán)格控制在規(guī)范允許的誤差之內(nèi)。實(shí)測(cè)了20、50、100、200、500 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下，排洪系統(tǒng)沿線水流特性及水流空化氣蝕、偏轉(zhuǎn)水流等問(wèn)題和可能出現(xiàn)洞內(nèi)明滿交替現(xiàn)象進(jìn)行分析。試驗(yàn)重點(diǎn)是洞身Ⅰ段出口、豎井段及洞身Ⅱ段進(jìn)口，分為三等庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)下限200 a（P=0.5%）和上限 500 a（P=0.2%）的工況。其流速和水面線見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)方案布置基本合理，庫(kù)外排水隧洞過(guò)流能力滿足設(shè)計(jì)要求。各工況下水面基本平穩(wěn)，堰前、控制段流態(tài)合理，洞身Ⅰ段為無(wú)壓流，流態(tài)正常，斷面形式、尺寸合理。入井水流為淹沒(méi)射流，井身段內(nèi)水流為摻氣附壁流，豎井下部水流形成高強(qiáng)度的“水—?dú)馀荨奔羟辛?，消能效果較好，豎井下部消能深度合理。洞身Ⅱ段水流流態(tài)基本正常，斷面形式、尺寸合理，下泄200、500 a一遇洪水時(shí)，洞身Ⅱ上段為有壓流。洞身Ⅰ段、洞身Ⅱ段時(shí)均動(dòng)水壓力合理正常。洞身Ⅰ下段空化數(shù)σ均大于0.3，不具備發(fā)生空化的條件。

存在的主要問(wèn)題是：豎井段上部入井水流流速達(dá)V1=21.22 m/s，受水流沖擊形成較高的水浪，沖擊水浪跌落與洞身Ⅰ段的水流相互作用造成水流脈動(dòng)、回流和卷吸氣體，入井水流為淹沒(méi)射流。洞身Ⅱ段水流流態(tài)基本正常，水流脈沖水浪的浪高沿程衰減，流速V2=14.68～13.04 m/s。

3.2 方案優(yōu)化［7］

綜合考慮采用改變水流入井條件的方式，減少水流直接沖擊井壁的范圍，降低水流沖擊豎井井壁造成的水浪高度。經(jīng)多方案選擇，擬在豎井進(jìn)口處設(shè)置分流墩。使水流呈對(duì)稱兩側(cè)向入井，明顯降低水流沖擊豎井井壁造成的水浪高度，改善水流對(duì)豎井的脈沖，提高豎井消能，降低洞身Ⅱ段出現(xiàn)脈沖水浪的高度。優(yōu)化方案的流速和水面線見(jiàn)圖3。

優(yōu)化方案豎井上部沖擊浪高度比原方案的低，P=0.2%工況下豎井上部沖擊浪高度比原方案低4.05 m。P=0.5%工況下比原方案低2.45 m。豎井下部消能水深也總體降低，說(shuō)明豎井段消能率得到一定的提高，從而降低了豎井出口的豎向流速，豎井出口流態(tài)得到改善。

經(jīng)多次分流墩體型試驗(yàn)修改，選擇主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較優(yōu)的分流墩位置和體型，最終確定分流墩設(shè)置位置及體型尺寸詳見(jiàn)圖4。

優(yōu)化方案的水工試驗(yàn)表明：設(shè)置分流墩并適當(dāng)提高豎井頂部高度后，庫(kù)外排水隧洞各實(shí)測(cè)位置未出現(xiàn)負(fù)壓，時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)值正常，分布合理。水流空化數(shù)均大于0.3，不具備發(fā)生空化的條件。入井流速V3=19.87 m/s，豎井進(jìn)口上部受水流沖擊形成較高的水浪，沖擊水浪跌落與洞身Ⅰ段的水流相互作用造成水流脈動(dòng)、回流和卷吸氣體。洞身Ⅱ段水流流態(tài)基本正常，脈沖水浪浪高沿程衰減，流速V4=13.47～12.49 m/s。洞身Ⅱ段進(jìn)口為有壓流，其后均為無(wú)壓流，符合設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

金礦尾礦庫(kù)因堆存尾礦的粒徑較細(xì)，形成干灘坡度緩，造成庫(kù)內(nèi)調(diào)洪庫(kù)容較小。庫(kù)外的排洪設(shè)施對(duì)尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性的作用。排洪系統(tǒng)線路落差較大時(shí)，工程設(shè)計(jì)尤其要重視在自身結(jié)構(gòu)中較小的空間和較短的距離內(nèi)，安全地泄散水流的勢(shì)能和動(dòng)能，避免發(fā)生空蝕破壞，減輕對(duì)構(gòu)筑物的損壞，使排洪系統(tǒng)內(nèi)上下游水流得到妥善銜接，減緩水流排出隧洞后對(duì)岸坡及河床造成危害，減少出口消能設(shè)施的工程量。利于溝谷下游的環(huán)境保護(hù)和水土保持。