某礦山新建尾礦庫工程導水系統方案研究

龍尚志

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西 華縣 714102)

0 引 言

某企業是一家集金礦礦石采、選為一體的企業。企業位于陜南地區，該地區常年氣候溫潤，水量較充沛，其水質、水量能滿足當地居民生活用水之需。經對礦區溝谷內洪水調查，近年來，日最大降雨量為142.6 mm，溝谷中洪水位可達1.5 m。主要受大氣降水和地下水的補給，流量隨季節降雨而變化較大，主要表現在每年的7、8、9月份，大氣降水后帶來的雨水補給，有猛漲速跌之態勢。溝內地表水主要受大氣降水和地下水的補給，溝谷內常年可見地表徑流水，平水期流量約0.05 m3/s，洪水期流量約6.0 m3/s，為松散層孔隙潛水與基巖裂隙潛水的混合水。

該礦山企業日處理原礦450 t，選礦工藝為重-浮聯合選礦工藝流程，磨礦細度為-200目占70%。為了解決尾礦的堆放、沉淀需要和環境保護的要求，落實企業安全生產建設與環境治理措施“三同時”制度，該企業初步設計在選廠東北側的魯家溝溝道內修建一座尾礦庫工程。

為了滿足環保要求，設計的排洪系統分為兩大部分：庫內排水系統和庫外排水系統。庫外排水系統主要用于宣泄二號攔洪壩上游溝道的天然來水，主要建構筑物包括：一號排洪主隧洞、溢流豎井、二號攔洪壩及消能設施等。庫內排水系統主要用于宣泄庫區的澄清水及雨水，主要建構筑物包括：二號排洪主隧洞、支隧洞、一、二號排洪斜槽、一號攔洪壩及壩下消能設施等。

溢流豎井布置在溝道底部，一、二號排洪主隧洞及庫內支隧洞均布置在魯家溝左岸的山體中。根據地質勘察的結果，隧洞沿線地質情況較好，適宜修建排洪隧洞。一、二號排洪溝斜槽沿魯家溝溝底布置，根據地質勘察，魯家溝溝底巖石基本裸露，基礎地質情況較好。

1 導水系統考慮因素

1.1 導水系統確定原則

(1)導水系統應能滿足該溝道實際集雨面積4.68 km2泄洪的要求。

(2)導水系統應能滿足礦山《尾礦設施設計規范》(GB50863-2013)的要求。

(3)導水系統對周邊居民、工業設施的影響應最小。

(4)導水系統位置根據《爆破安全規程》,此水工隧洞質點震速應小于10 cm/s。

(5)根據《中國地震動峰參數區劃圖》(GB18306-2015)：該地區屬Ⅱ類場地，基本地震峰值加速度值為0.15 g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.40 s，抗震設防烈度為Ⅶ度。

(6)導水系統從經濟方面考慮，投資應最小。

1.2 防洪標準的確定

由于該尾礦庫設計總壩高為97.0 m，總庫容為101.22萬m3。按照壩高與庫容量兩方面的條件，該尾礦庫應屬于Ⅲ等尾礦庫工程。洪水設防標準按照《尾礦設施設計規范》(GB50863-2013)的規定，根據各使用期尾礦庫的等別進行設防。防洪標準見表1。

表1 礦庫防洪標準

該尾礦庫直接按照3等庫上限，即500年一遇洪水標準進行設計。

1.3 該導水系統水文條件

該企業的尾礦庫位于陜南某川鎮的魯家溝內，實際總集雨面積為魯家溝和翁家溝兩部分面積，共計4.68 km2,溝道長度4.42 km。根據魯家溝尾礦庫所處的位置，設計洪水采用《漢中地區實用水文手冊》[1]介紹的“經驗公式法”、“推理公式法”分別進行計算，分析比較后合理選用。

尾礦庫所在流域的特征參數采用1/50000地形圖進行量算，流域特征基本參數如下：

總匯水面積(魯家溝+翁家溝部分面積)：F=4.68 km2；魯家溝溝道長度：L=4.42 km；魯家溝溝道水文比降：J=239.82‰；庫區利用段比降：J1=160.92‰。分區流域參數見表2。

表2 分區流域參數表

經驗公式法是建立洪峰流量與匯水面積的相關公式對設計洪水進行估算，其基本形式為：

QP=CpFn

(1)

式中：Qp—相應頻率的洪峰流量(m3/s)；Cp—綜合參數；F—控制匯水面積(km2)；n—指數。

查《手冊》[1]，工程屬于嘉陵江區，查洪峰流量與集水面積經驗公式分區圖，可得到不同頻率的Cp值、n值，并代入上式進行計算。由于《手冊》[1]中沒有500年一遇洪水的計算參數，故將其各頻率的參數繪圖、延伸，采用擬合公式予以表達，然后求出500年一遇的洪水計算參數。計算參數的選擇及洪水計算結果見表3。

表3 計算參數的選擇及洪水計算結果

“推理公式法”是由暴雨間接推求設計洪水的一種方法,由于設計流域面積很小，暴雨按3 h進行控制，不考慮點面折減系數和流域形狀改變系數。查《手冊》[1]基本參數并進行計算，可得到設計流域不同歷時的暴雨量，其結果見表4。

表4 設計流域不同歷時暴雨量成果表

按照《手冊》[1]中的暴雨雨型，對設計流域的暴雨進行時程分配，分配結果見表5。

根據《手冊》[1]，Ⅲ1區域土壤最大蓄水量Im=55.0 mm，前期影響雨量Pa=2/3×Im=36.67 mm，流域產流方式為蓄滿產流，即在土壤蓄水量達到最大蓄水量以前，降雨全部為損失，達到最大蓄水量以后，所有降雨量全部產生徑流，流域的潛流百分數為20%，30年一遇洪水的潛流量為：94.67×20%=18.934 mm，時段平均潛流量為3.16 mm ；500年一遇洪水的潛流量為：173.18×20%=34.636 mm，時段平均潛流量為4.33 mm,修正時段潛流量為4.925 mm，從產流過程中扣除時段潛流量，即可得到各時段的凈雨過程，如表6所示。

表5 設計暴雨面降雨時程分配成果表

表6 設計流域凈雨過程計算表

匯流計算采用《手冊》[1]中規定的公式，

(1)

(2)

(3)

式中：Qm—洪峰流量,m3/s；HR—單一洪峰的凈雨量,mm；τ—流域匯流時間,h;L—流域的長度,km；J—沿流程L的平均比降；m—匯流參數；F—流域面積,km2。

根據以上公式,采用試算法進行推算；根據已知參數代入式(3)計算出m值，假定Qm值,代入公式(2)，再將結果代入(1)式反復試算后，直到假定的Q和計算的Q值相等，結果見表7。

表7 推理公式法計算結果表

采用經驗公式法計算的500年一遇洪水為Q0.2%=72.92 m3/s,30年一遇洪水為Q3.33%=38.39 m3/s；推理法計算的500年一遇洪水為Q0.2%=143.96 m3/s,30年一遇洪水為Q3.33%=64.70 m3/s。從確保工程安全的角度考慮采用推理法的計算結果更為謹慎。

2 導水系統方案研究

2.1 導水系統組成

根據區域導流需要及有關水力學要求，建立排洪斜槽-溢流豎井-排洪隧洞-消能設施的導水方案。

2.2 導水設施設計方案

2.2.1 一號排洪主隧洞

1號排洪主隧洞布置在左岸山體內，全長671.29 m，洞底比降為5.0%。根據隧洞過流能力計算結果，隧洞的凈寬取3.6 m，凈高4.5 m，采用“城門洞型”斷面。

圖1 計算簡圖

隧洞進口設在2號攔洪壩的上游。為了減小隧洞的縱向比降，隧洞的入口處設置深度為50.0 m、內直徑為5.0 m的豎井。豎井采用C35鋼筋混凝土進行襯砌，襯砌厚度50.0 cm；豎井入口的溢流堰頂高程831.0 m。攔洪壩上游溝道的洪水經環形溢流堰進入豎井、然后通過一號主隧洞下泄到庫外。一號主隧洞出口位于初期壩下游的左岸，出口底坎高程為752.44 m。隧洞出口經一號明渠泄入消力塘內，經消能后再通過原溝道下泄。

魯家溝尾礦庫防洪標準為500年一遇，因此需要分析當遭遇500年一遇洪水時，翁家溝分流至魯家溝的洪水流量。翁家溝分流至魯家溝的匯水面積為1.43 km2，按照推理公式法計算，求得500年一遇洪峰流量為89.55 m3/s。當洪水位低于翁家溝分流隧洞入口位置的攔洪壩壩頂時，洪水將全部由分流隧洞宣泄；當洪水位超過攔洪壩頂后，一部分洪水由分流隧洞宣泄，另一部分則將越過攔洪壩頂進入龍達尾礦庫。

分流隧洞的泄流量按照下式[2]計算：

(4)

式中：ω—隧洞斷面面積；μ、η—流量系數和洞口水流收縮系數。

攔洪壩頂的泄洪量按照下式計算[2]：

(5)

式中：m—流量系數；B—攔洪壩軸線長度。

由式(4)和式(5)進行反復試算，求得當洪水位高于攔洪壩頂0.94 m時，分流隧洞和攔洪壩頂的泄流量合計為89.55 m3/s。此時分流隧洞宣泄的流量為40.13 m3/s。

2.2.2 隧洞過流能力計算

一號排洪主隧洞需要宣泄的洪水包括魯家溝二號攔洪壩上游溝道洪水及龍達分流到魯家溝內的洪水。魯家溝尾礦庫二號攔洪壩上游匯水面積為2.97 km2，按照推理公式法計算，求得500年一遇洪峰流量為143.96 m3/s。龍達分流到魯家溝的500年一遇洪峰流量為40.13 m3/s。一號主隧洞宣泄的流量為184.09 m3/s(143.96+40.13=184.09)。

按照《水工隧洞設計規范》的規定，洞內水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，高度不應小于0.4 m。

隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，其糙率可以取n=0.016，縱向最緩比降i=5.0%；采用均勻流計算公式[3]為：

式中：A—相應于正常水深時的過水斷面面積，m2;R—水力半徑，m；R=A/X；X—濕周，m；C—謝才系數，C=R1/6/n；N—過水表面糙率，n=0.016；I—隧洞底坡坡度，i=5.0%。

計算結果見表8。

根據表6的計算結果，洞內水深為3.31 m、凈空高度為1.19 m時，一號排洪主隧洞的過流能力為184.48 m3/s，隧洞水面以上凈空符合規范要求。因此設計隧洞斷面可以滿足泄洪要求。

表8 一號主隧洞過流能力計算表

2.2.3 一號明渠

一號明渠的坡降為0.822，采用C35混凝土澆筑，底坡為臺階式，臺階高度為0.5 m，明渠凈寬3.6 m，側墻高度為3.6 m。

2.2.4 溢流豎井

一號排洪主隧洞入口處的溢流豎井位于二號攔洪壩的上游、隧洞入口處。溢流豎井的深度為50.0 m，內直徑為5.0 m；井頂設環形溢流堰，堰頂高程831.0 m，溢流堰的外緣直徑為8.0 m。為了防止洪水進流時產生立軸旋流，降低進流能力；在井頂溢流堰上設置3個隔渦墩；墩厚1.2 m、墩高3.5 m。溢流豎井的底部高程781.0 m,比隧洞進口底坎低5.0 m，以形成井底的消力坑。井筒襯砌厚度為50.0 cm，井底厚度為2.0 m；均采用C35鋼筋混凝土襯砌。

溢流豎井需要宣泄的500年一遇洪峰流量為184.09 m3/s。溢流豎井進流按照環形堰進行計算[4]，進流能力計算如下：

式中：Q—泄流量，184.09 m3/s；m—流量系數，取0.42；R—溢流堰頂半徑，4.0 m；b—隔渦墩厚度，1.2 m；H—堰前水頭。

經過計算，堰上水頭h=2.76 m 。即宣泄184.09 m3/s的洪水流量，溢流堰以上需要的水頭為2.76 m。

2.2.5 二號攔洪壩

二號攔洪壩前形成的最高洪水位為833.76 m(831.0+2.76)。考慮0.7 m的安全超高，則二號攔洪壩頂應不得低于834.46 m。攔洪壩的高度決定于溢流豎井進流所需要的水頭和攔洪壩所在位置的地基開挖深度，攔洪壩壩頂高程可以按下式[5]予以確定：

V壩頂 = V堰頂+H+A

式中：V壩頂—攔洪壩頂高程；V堰頂—溢流豎井溢流堰頂高程，831.0 m；A—安全加高取，0.7 m；H—溢流豎井進流水頭；經計算，溢流豎井進流水頭為2.76 m。

根據計算結果，攔洪壩壩頂不得低于溢流堰頂以上的3.46 m高度，即攔洪壩頂高程不得低于834.46 m，設計取攔洪壩頂高程為834.5 m。根據攔洪壩所在位置及基礎開挖深度，設計攔洪壩的高度為10.0 m。

2.2.6 消能設施

根據地形條件，在一號排洪主隧洞的下游設置溢流壩，形成消力塘，以消殺出洞水流的動能。按照《溢洪道設計規范》SL253—2000第2.5.2條的“溢洪道消能防沖建筑物的設計洪水標準：1級建筑物按100年一遇洪水設計；2級建筑物按50年一遇洪水設計；3級建筑物按30年一遇洪水設計”的規定。魯家溝尾礦庫屬于Ⅲ等工程，主要建筑物——一號排洪主隧洞為3級建筑物。按照《溢洪道設計規范》的規定，消能設施應按照30年一遇進行設計。

3 方案評價

導水系統地理位置及結構組成完全符合水力學規范要求，導流系統的合理設計與天然溝道相匹配，完全能滿足導流要求。當30年一遇的洪水經過隧洞的過水流量為64.70 m3/s，500年一遇的過水流量為143.96 m3/s；而一號排洪主隧洞的過流能力為184.48m3/s，隧洞水面以上凈空符合規范要求。因此隧洞斷面設計尺寸完全可以滿足泄洪要求。

4 結 論

(1)該導流系統工程是某礦山企業達到正常運行所必須的首要工程。

(2)采用排水斜槽—溢流井—隧洞—出口漸變段—消力設施的導水方案，其總體布置是合理的，體型無大的問題，切合選廠周邊的實際地理情況。

(3)導水設施結構斷面尺寸能完全滿足防洪標準的要求，一般而言不會發生水流空化、空蝕現象，河流上游最大洪水渲泄要求。

(4)此隧洞若建成，洞頂及洞壁部分段出現巖隙滲流水及酸性水腐蝕的情況，此問題如何解決，有待進一步研究。

參考文獻

[1] 陜西省漢中地區水電局.漢中地區實用水文手冊[M].漢中：1988:24-43.

[2] 武漢水利電力學院水力學教研室.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：63-97.

[3] 吳持恭.水力學(上冊)[M].北京：高等教育出版社，2008：168-182.

[4] 莫斯特柯夫.水力學手冊[M].北京：水利出版社，1956：182-195.

[5] 顏宏亮.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2012：48-59.