厄瓜多爾Mirador銅礦北排洪溝洪峰計算及水力設計

(中鐵十四局集團海外工程分公司，山東 濟南 250000)

1 工程概況

Mirador銅礦位于南美洲厄瓜多爾國東南部的薩莫拉欽奇佩省，距厄瓜多爾第三大城市昆卡市直線距離約100km。Wawayme東排土場位于Mirador銅礦南礦東北面的Wawayme河谷地，用于排放南礦露天采場開挖廢棄料。排土場最終堆放標高1500m，排放總高度400m，堆存容積為1.04億m3。由于銅礦所在地區雨量充沛，平均年降水量達3000mm，河流發育，坡面匯水面積大，為降低Wawayme東排土場安全風險，需在其上游設置排洪溝對山區坡面匯水進行排導。

排洪溝采用雙向排水，分為南、北兩區排洪溝。北區排洪溝起點高程為1619.0m，終點高程為1580.0m，縱坡0.01，線路總長度約4.0km。根據北區排洪溝實際地形及天然沖溝分布情況，將北區排洪溝分N1、N2和N3三個分區。北區排洪溝總體平面布置如下圖所示。

北區排洪溝總體平面布置圖

2 洪峰計算

Mirador銅礦服務年限不小于25年，依據《冶金礦山采礦設計規范》(GB 50830—2013)附錄A中礦山規模標準，Mirador銅礦屬于特大型礦山工程項目，相應的防洪設計標準為：設計洪水重現期50年，校核洪水重現期100年。

本文采用推理公式法和最大清水洪峰流量計算法分別對洪峰進行計算，計算結果如表1所列。

表1 北區排洪溝洪峰流量計算結果對比

注方法一：推理公式法；方法二：最大清水洪峰流量計算法

結合排洪溝以上流域分布來看，設計流域溝道眾多且分散，洪水大多以坡面形式匯流為主，按坡面洪水計算符合地區洪水特性，雖然最大清水洪峰流量計算法較推理公式計算成果小，但與實際地形地貌及流域分布符合性更好，因此推薦采用最大清水洪峰流量計算法。

3 水力設計

本文采用明渠均勻流公式進行明渠過流能力初步計算，同時考慮轉彎處水面高差及安全超高，初步確定排洪溝各分區尺寸。然后采用恒定非均勻流理論計算明渠水面線，并根據水面線計算結果對排洪溝凈斷面尺寸進行復核。

3.1 斷面尺寸初擬

3.1.1 明渠均勻流計算

根據直線段及轉彎段明渠均勻流計算公式進行計算。根據現場實際地形條件、施工及線路轉彎要求，N1、N2、N3區渠道最小轉彎半徑取為12m、12m和20m，底板寬取為2.0m、2.2m和3.0m。經計算，N1、N2、N3區明渠均勻流水力學計算結果如表2、表3所列：

表2 明渠均勻流水力學計算(設計洪峰流量)

表3 明渠均勻流水力學計算(校核洪峰流量)

由計算結果可知，設計洪峰流量下，N1、N2、N3區直線段正常水深分別為1.06m、1.16m和1.99m，轉彎段正常水深分別為1.18m、1.29m和2.20m；校核洪峰流量下，N1、N2、N3區直線段正常水深分別為1.13m、1.23m和2.12m，轉彎段正常水深分別為1.25m、1.37m和2.34m。

3.1.2 安全超高計算

轉彎段明渠凹岸與凸岸的水面高差Δh按式(1)計算：

(1)

式中 Δh——橫向水面高差，m；

v——流速,m/s；

h——正常水深，m；

r——最小轉彎半徑，m；

A——過流面積，m2；

g——重力加速度，m/s2。

經計算，N1、N2和N3最小轉彎半徑下凹岸與凸岸的水面高差分別為0.13m、0.16m和0.23m。

根據《灌溉及排水工程設計規范》(GB 50288—99)要求，排水溝設計水位不低于堤頂0.2m，結合實際工程情況，各分區排洪溝安全超高取值均為0.3m。

3.1.3 斷面尺寸初擬

根據上述明渠均勻流正常水深及安全超高計算結果，初步擬定明渠凈斷面尺寸，如表4所列。

表4 排洪溝各分區尺寸初擬結果

注數值A/數值B，數值A為設計洪水位計算結果；數值B校核洪水位計算結果。

初擬各分區排洪溝斷面尺寸分別為2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。各分區斷面在遭遇校核洪水(100年一遇)時仍可以保證排水能力。

3.2 斷面尺寸復核

采用恒定非均勻流理論，根據能量方程，用分段求和法計算明渠水面線，考慮明渠縱坡較小、流速較低，故不考慮摻氣水深。經計算，設計洪峰流量和校核洪峰流量下明渠水面線如表5所列。

表5 明渠水面線計算成果

計算結果表明，各分區水面線均為降曲線，各分區最大計算側墻高分別為1.68m、1.80m和2.87m，墻高均低于初擬墻高尺寸，滿足計算要求。

綜合上述計算成果，排洪溝各分區排洪溝斷面尺寸最終確定為2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。

4 結 語

本文采用推理公式法和最大清水洪峰流量計算法兩種方法對排洪溝洪峰流量進行計算。計算結果表明：最大清水洪峰流量計算法較推理公式計算成果小，但與實際地形地貌及流域分布符合性更好，因此推薦采用最大清水洪峰流量計算法。因此，洪峰流量推薦采用最大清水洪峰流量計算法成果，即：N1、N2和N3設計洪峰流量分別為9.09m3/s、2.51m3/s和24.16m3/s，校核洪峰流量分別為9.87m3/s、2.72m3/s和26.24m3/s。

根據洪峰流量計算結果，本文采用明渠均勻流計算公式，對明渠過流能力進行初步計算，并考慮轉彎處水面高差及安全超高，初步擬定排洪溝各分區尺寸。進而采用分段求和法計算明渠水面線，計算結果表明：各分區水面線均為降曲線，初擬斷面尺寸滿足計算要求。N1、N2和N3斷面尺寸最終確定為2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。