水量平衡法在尾礦庫調洪計算中的應用

趙永志

(中冶北方(大連)工程技術有限公司)

尾礦庫是用以貯存金屬、非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所，也是礦山必需的生產設施，同時還是一個人造泥石流高危險源，因此，汛期當中的尾礦庫安全更是礦山工作的重中之重。據統計，截止到2017年底，全國各類尾礦庫共計7 793座，其中三等以上大、中型尾礦庫989座，占比約12.7%，四、五等尾礦庫6 804座，占比約87.3%。中、小型尾礦庫往往由于建設過程中設計、施工不規范，生產運行管理過程中缺少經驗，更容易發生安全生產事故。

尾礦庫安全度主要根據尾礦庫防洪能力和尾礦壩的壩體穩定性分為危庫、險庫、病庫、正常庫四級。近幾年，隨著各級人民政府及企業對尾礦庫治理投入的加大，病、危、險庫的數量逐年減少(表1)，但仍然有一些尾礦庫存在著各種安全隱患。從2001—2013年，全國共發生尾礦庫事故85起，其中死亡事故19起，死亡364人。在85起事故中排洪設施損壞的24起，洪水漫頂的13起，與汛期洪水相關的安全事故占43.5%。

表1 全國尾礦庫近年來危險等級變化情況

因此，在尾礦庫設計中，通過合理的計算方法對尾礦庫進行調洪計算，確定安全可靠的排洪構筑物尺寸，是保證尾礦庫安全度汛的前提。

1 尾礦庫排洪構筑物的類型

尾礦庫庫內排洪構筑物通常由進水構筑物和輸水構筑物組成。排洪構筑物形式的選擇應根據尾礦庫排水量的大小、尾礦庫地形、地質條件、使用要求及施工條件等因素，經技術經濟比較確定。

尾礦庫常用進水構筑物有排水井、排水斜槽、溢洪道和截洪溝。排水井是最常用的進水構筑物，有窗口式、框架式、框架窗口組合式等多種型式，常用的排水井結構形式見圖1。排水斜槽既是進水構筑物，又是輸水構筑物，隨著庫水位的升高，進水口的位置不斷向庫尾延伸，由于進水量較小，一般在排洪量較小時采用。溢洪道常用于一次性建壩的尾礦庫或在尾礦庫使用后期作為閉庫的永久排洪設施中采用。

圖1 常用排水井結構形式

尾礦庫常用的輸水構筑物有排水管、隧洞、斜槽等。排水管是最常用的輸水構筑物，一般埋設在庫區底部，通常采用鋼筋混凝土結構，常用的排水管結構形式見圖2。排洪隧洞的結構穩定性好，泄流量大，是大、中型尾礦庫常用的輸水構筑物[1]。

尾礦庫排洪構筑物通常由一種或多種進水構筑物與輸水構筑物組合而成，構成一套完整的排洪系統。尾礦庫排洪構筑物應優選事故率較低的排水井加隧洞等排洪形式，同時盡量在尾礦庫上游或庫外設置截洪設施，從而減少入庫洪水量，減緩庫內排洪壓力[2]。

圖2 常用排水管結構形式

2 水量平衡法

2.1 計算原理

調洪計算的目的是根據既定的排洪系統確定所需的調洪庫容和泄洪流量，對一定的來水過程線，排水構筑物越小，所需的調洪庫容就越大。設計通過不同尺寸排洪系統的調洪計算結果，合理確定排水構筑物的尺寸，保證尾礦庫能夠安全度汛，并使工程的投資最優。

采用水量平衡法進行調洪計算就是求解尾礦庫任意時段的水量平衡方程的過程，任意時段的水量平衡方程為[3]

(1)

式中,Q1、Q2為某時段始、終尾礦庫的來洪量,m3/s；q1、q2為某時段始、終尾礦庫的泄洪量,m3/s；V1、V2為某時段始、終尾礦庫的蓄洪量，m3；Δt為某時段的時間，s。

尾礦庫調洪計算的過程可用圖3表示。

圖3 尾礦庫調洪計算示意

尾礦庫的來洪量即尾礦庫洪水產生的過程，可通過水文計算得出洪水過程線。尾礦庫的泄洪量與排洪構筑物的布置、形式、斷面大小、泄流狀態等參數有關，設計過程中應根據試算選取。

2.2 排洪構筑物泄流量計算

2.2.1 排水井泄流量計算

當為堰流時,計算公式為

(2)

式中,q1為排水井泄流量,m3/s；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；L為有效進水寬度,m；m為堰的流量系數；H為堰上水頭,m。

當為孔口出流時,計算公式為

(3)

式中,F為孔口面積，m2；μ為孔口的流量系數；其他符號意義同上。

堰流和孔口流分界水頭為

Hkp=(Fμ)/(Lm) .

(4)

2.2.2 排水管(隧洞)進口泄流量(半壓力流)計算

計算公式為

(5)

式中,q2為排水管(隧洞)進口泄流量，m3/s；f為管道面積，m2；h1為堰頂至管道進口高差，m；μ′為流量系數;其他符號意義同上。

2.2.3 排水管(隧洞)出口泄流量(壓力流)計算

計算公式為

(6)

3 計算實例

3.1 工程概況

某尾礦庫采用上游法濕排工藝堆存，6柱框架式排水井作為進水構筑物，排水井內徑為3 m，井柱寬0.4 m。井下接排水管作為輸水構筑物，排水管內徑為1.2 m。

尾礦庫堆積至230 m標高時級別為三等庫，防洪標準上限采用規范要求的500 a一遇，設計需對尾礦庫230 m標高的防洪能力進行校核及調洪計算，驗證尾礦庫的最小安全超高和最小干灘長度是否滿足規范的要求。

3.2 水文計算結果

通過水文計算，尾礦庫500 a一遇的洪峰流量為50.4 m3/s，洪水總量為21.7萬m3，洪水過程線概化為三角形，洪水過程線見表2和圖4。

表2 尾礦庫洪水過程線計算結果

圖4 尾礦庫洪水過程線示意

3.3 尾礦庫調洪庫容

尾礦庫堆積標高為230 m時，按照正常水位標高297.5 m，尾礦沉積灘坡度1%計算，230 m標高以下的調洪庫容見表3。

表3 尾礦庫230 m標高的調洪庫容

3.4 水力計算

按照不同標高分別計算進水構筑物(排水井)、輸水構筑物(排水管)進口和出口的泄流量，計算出的最小泄流量為控制泄流量，尾礦庫排洪構筑物泄流量計算結果見表4。

3.5 調洪計算

將洪水過程線劃分為若干時段，分別計算各個時段尾礦庫的入庫水量和出庫水量，當入庫水量大于出庫水量時，將占用尾礦庫的調洪庫容，庫內水位升高；當入庫水量小于出庫水量時，庫水位降低。時段劃分的越多，計算的工程量越大，計算的結果也越精確，計算過程中可根據洪水過程線的時長合理劃分時段。尾礦庫調洪計算結果見表5、圖5，庫水位與泄流量的關系見圖6。

由計算結果可以看出，尾礦庫排洪系統泄流初期是由排水井堰流控制流量，當庫水位由正常水位標高227.5 m上升至228.8 m時，泄流量由排水管壓力流控制。洪水產生2.04 h以后，洪水占用的調洪庫容達到最大值，庫水位上升至228.88 m，庫區水位升高了1.38 m，尾礦庫灘頂標高為230 m，尾礦庫

表4 尾礦庫排洪構筑物泄流量計算

表5 尾礦庫調洪計算結果

圖5 尾礦庫調洪計算結果曲線

仍然有1.12 m的安全超高，按照尾礦沉積灘坡度1%計算，尾礦庫遭遇設計500 a一遇洪水時仍然有112 m的干灘長度，滿足上游式尾礦堆積壩最小安全超高0.7 m和最小干灘長度70 m的要求。2.04 h以后，尾礦庫的泄洪量大于來洪量，庫水位逐漸降低。

圖6 庫水位與泄流量關系曲線

4 結 語

尾礦庫防洪安全是影響尾礦庫安全的重要因素之一，由于尾礦庫排洪構筑物的多樣性，尾礦庫的調洪計算比較復雜。水量平衡法是尾礦庫調洪計算的基本方法，也是《尾礦設施設計規范》(GB50863—2013)要求采用的方法，采用水量平衡法進行尾礦庫調洪計算，將洪水過程分成若干時段，通過計算來水量和泄水量，可以掌握洪水過程全歷時的尾礦庫水位變化情況，對尾礦庫汛期安全生產具有重要的指導意義。尾礦庫設計人員及安全管理人員應該掌握水量平衡法進行尾礦庫調洪計算，對尾礦庫不同運行時期的各控制標高進行計算，給出正常水位、最高洪水位，控制尾礦庫運行時的調洪高度、干灘長度等參數，是尾礦庫安全度汛的可靠保障。