某金礦尾礦庫排水隧洞豎井段的優化設計

劉明生 王睿齊，2

（1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650504）

排洪系統是確保尾礦庫安全運行的主要設施。環保對金礦尾礦庫清污分流的要求較高，對于匯水面積較大的尾礦庫多采取庫外擋水壩+排水隧洞的方式，盡量截排上游清水，減少洪水入庫形成的污水量，減輕庫內排水設施的泄洪壓力及尾礦回水的處理量。排水隧洞布置受庫型條件限制，高差較大時，常需采用豎井連接。豎井式排水系統廣泛運用于尾礦庫工程中，設計者對此進行了大量研究［1-3］，豎井落差大，進水水流為激流，只有控制上部進水流速和流態才能有效減緩水流對構筑物的沖刷破壞，減輕底部消能壓力，使消能后的水流平穩地與下游排水設施妥善銜接。

1 工程概況

工程區地處亞熱帶高原季風氣候類型，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，庫區采用防滲膜全防滲。尾礦粒徑較細，-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，總庫容2 181萬m3，屬三等庫。

尾礦庫所在山間溝谷長約4 km，溝型呈“V”型發育，溝壁岸坡較陡，坡度4～50°，地形西高東低，庫區占用溝谷長約2.1 km。該地區抗震設防烈度為8度。初期壩址以上匯水面積為17.80 km2。排洪系統由庫外和庫內排洪設施構成。庫內排洪設施由3座框架式排水井+支洞+排水隧洞（庫內）組成，控制匯水面積5.27 km2；庫外排洪設施由擋水壩+排水隧洞+豎井組成，控制匯水面積12.53 km2。

庫內庫外排洪系統的出口均在尾礦庫所在溝谷下游，兩者相距700 m。庫內排洪系統的污水不外排，進入回水池，揚送至污水處理站。經處理后返回至選廠生產使用。

尾礦庫下游12 km范圍內無村莊、工礦企業及重要設施。

2 庫外排水系統設計

尾礦庫為三等庫，防洪標準取三等庫上限，洪水重現期500 a（P=0.2%）。經水文計算，庫外排洪系統需滿足24 h最大洪峰Qm=93.80 m3/s的下泄流量要求。

庫外排洪系統的地表設施受地形及林地限制，要求進口標高1 946～1 952 m之間，出口標高在1 740～1 746 m之間。隧洞線路較長，根據工程地質勘察結果，為避免隧洞全線均處于強風化較破碎的灰巖地層（Ⅴ類圍巖），以減少隧洞支護難度節約投資，提高施工安全性。通過技術經濟比較，沿隧洞線路，設置一高91.4 m的豎井，使隧洞洞身Ⅱ段布置在較穩固堅硬的中風化板巖內（Ⅲ類圍巖）。同時也減緩了隧洞底坡，減小長距離下產生的加速流，簡化了出口消能設施。庫外排洪系統布置見圖1。

2.1 進、出口段及洞身Ⅰ段

進口段設置在擋水壩上游地表，開敞式寬頂堰型式，利于水流順利導入隧洞。長L1=15 m，寬B1=4 m，邊墻高H1=6.5 m，C30鋼筋混凝土矩形結構。出口段設置在洞身Ⅰ段尾部，長L3=18 m，B3×H3=4 m×8 m。

洞身Ⅰ段位于強風化的灰巖地層，長L2=262.0 m，城門洞型斷面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，設計為無壓流。經計算，500 a一遇洪水標準，下泄流量為93.80 m3/s時，出口段（豎井進口）流速達21.22m/s，沿程水面線3.10～2.27 m，基本滿足高流速無壓隧洞洞內摻氣水面以上的空間宜為斷面面積15%～25%的《GB 50863-2013尾礦設施設計規范》要求。

2.2 豎井段

受自然環境條件限制，豎井深度主要以隧洞出口標高反推，并考慮洞身Ⅱ段均處于中風化板巖內。經計算確定豎井深度Hs=91.4 m。豎井采用圓形斷面，C30鋼筋混凝土結構襯砌，井壁厚0.5 m，豎井段沿豎直方向每隔12 m設置井壁拖座，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為最大設計下泄流量，m3/s；g為重力加速度，取9.81m/s2。

相應最大下泄流量93.80 m3/s時，D=3.90 m，設計時直徑取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，結合類似工程經驗，最后取深度為10.0 m。

2.3 洞身Ⅱ段及消力池

洞身Ⅱ段長L5=2 897.2 m，起點（進口）為豎井底部，地表出口與消力池相接。洞身段均位于較穩固堅硬的弱～中風化板巖內，圍巖類別Ⅲ類。除進口段外均采用噴射混凝土永久支護，極大地節約了洞身的襯砌及支護費用，提高了施工安全性。

洞身Ⅱ段城門洞型斷面B5×H5=4 m×（6～4.15）m，縱坡i=0.02，起點進口段長18 m，凈高由6.0 m漸變為4.15 m，該段為C30鋼筋混凝土結構。進口段后洞身的凈高均為4.15 m。

洞身坡度緩、沿程長，其泄流能力按明渠均勻流考慮，其中糙率n分別按0.014（進口段）和0.025取值，經計算，進口段后水深3.33 m時，流量94.50 m3/s，流速為14.68 m/s，過流能力均大于所需下泄洪峰Qm=93.80 m3/s。此時，隧洞凈空高0.82 m，滿足無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行底流消能。消力池底寬由B6=4 m漸擴為8 m、邊墻高H6=5 m，池長L6=22.5 m，采用C30鋼筋混凝土矩形斷面結構型式。

3 豎井段的優化

由于庫外排水系統的設施較復雜，對該系統開展了水工模型試驗。通過試驗研究隧洞水流流態、水面線、流速、動水壓力，綜合評價排洪系統布置和構筑物結構合理性，為設計提供優化方案的基礎數據。

3.1 水工模型試驗

試驗模型由擋水壩外上游庫區、庫外排水隧洞組成。按重力相似準則設計［6］，上游庫區采用水泥砂漿按原地形敷設抹面，排洪設施采用有機玻璃制作，尺寸嚴格控制在規范允許的誤差之內。實測了20、50、100、200、500 a一遇洪水標準下，排洪系統沿線水流特性及水流空化氣蝕、偏轉水流等問題和可能出現洞內明滿交替現象進行分析。試驗重點是洞身Ⅰ段出口、豎井段及洞身Ⅱ段進口，分為三等庫防洪標準下限200 a（P=0.5%）和上限 500 a（P=0.2%）的工況。其流速和水面線見圖2。

試驗結果表明，原設計方案布置基本合理，庫外排水隧洞過流能力滿足設計要求。各工況下水面基本平穩，堰前、控制段流態合理，洞身Ⅰ段為無壓流，流態正常，斷面形式、尺寸合理。入井水流為淹沒射流，井身段內水流為摻氣附壁流，豎井下部水流形成高強度的“水—氣泡”剪切流，消能效果較好，豎井下部消能深度合理。洞身Ⅱ段水流流態基本正常，斷面形式、尺寸合理，下泄200、500 a一遇洪水時，洞身Ⅱ上段為有壓流。洞身Ⅰ段、洞身Ⅱ段時均動水壓力合理正常。洞身Ⅰ下段空化數σ均大于0.3，不具備發生空化的條件。

存在的主要問題是：豎井段上部入井水流流速達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、回流和卷吸氣體，入井水流為淹沒射流。洞身Ⅱ段水流流態基本正常，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。經多方案選擇，擬在豎井進口處設置分流墩。使水流呈對稱兩側向入井，明顯降低水流沖擊豎井井壁造成的水浪高度，改善水流對豎井的脈沖，提高豎井消能，降低洞身Ⅱ段出現脈沖水浪的高度。優化方案的流速和水面線見圖3。

優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，豎井出口流態得到改善。

經多次分流墩體型試驗修改，選擇主要試驗數據相對較優的分流墩位置和體型，最終確定分流墩設置位置及體型尺寸詳見圖4。

優化方案的水工試驗表明：設置分流墩并適當提高豎井頂部高度后，庫外排水隧洞各實測位置未出現負壓，時均動水壓強值正常，分布合理。水流空化數均大于0.3，不具備發生空化的條件。入井流速V3=19.87 m/s，豎井進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、回流和卷吸氣體。洞身Ⅱ段水流流態基本正常，脈沖水浪浪高沿程衰減，流速V4=13.47～12.49 m/s。洞身Ⅱ段進口為有壓流，其后均為無壓流，符合設計預期效果。

4 結語

金礦尾礦庫因堆存尾礦的粒徑較細，形成干灘坡度緩，造成庫內調洪庫容較小。庫外的排洪設施對尾礦庫的安全運行起到決定性的作用。排洪系統線路落差較大時，工程設計尤其要重視在自身結構中較小的空間和較短的距離內，安全地泄散水流的勢能和動能，避免發生空蝕破壞，減輕對構筑物的損壞，使排洪系統內上下游水流得到妥善銜接，減緩水流排出隧洞后對岸坡及河床造成危害，減少出口消能設施的工程量。利于溝谷下游的環境保護和水土保持。