尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統選型

李松，馬忠鑫

（1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.金川集團股份有限公司選礦廠，甘肅 金昌 737100）

尾礦庫是大部分礦山開采必須建設的環保設施，排洪設施是尾礦庫必須設置的安全設施[1]，其功能在于將匯水面積內洪水安全地排至庫外，保證尾礦庫在洪水運行期的安全運行，框架式排水井-隧洞式排水系統是尾礦庫最常選用的排洪設施。由于排洪設施不但關系到尾礦庫的防洪安全，而且其建設費用在尾礦設施投資中所占比重大，對于采用框架式排水井-隧洞式排水系統作為尾礦庫排洪設施的工程，如何合理的型至關重要。本文就不同尺寸框架式排水井和不同斷面、不同坡度隧洞組合成的排水系統的泄流能力進行系統的計算分析，結合作者多年工作經驗，給出選型方法。

1 泄流能力計算方法

框架式排水井-隧洞式排水系統的工作狀態，隨泄流水頭的大小而異。當水頭較低時，泄流量較小，排水井內水位低于最低工作窗口的下緣，此時為自由泄流；當水頭增大，井內被水充滿，但隧洞尚未呈滿管流，泄流量受隧洞的入口控制，此時為半壓力流；當水頭繼續增大，隧洞呈滿管流時，即為壓力流。

以框架式排水井為例，不同工作狀態時的泄流量按下列公式計算[2]。

（1）自由泄流

a.水位未淹沒框架圈梁時

b.水位淹沒圈梁時

c.水位淹沒井口時

（2）半壓力流

（3）壓力流

以上公式中各參數含義如下：

nc——同一個橫斷面上排水口的個數；

bc——一個排水口的寬度；

m、φ、μ——各種工況對應的流量系數；

ε—— 側向收縮系數；

Hy—— 溢流堰泄流水頭；

Hi——第i層全淹沒工作窗口的泄流計算水頭，從窗口中心線算起；

H0—— 最上層未淹沒工作窗口的泄流水頭；

Hj —— 井口泄流水頭；

H—— 計算水頭，為庫水位與排水管入口斷面中心標高之差；

ωc—— 一個排水窗口的面積；

ωs—— 井口水流收縮斷面面積；

Fs—— 排水管入口水流收縮斷面面積；

Fx—— 排水管下游出口斷面面積。

2 不同組合的泄流計算

2.1 計算模型

影響框架式排水井-隧洞式排水系統泄流能力的主要因素有排水井尺寸、排水隧洞斷面尺寸及縱向坡度等。

假設尾礦庫設1座框架式排水井加1條排水隧洞作為排洪構筑物。排水井為鋼筋混凝土結構；隧洞為直洞，長1000m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞粗糙系數0.017，本文計算模型選取如下：

（1）排水井

J-1：排水井直徑2.5m，立柱個數4個，立柱寬度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁間距3.0m；

J-2：排水井直徑3.0m；立柱個數6個，立柱寬度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁間距3.0m。

（2）排水隧洞斷面

D-1：底寬1.5m，高2.0m，頂拱半徑0.75m的圓拱直墻式隧洞；

D-2：底寬2.0m，高2.5m，頂拱半徑1.0m的圓拱直墻式隧洞。

（3）排水隧洞縱向坡度

P-1：縱向坡度為1.0%；

P-2：縱向坡度為0.5%。

2.2 計算組合

按2.1中選定的計算模型，形成以下四種組合進行計算：

組合一：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-1；

組合二：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-2；

組合三：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-2，隧洞縱坡選用P-1；

組合四：排水井選用J-2，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-1；

2.3 計算結果

分別采用2.2中的計算組合，按泄流計算公式計算，各種組合的泄流曲線分別見圖1-圖3。

2.4 泄流特點分析

根據以上算例，框架式排水井-隧洞式排水系統泄流有以下特點：

（1）由圖1可以看出，在排水井、排水隧洞大小、形式一定的情況下，隧洞的坡度與泄流能力相關，隧洞坡度越大，泄流能力越大。

（2）由圖2可以看出，在排水井、隧洞坡度一定的情況下，排水隧洞的斷面尺寸與泄流能力相關，隧洞斷面尺寸越大，泄流能力越大。

圖1 組合一、組合二泄流曲線

圖2 組合一、組合三泄流曲線

圖3 組合一、組合四泄流曲線

（3）由圖3可以看出，在排水隧洞的斷面尺寸、坡度一定的情況下，增大排水井的斷面尺寸，當隧洞內為無壓流狀態時，排水井斷面尺寸增大，泄流量能增大；當隧洞內為有壓流狀態時，排水井斷面尺寸增大，泄流量增加有限，此時泄流能力受排水隧洞尺寸制約。

（4）由圖3可以看出，在排水隧洞的斷面尺寸、坡度一定時，排水井尺寸越大，排水隧洞進入壓力流所對應的進水水頭（排水井進水口處的水頭）越低，這就意味著在相同的調洪高度下，排水井大的框架式排水井-隧洞式排水系統更容易進入壓力流工作狀態。

（5）框架式排水井-隧洞式排水系統在自由流狀態下工作時，進水水頭稍有增大，泄流量就有較大幅度的增大，排水構筑物內進氣順暢，不易產生氣蝕，應優先保證排洪系統在該種工況下運行。

3 選型方法

對各種組合的泄流計算分析，筆者結合多年工程設計經驗，對尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統的選型過程簡列如下：

（1）根據尾礦庫設防標準下的洪水過程線，計算出一次洪水總量和洪峰流量，再根據尾礦庫調洪庫容富裕程度，擬定排洪系統泄流量和調洪高度。

（2）由于排水井井筒四周都有進水孔，其本身流量能力相對排水隧洞來說是比較大的（如在1m進水水頭下，2.5m直徑的框架式排水井泄流量可達9m3/s左右，3.0m直徑的框架式排水井泄流量可達12m3/s左右），根據擬定排洪系統泄流量和調洪高度可初步確定排水井的尺寸。

（3）根據尾礦庫地形確定排水隧洞走向及出口位置，應充分利用地形，盡量縮短長度，增大縱向坡度（為便于施工，長洞縱坡一般不超過5%）。

（4）按上述確定的框架式排水井-隧洞式排水系統的泄流曲線進行調洪演算，如滿足開始擬定的泄流量和調洪高度，且最大泄流量處于自流泄流狀態，則表明框架式排水井-隧洞式排水系統選型設計較為合理，否則可同步調整排水井和排水隧洞尺寸，直到滿足調洪要求為止。

4 結語

排洪系統是尾礦庫安全關鍵因素之一，其設計受外部環境影響比較大，涉及當地水文情況、庫內地質情況、堆壩方式等技術因素以及建設成本、運行管理費用等經濟因素，各個尾礦庫的排洪設施設計通用性較差[3-5]。

框架式排水井-隧洞式排水系統是常見的尾礦庫排洪設施，設計選型組合和計算參數多，過程繁雜。本文通過對尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統的泄流計算，總結其泄流曲線與構筑物參數的相關性的特點，并給出設計選型方法。