某尾礦庫基于洪水計算和調洪演算分析

楊明軍，宋忠寶

（山東欣鵬安全技術咨詢有限公司，山東 濟南 250100）

作為跟礦山生產相配套的設施，同時也是礦山三大控制工程之一的尾礦庫，其安全性一直受到高度重視，但是由于各方面的綜合因素的影響，尾礦庫安全事故在我國還時有發生，這也引起了相關方面的高度關注。根據有關統計，在引起尾礦庫安全事故的眾多因素中，其中一個主要的因素是，尾礦庫庫內水位過高，造成了尾礦壩壩體的穩定性大大下降。特別是，當山洪爆發的時候，尾礦庫庫內洪水不能及時地排出，以致于洪水漫頂，沖毀了壩體，造成潰壩事故。所以，在設計的時候，正確地進行洪水計算與調洪演算，合理確定排洪設施規格尺寸，就顯得非常重要了。本文便以某尾礦庫的增容設計為例，以此研究尾礦庫洪水計算與調洪演算的實際運用及其效果。

1 工程概述

該尾礦庫原初期壩是碾壓式透水堆石壩，其子壩一共是13級，壩體總高為50m，此次，要增容建設的尾礦庫，其初期壩也是碾壓式透水堆石壩。建設地點位于原尾礦庫初期壩下游約500m處，擬建初期壩壩體總高為20m。后期子壩采用上游式尾砂堆筑，每級子壩高為2m，子壩一共30級，壩體總高為80m。則新增的總庫容716.7萬m3，新增的有效庫容則為460萬m3。該尾礦庫為三等庫。初期壩以上整個庫區，總的匯水面積是1.66km2，這其中，計劃建設的初期壩至攔洪壩之間的匯水面積是0.91km2，攔洪壩以上的匯水面積是0.75km2。

2 洪水計算與調洪演算的方法

根據《尾礦設施設計規范》要求，增容后的尾礦庫，防洪標準是按照500年一遇進行設防的。

2.1 洪水計算

因為該庫的匯水面積屬于比較小的，為小流域洪水計算。該尾礦庫的洪水，來自于礦漿排水以及大氣降水。洪水的形成，也是由于坡面匯流。所以，此處采取坡面匯流對洪水進行相關計算。公式為：

t為時段長，N是山坡糙率，l是支流的長度，w是流域的長度，從分水嶺起計算，F是流域匯水的面積，P是一條等高線的長度，d是相鄰的等高線的差。

2.2 調洪演算

調洪演算則采取了水量平衡的計算方法，任何一個時段，該尾礦庫庫內的水量平衡的方程式為：

3 洪水計算與調洪演算的實施

依照不同的運行情況，對尾礦庫進行不同工況下的分析與計算：

首先，當尾礦庫運行到860m標高之前時，主溝與支溝共同排洪。其次，當尾礦庫運行到860m～890m標高之間時，主溝與支溝分別排洪。最后，當尾礦庫運行到890m到896m標高之間時則主溝單獨排洪。

3.1 參數取值

取值時，依照尾礦庫所在地的水文資料，獲取了相關參數的值。可見表1。

表1 水文參數取值

表中，H是年最大24h的降雨量。K是模比系數，通過查表將其確定。是暴雨遞減指數n的取值。μ是產流歷時內流域平均入滲率。J是頻率為p的24h降雨量。是頻率為p的暴雨雨力。L是由壩址到分水嶺的主河槽的長度。

依據該尾礦庫的相關資料，可知在不同標高的情況下，匯流計算的相關參數值。可見表2。

表2 匯流參數值

3.2 結果與分析

3.2.1 運行時的計算結果

該工程的排洪設施計劃采用排水井、排水支、主隧洞、消力池型式。則排洪過程中形成自由泄流。排水井的過水能力，采取如下的公式進行計算：

H是溢流堰泄流水頭；NW是同一個橫斷面上的排水口個數；b是一個排水口的寬度；NW為7；b為1.3；。

通過計算，結合地形圖，可獲得在三種運行情況下，相應的調洪庫容、泄流量。三種運行情況下的結果見表3～表8。

表3 第一種工況的調洪庫容

表4 第一種工況的泄流量

表5 第二種工況的調洪庫容

表6 第二種工況的泄流量

表7 第三種工況的調洪庫容

表8 第三種工況的泄流量

3.2.2 三種工況下的分析

經過上述的計算，我們可以看到，在第一種工況下的該尾礦庫，最大泄流量是6.7立方米每秒，而需要的調洪庫容是22616m3，小于該尾礦庫所具備的調洪庫容，且最高的洪水位為857.7m，小于860m的灘頂標高。且最小安全超高與最小干灘的長度皆滿足防洪安全的要求。所以第一種工況下的排水系統能夠達到相應的排水防洪的要求。

在第二種工況下，支溝、主溝的排水設施，分別獨立運作，因此，支溝、主溝需要分別進行洪水計算與調洪演算。經過上述計算，第二種工況下主溝、支溝的最大的泄流量分別是5.3立方米每秒，5.1立方米每秒。需要的調洪庫容分別是11262m3、5776m3，分別小于該尾礦庫所具備的調洪庫容。最高的洪水位則是888.7m、888.3m，皆小于890m的灘頂標高。且最小安全超高與最小干灘的長度皆滿足防洪安全的要求。所以，第二種工況下，排水系統依然能達到相應的排水防洪的要求。

第三種工況，支溝退出運行，而主溝正常工作。經過上述計算可知，第三種工況下，主溝的最大泄流量是7.12立方米每秒。需要的調洪庫容是28267m3，小于該尾礦庫所具備的調洪庫容，最高洪水位是893.7m，小于896m的灘頂標高。且最小安全超高與最小干灘的長度皆滿足防洪安全的要求。所以，第三種工況下，排水系統也能達到相應的排水防洪的要求。

4 結語

經過上述洪水計算與調洪的演算，可知，即使當遇到五百年一遇洪水的時候，該尾礦庫的排水設施也能夠達到相應的泄洪要求。所以，可以以上述洪水計算與調洪演算的結果為依據，制定相應的防洪排汛預案，落實好相關的防洪與應急工作，唯此，方能杜絕因洪水導致的尾礦庫安全事故。