尾礦庫調洪演算及下游河道合成流量計算

胡 岑

(遼寧江河水利水電新技術設計研究院有限公司,沈陽 110003)

1 概 況

某流域內有本溪鋼鐵集團公司南芬選礦廠大型尾礦庫一座,天慧礦業小型尾礦池一座,對流域內的降雨和徑流有一定的影響, 南芬選礦廠是本鋼主要的鐵精礦供應基地。經過多次改擴建,已形成年產原礦1000萬t的生產能力。南芬選礦廠原使用的小廟兒溝尾礦庫系1969年投產使用,現已閉庫。為了確保南芬選礦廠的正常生產和尾礦排放,自20世紀80年代就開始進行本鋼南芬選礦廠二期尾礦庫的選址和設計工作。新尾礦庫庫址選定在距選礦廠西南4.5 km處的徐家河流域內。

2 尾礦庫調洪演算

2.1 調洪庫容

野外調查中,在尾礦庫庫區布置了202個控制點,根據各經緯度坐標、高程及水深等數據進行了實際測量對實測數據分析,采用MATLAB軟件建立了三維模型,然后,根據各水位形成的平面切割模型可得到相應的洪水調節庫容,詳見表1。

表1 尾礦庫現狀調洪庫容

2.2 排水構筑物泄流能力

尾礦庫排水構筑物主要由排洪井、豎井、排洪隧洞、盲井組成,整個排水系統的排水量由以上四部分的最小泄洪能力決定,在低工況下,排洪井的泄洪能力起主導作用,隨著水庫水位的升高,盲井的泄洪能力起主導作用。因此,在計算排洪系統的泄洪能力時,應分別計算排洪井和盲井的最大泄洪能力[1-2]。

目前只有尾礦庫僅4#排洪井在正常工作,4#排洪井為框架型,塔高為32m,內徑為4m。連接的豎井內徑為2.5m,進水標高為316.0m。其計算公式為:

(1)

式中:Qm為最大泄量,m3/s;Mw為綜合流量系數;B為環形堰總寬(寬度為8m);Hw為進水水頭,m。其計算結果詳見表2。

表2 4#排洪塔泄流能力計算結果表

尾礦庫防汛排水系統在中、高工況下由盲井控制,因此盲井最大流量需單獨計算[3-5]。盲井是連接尾礦庫新舊泄洪隧洞的通道。它是圓形管狀的,長為30 m,內徑為2.5 m,垂直于地面。其流量計算公式為:

(2)

式中:Qm為最大泄量,m3/s;μ為流量系數(取0.263);A為過水面積(為4.91 m2);H0為總水頭,m。

其計算結果詳見表3。

表3 盲豎井泄流能力計算結果表

當水庫水位<318m時,尾礦庫的排水量采用排洪塔的最大排水量。當水庫水位>318m時,尾礦庫排水量采用盲井最大排水量。另外,庫區有一個回水塔,排水量為2m3/s,需考慮總排水量。總泄流能力詳見表4。

表4 尾礦庫排洪系統泄流能力成果表

2.3 調洪計算

根據洪水排水系統的布局,洪水調節計算根據上述計算公式進行。在啟動時的調節水位314.3m和溢洪道塔的流入水位316.00m。計算結果表明,當設計洪水為500a一遇時,由于防洪水庫的承載力相對不足,發生了洪水溢出。當設計洪水為200a一遇防洪時,根據回水系統的正常運行情況,尾礦庫可滿足設計洪水200a一遇防洪的要求。計算結果見表5,表6。

表5 尾礦庫調洪計算結果表

表6 尾礦庫200a一遇設計洪水調洪計算參數表

2.4 與原設計比較

根據不同等級的尾礦庫,按有關技術規程確定尾礦庫的防洪標準。原初步設計確定尾礦庫為二級,為500a一遇的設計防洪標準,由于原設計中排洪系統存在安全隱患,本鋼委托中鋼北方工程有限公司進行優化設計(二次)。目前,原設計的1-3#排洪塔由于尾砂堆積的影響,已無法正常工作。目前,只有4#泄洪塔運行正常。

在原設計中,泄洪洞(4.6×4.8m)的終點位于3號泄洪塔。優化設計中提出的擴建泄洪洞(2.4×2.6m)位于原泄洪洞延長線上方,通過深為30m、內徑為2.5m的盲井與之相連。這樣,泄洪系統的泄洪能力就不再依賴于兩個泄洪隧洞的泄洪能力。也就是說,盲井的排洪能力已經成為尾礦庫排洪能力的瓶頸。

原設計中提到:“在計算沉積坡灘時按實際測量的0.5%計算,水下沉積坡灘按10%計算”,在實際測量中發現,沉積坡灘的實際調洪能力平均為0.4%,這可以使原蓄洪設計的調洪能力大于實際,尾礦設計的防洪能力與實際的防洪能力存在偏差。見表7。

表7 尾礦庫調洪計算結果比較表

如果尾礦水庫滿足防洪標準每隔500a一遇, 所需蓄洪能力比現有最大蓄洪能力增加704萬m3,也大于639萬m3的原始設計。由于原設計中未提供尾礦庫排水系統的泄流曲線,因此無法確定是否與文章采用的泄流曲線一致。因此,我們判斷,沒有考慮盲井的最大排水量,也是原設計尾礦庫防洪標準與本次設計尾礦庫防洪標準不一致的原因之一。

由上述計算可知,當現有堆高為320.2m,設計洪水為500 a一遇時,調洪能力不足,水庫水位已超過壩高(即溢流)。在目前的條件下,尾礦庫的防洪標準還沒有達到500a一遇的水平。設計洪水200a一遇,在保證回水系統安全運行的前提下,尾礦庫可以滿足防洪要求。結果表明,該尾礦庫目前的防洪能力為200a一遇[6-7]。

3 安全調度方案

根據暴雨洪水分析、洪水調節計算不同頻率下,確定安全生產調度方案,見表8。

4 合成流量計算

4.1 下游河道水文計算

根據流域內河流的形態和居民的生活條件,在河流控制不變的情況下,經過認真調查,選擇控制斷面11個,縱斷面1個,位于礦水庫壩址下5.83km范圍內,針對所布設的斷面分別進行水文計算,計算其不同頻率下的設計洪峰流量,見表9。

表9 不同頻率各斷面設計洪峰流量成果

4.2 下游河道合成流量計算

徐家河流域的防洪目標是河流兩岸的居民,因此水位是第一判別參數。而對設計洪水過程沒有要求,其合成流量為不同頻率段的最大流量與相應頻率的尾礦庫的最大流量之和,見表10。

表10 各斷面不同頻率合成流量成果表

5 結 語

尾礦庫事故大多是防洪能力不足造成的, 即防洪庫容不足或泄洪構筑物泄洪能力不足。使得洪水水位超過了最高水位,導致副壩倒塌,因此,對尾礦庫進行防洪計算就顯得非常重要。改善大壩以增加蓄洪能力,上游建壩增加排洪能力是解決尾礦庫防洪能力不足的重要途徑。