尾矿库明渠排洪系统调洪演算方法

闫 鹏

(化工部长沙设计研究院)

尾矿库明渠排洪系统调洪演算方法

闫 鹏

(化工部长沙设计研究院)

在尾矿库闭库治理、截洪型新建尾矿库工程中，明渠作为排洪系统应用较为广泛。排洪系统是尾矿库的重要构筑物，直接关系到尾矿库工程的经济与安全。目前，明渠应用存在的问题：设计流量直接按洪峰流量计算，造成明渠设计断面偏大；明渠缓流状态时未考虑淹没系数对流量的影响，存在防洪安全隐患；明渠急流状态未设置过渡段，致使断面设计偏大。针对以上问题，利用临界底坡将明渠进口的流态分为自由出流、淹没出流，给出了矩形断面进口自由出流状态下的临界水深、临界流速、临界底坡的计算公式；根据明渠进口的流态，分别给出了明渠缓流、急流泄流关系的计算步骤；根据区域洪水过程线、调蓄库容曲线及泄流关系曲线，进行了尾矿库调洪验算。

尾矿库 明渠 排洪系统 调洪演算 临界底坡

尾矿库是贮存金属非金属尾矿或其他工业废渣的场所，是矿山三大控制性工程之一[1-2]。一般情况下，尾矿库由初期坝、堆积坝、排洪系统等安全设施组成。其中排洪系统是尾矿库安全设施的重要组成部分，其泄流能力关系到尾矿库的防洪安全。

根据有关统计资料显示[3-4]，国内尾矿库病害事故中，排洪系统的病害事故占33.3%，洪水漫顶占44.4%[3]，我国有色金属矿山因排洪系统失事引起的灾难几乎占尾矿库事故的50%。

尾矿库调洪验算是根据相应等别、相应标准的尾矿库洪水过程线、尾矿库的调蓄库容曲线，验算设计排洪系统的排洪能力能否满足规程规范对尾矿库最小安全超高、最小干滩长度的要求。

明渠作为排洪系统结构形式的一种，在尾矿库工程中应用较为广泛。对于停止使用、需要整改闭库的尾矿库，或汇水面积较大，需要截洪的尾矿库，线路两侧没有不良地质作用如滑坡、泥石流等的情况下，采用明渠作为排洪形式具有较大的优势：明渠受力要求不高；易于检修和维护，相对排水管、排水隧洞造价低，施工方便。

目前明渠应用存在以下几个问题：未进行调洪验算，明渠的设计流量直接按洪峰流量计算，造成设计断面偏大；缓流状态时未考虑淹没系数对流量的影响，造成明渠防洪存在隐患；急流状态未设置合理过渡段，造成明渠断面设计偏大。

为此，利用临界底坡将明渠进口的流态分为自由出流、淹没出流两种。根据明渠进口的流态、断面、坡度等进行泄流关系计算；根据区域洪水过程线、调蓄库容曲线及泄流关系曲线，进行尾矿库调洪验算，以期达到防洪能力满足规范要求、经济合理的目的。

1 水流流态

根据水力学中的微波实验[5]，当水流断面平均流速大于微波相对波速时，水流为急流，干扰波不能向上游传播；当水流断面平均流速等于微波相对波速时，水流为临界流，干扰波不能向上游传播；当水流断面平均流速小于微波相对流速时，干扰波能向上游传播。

1.1 进水口流态

根据明渠进口上游河沟的底坡、断面，明渠的泄流形式分为以下4种：

iu>iuk，i>ik时，水流上游为急流，明渠内为急流，从急流到急流，不经过临界水深；

iu>iuk，i

iu

iuik时，水流上游为缓流，明渠内为急流，从缓流到急流，经过临界水深，

1.2 临界底坡

在棱柱形渠道中，断面形状尺寸和流量一定时，若水流的水深恰好等于临界水深，则此渠道坡度称为临界底坡。临界底坡的计算[6]：

(1)

由明渠均匀流的公式可知，流量一定时，明渠均匀流坡度越大，水深越小;坡度越小，水深越大。

式中,h为明渠均匀流正常水深，m，hk为明渠临界水深，m；Vw为微波流速，m/s；Vk为临界流速，m/s。

无底坎堰流的计算式[7]：

(2)

临界水深的计算式：

(3)

取α=1.0，根据式(2)、式(3)，得出临界水深、临界流速、临界底坡的计算式:

hk=H0μ2/3;

(4)

(5)

(6)

1.3 自由出流泄流关系曲线

当i≥ik时，明渠流态为急流，此时干扰波向下游传播，明渠进水口处堰流为无底坎自由出流。自由出流时，无底坎堰流计算为式(2)，式中淹没系数σs为1.0。

根据明渠进口的形状、明渠与上游水面宽度的比值，查无底坎堰流流量系数表，取m值。

自由出流的无底坎堰流，给定上游总水头H0，按式(2)直接计算流量Q。

当忽略上游水流的行进流速时，上游总水头H0与流量Q可以形成泄流关系曲线。

1.4 淹没出流泄流关系曲线

当i

宽顶堰的淹没系数σs根据淹没度(hs/H0，hs为下游正常水深，m)查表取值。

2 调洪演算

根据既定的排洪系统确定所需的调洪库容与泄流流量。调洪演算的基本原理就是水量平衡方程[8]：

(7)

式中，Δt为库内任一时段，s；Qs、Qz分别为时段Δt始、终尾矿库的来洪流量，m3/s；qs、qz分别为时段Δt始、终尾矿库的泄洪流量，m3/s；Vs、Vz分别为时段Δt始、终尾矿库的蓄洪量，m3。

根据全库容和坝高，可以将尾矿库分为五等[9]，如表1所示。不同等级的尾矿库防洪标准如表2所示。构筑物的等级根据尾矿库的等别划分为5级，如表3所示，尾矿坝是尾矿库的主要构筑物，其级别与等别一致，每个级别尾矿坝的最小安全超高、最小滩长[10]的要求见表4所示。

表1 尾矿库等别

3 算 例

某尾矿库采用上游法筑坝，等别为五等，防洪标准为100a一遇，尾矿沉积滩坡度为1%，库区内洪水过程线见表5所示，调蓄库容表见表6所示，排洪系统采用排洪明渠。尾矿库坝顶标高为745.0m，最低进水口标高为742.0m，出口标高为738.0m，线路长度为185m，设计该明渠断面，并进行防洪安全分析。

表2 尾矿库防洪标准

注：初期指尾矿库启用后的头3～5a。

表3 尾矿库构筑物级别

表4 上游式尾矿坝的最小安全超高与最小滩长

表5 洪水过程线

表6 调蓄库容关系

(1)首先假定明渠进口为无底坎堰流自由出流。设计明渠为混凝土结构，糙率系数n=0.016，进口为矩形直角，宽度3 m，按照无底坎堰流自由出流计算公式，忽略行进水头，计算的泄流关系见表7所示。

(2)根据库区洪水过程线、调蓄库容关系曲线、泄流关系曲线进行调洪验算，结果见表8所示。

表7 泄流关系

表8 调洪验算结果

从表8可以看出，尾矿库的安全超高为0.46 m，干滩长度为46 m，可以满足规程规范对五等库的防洪要求。最高洪水位为744.54 m，调洪水深为2.54 m，最大下泄流量为18.86 m3/s。

(3)根据调洪水深、进口宽度，按式(4)计算渠道的临界水深为1.591 m，按式(5)计算渠道的临界流速为3.713 m/s，按式(6)计算渠道的临界底坡为1.177%。

(4)明渠进、出口之间的高差为4 m，长度为185 m，故实际坡降为2.162%，大于临界底坡，其流态为急流，进口为自由出流，假定正确。

(5)明渠断面优化设计。明渠底宽为2.0 m，主排水段的平均坡度为0.017。根据最大下泄流量18.86 m3/s，计算明渠正常水深为1.6 m，流速为5.9 m/s。

(6)过渡段设计与计算。过渡段上游的水深取临界水深、宽度取进水宽度，下游水深取明渠正常水深、宽度取明渠底宽。根据实际地形，过渡段的平均坡度取0.08，按明渠恒定非均匀流的公式计算，当过渡段的末端流速与明渠流速相等时，过渡段的长度为13.82 m。

明渠进口过水断面为3.0 m×1.69 m，过渡段上游过水断面为3.0 m×1.69 m，末端过水断面为2.0 m×1.6 m，平均坡度为8%；明渠过水断面为2.0 m×1.6 m，平均坡度为0.017。

4 结 论

在尾矿库工程中，采用明渠作为排洪系统时，需要判断明渠进口的流态是自由出流还是淹没出流。明渠进口为自由出流时，可以通过无底坎堰流自由出流公式计算出泄流关系曲线；明渠进口为淹没出流时，需要考虑明渠的正常水深，试算后得出明渠泄流关系曲线；当明渠进口为自由出流，且实际坡度较大时，可以通过设置过渡段，优化明渠断面。

[1] 唐 猛,邓书申.主沟槽长度计算方法对尾矿库防洪安全的影响分析[J].安全与环境工程,2009,16(2):93-94.

[2] 魏作安,尹光志,沈楼燕,等.探讨尾矿库设计领域中存在的问题[J].有色金属：矿山部分,2002(4):44-45.

[3] 彭承英.尾矿库事故及预防措施[J].有色矿山,1969(5)：38-40.

[4] 徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J].工业建筑,2001(1)：69-71.

[5] 吴持恭.水力学[M].北京.高等教育出版社,1982.

[6] 水工设计手册编委会.水工设计手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2011.

[7] 李炜主.水力计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[8] 邰自安,孙景敏,冯煜彪，等.某尾矿库排水系统防洪能力验算及评价[J].现代矿业,2011(8):136-137.

[9] 中国有色金属工业协会.GB 50863—2013 尾矿设施设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[10] 国家安全生产监督管理总局.AQ 2006—2005 尾矿库安全技术规程[S].北京：煤炭工业出版社，2005.

Flood Regulating Calculation Algorithm of Open Channel Drainage System of Tailing Ponds

Yan Peng

(Changsha Design Research Institute,Ministry of Chemcial Industry)

In the closed treatment of tailing ponds and the intercepting flood type new tailing pond project, open channel has been widely applied as drainage system. Drainage system is an important structure of tailing pond, it is directly related to economic and security engineering of tailing pond. At present, there are several problems of the application of open channel are existed: flood regulating calculation is not conducted, design of open channel flow is directly calculated by peak flow, resulting in open channel cross-section design is too large; the influence of the submerged coefficient flow is not considered in channel slow state, so, flood control safety hazards are existed; the transition section is not set in channel rapids state, resulting in the design of cross section is too large. In view of the above problems, the flow of imports of open channel is divided into free flow submerged discharge flow by using the critical bottom slope. The calculation formulas of critical depth, critical flow velocity and critical bottom slope are given under the state of rectangular import free flow. According to the flow state of the imports of open channel, the calculation steps of the discharge relationship between slow flow and jet flow are given respectively. The flood regulating calculation is conducted based on the regional flood process line, storage capacity curve and discharge curve of tailings.

Tailing pond, Open channel, Drainage system, Flood regulating calculation, Critical bottom slope

2015-04-30)

闫 鹏(1981—)，女，410117 湖南省长沙市雨花区洞井铺洞株路6号。