楔形进水口在斜槽式排洪设施中的创新应用

刘瀚和，余国平

（中国瑞林工程技术有限公司，南昌330031）

楔形进水口在斜槽式排洪设施中的创新应用

刘瀚和，余国平

（中国瑞林工程技术有限公司，南昌330031）

通过分析斜槽—管（或隧洞）排洪设施的水力学原理，创造性设置一个楔形进水口置于拱盖板斜槽上，大大增加其自由泄流过流量，解决其因调洪水深小而泄流能力不足的问题。

楔形进水口；拱盖板；尾矿库

尾矿库是堆存金属非金属矿山排出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］。国内大多尾矿库由初期坝、堆积坝、排洪设施等安全设施组成，其中排洪设施是尾矿库的必要组成部分。有关统计资料显示［3－4］，国内尾矿库病害事故中，我国有色金属矿山因排洪设施失事引起的灾难几乎占尾矿库事故的50%。排洪设施设计的合理性关系到尾矿库的防洪安全，影响到尾矿库的安全稳定与工程投资。

斜槽式排洪系统作为尾矿库常见的排洪设施之一，主要应用于泄洪流量不大的尾矿库，其进水构筑物为斜槽，泄水构筑物为斜槽与涵管（或隧洞）。斜槽按盖板类型区分为拱盖板斜槽和平盖板斜槽两种。拱盖板在结构受力条件上比平盖板好，而在小水头情况下，拱盖板斜槽的泄流能力却不如平盖板斜槽［5］。为了解决拱盖板斜槽式排洪系统在小水头时泄流量小的问题，笔者从斜槽式排洪系统的泄流计算原理进行分析，创造性地设计了一种楔形进水口，解决了该问题。

1 计算原理

斜槽式排洪系统泄流形态随着库水位的上升有自由泄流、半压力流、压力流三种不同的泄流形态。其泄流量计算原理及公式详见《尾矿设施设计参考资料》［5－6］。

2 方案提出

笔者分析，影响斜槽式排洪系统自由泄流能力的主要为过水断面面积。传统的斜槽式排洪系统过流断面为三角形，笔者在盖板前端增设楔形进水口（见图1），将其过水断面改造为井式，从而能充分利用尾矿库水头，使泄流能力大大提高。

图1 楔形进水口示意图Fig.1 Diagram of wedged water inlet

改造后的井式进水口过流断面为椭圆形加梯形堰。根据几何计算可知，其过椭圆面周长c为：

式中：r—拱盖板内径，m；h′—拱盖板的厚度，m；β—斜槽槽身与水平面坡角。

根据《尾矿设施设计参考资料》，楔形进水口拱盖板斜槽排洪系统的自由溢流流量Qz计算公式为：

式中：m1—堰流量系数；c—椭圆面周长，m；Ht—自由泄流水头，m；β—斜槽槽身与水平面坡角。

3 工程实例

笔者设计的江西某尾矿库初期坝顶高程130.0 m，堆积坝顶高程185.0m，总坝高84.0m，对应总库容411.60×104m3，尾矿库为三等库［7］。尾矿库汇水面积0.34km2，设计洪峰流量为4.13m3/s，一次洪水总量为9.11×104m3。

尾矿库排洪系统型式采用斜槽式排洪系统。排水斜槽净宽×净高＝1.2m×1.2m，平盖板型式，盖板高度0.2m。斜槽坡度随地形而变：高程126.0～142.9m为0.294；高程142.9～185.0m为0.587。排洪隧洞净宽×净高＝1.5m×1.8m，城门洞型，纵坡0.8%。

笔者根据前述水力学计算原理，对该排洪系统的实际泄流能力进行了计算，其部分计算结果见表1。结果表明，在坝顶高程180～185m段，该套排洪系统实际泄流能力不能满足设计排洪要求。

由于平盖板结构受力情况较差，在高尾矿库中较容易出事故，故笔者将其改为拱盖板，经计算，拱盖板斜槽排洪系统的泄流能力在坝顶高程175～185m段均不能满足泄洪要求，其部分计算结果见表2。

笔者按照前述对进水口进行改造，即增加楔形进水口，经计算，整套排洪系统满足泄洪要求，其部分计算结果见表3。

表1 平盖板斜槽泄流能力验算结果Table 1 Flow capacity calculations of chute with plat plates

表2 拱盖板斜槽泄流能力验算结果Table 2 Flow capacity calculations of chute with arch plates

表3 楔形进水口拱盖板斜槽泄流能力验算结果Table 3 Flow capacity calculations of chute with arch plates and wedged water inlet

4 案例分析

为能表明平盖板、拱盖板、增加楔形进水口的拱盖板三种进水口类型的斜槽式排洪系统的过流情况，笔者针对案例尾矿库的坝顶高程185m时的排洪系统水头—泄流量关系进行计算，其结果详见图2。

通过图2，并结合所举案例，笔者得出以下几点结论：

1）自由泄流情况下，传统的拱盖板斜槽比平盖板斜槽式排洪系统的泄流能力小得较多，这是因为平盖板斜槽的自由泄流过流断面为梯形，较拱盖板斜槽的三角形过流断面面积大。

图2 不同盖板排洪系统的水头—泄流量关系曲线Fig.2 Water head－flow capacity curve of flood drainage system with different plates

2）相比传统拱盖板斜槽式排洪系统，增加楔形进水口的拱盖板斜槽式排洪系统在自由泄流情况下泄流能力大大增加，且在较小的水头情况进入半压力流。况，还是在半压力流情况，过流能力都较大。究其原因，是后者的过流断面较大。自由泄流情况，后者的过流断面比前者增加了一个椭圆形的堰口；半压力流情况，斜槽式排洪系统过流断面受斜槽与盖板合体的断面面积控制，后者比前者大。

5 结论

通过在传统的拱盖板斜槽式排洪系统进口增加楔形进水口，可达到以下效果：

1）大大改善进水口的泄流条件，能更大限度地泄流，从而为尾矿库的排洪安全增加一份保障。

2）在调洪过程中，能更快使排洪系统的泄流形态进入到半压力流，从而充分利用斜槽断面，达到物尽其用。

3）在一些调洪水深较小的尾矿库中应用该系统可以解决澄清距离与排洪的矛盾，从而能更好地利用尾矿库地形，增加尾矿库库容，为矿山减少尾矿堆存成本。

［1］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），2002，54（4）：44－45.

［2］邓书申.尾矿库排洪系统设计及优化方法［J］.金属矿山，2014（2）：146－149.

［3］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.

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

［5］刘瀚和，余国平.尾矿库斜槽式排洪系统泄流能力探讨［J］.金属矿山，2012（3）：131－133.

［6］《尾矿设施设计参考资料》编写组.尾矿设施设计参考资料［M］.北京：冶金工业出版社，1980：319－340.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.尾矿设施设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2013：25－28.

Innovative application of wedged water inlet on chute flood drainage facilities

LIU Hanhe，YU Guoping
（China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang 330031，China）

Through analyzing the hydraulic principle of chute－pipe（or tunnel）flood drainage facilities，a wedged water inlet is creatively designed to be placed on the chute with arch plate，with which the flow capacity increases significantly，and the problem of its inadequate flow capacity with low flood regulation water head is solved.

wedged water inlet；arch plate；tailings pond

TD442

Α

1671－4172（2015）02－0088－03

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.020

“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划项目（赣财行指［2012］165号）

刘瀚和（1985－），男，工程师，硕士，水工结构专业，主要从事尾矿设施、工（矿）业固体废物贮存与处置堆场的设计与研究工作。