斜槽盖板形式对尾矿库排洪系统泄流能力的影响

2018-01-18四川西冶工程设计咨询有限公司四川成都610051

金属矿山 2018年1期

陈雯(四川西冶工程设计咨询有限公司，四川成都 610051)

尾矿库是用以贮存矿山矿石选别后排出大量“废渣”的场所，是矿山三大控制性工程之一。通常“废渣”以矿浆形态排入尾矿库中，通过排洪系统将库内“废渣”澄清水及库区降水排出[1]。根据有关资料统计显示，我国国内尾矿库病害事故中，排洪系统的病害事故占33.3%[2]，其中有色金属矿山因排洪系统失事引起的灾害几乎占尾矿库事故的50%[3]，因此确保排洪系统的泄流能力满足尾矿库的调洪需求，防止出现尾矿库洪水漫坝溃坝是排洪系统设计的基本要求[4]。

斜槽式排洪系统是尾矿库常见排洪系统，通常由斜槽、涵管(或隧洞)构成，其中斜槽为进水构筑物，按盖板形式分为拱盖板斜槽和平盖板斜槽；管(洞)为排水构筑物[5]。对于既定斜槽式排洪系统尾矿库，其沟谷地形、降雨汇水等条件已定，通过初步调洪演算可基本确定排洪系统形式、坡度、断面尺寸与最大下泄流量。此时可考虑通过改变盖板形式来优化斜槽断面，使斜槽在槽身尺寸一定的情况下实现泄流能力最大，与管(洞)的排水能力更加匹配，达到充分泄流，进而提高排洪系统整体的泄流能力。此前，刘瀚和、余国平对斜槽盖板类型与泄流能力关系进行了分析，认为水头较低时平盖板斜槽进水能力更强[6]，并提出在拱盖板斜槽上设置楔形进水口以提高泄流能力的方法[7]。本研究以某尾矿库排洪系统为模型原型，用控制变量法来分析斜槽盖板拱角、调洪水深的改变对排洪系统泄流能力的影响，得到盖板拱角与斜槽泄流能力存在最优关系，并由此提出斜槽断面优化的一种思路。

1 斜槽泄流能力的确定

1.1 基本计算原理

一般而言，随进水口水深变化，斜槽式排洪系统泄流形态分为3种状态[5]：①斜槽上水头较低时，为自由泄流，一般为堰流(因斜槽进水口不固定，会随水位与盖板上沿最高点的位置关系而变化，又可细分为盖下堰流、盖上堰流，两者进水位置、过水断面均不同)；②库水位升高，斜槽入口被淹没时，泄流量受斜槽断面控制，称为半压力流；③当库水位继续升高，斜槽和管(隧洞)均呈满管流时，即为压力流。

各流态的泄流量计算原理及公式详见《尾矿设施设计参考资料》。通常，库水位位于斜槽盖板以下时，该排洪系统为唯一的自由泄流状态，当库水位超过盖板后，泄流可能为3种流态中的一种，应分别计算3种流态的泄流能力，制作泄流关系曲线，取3种流态下最小流量值作该水位下的泄流能力。

1.2 确定泄流能力的约束条件及步骤

(1)进水口处的调洪水深。进水口处的调洪水深由尾矿库滩长、平均沉积坡度、澄清水深等因素综合确定，设计洪水位至进水口的高差HJ需扣除安全超高HA[8]、澄清水深HC之后，才是进水口的调洪水深HT，即HT=HJ-HA-HC。

(2)有效泄流流态。斜槽盖板在运行过程中是单个、逐步浇筑而成，其封闭性不如涵管和隧洞，全压力泄流状态下，容易溢水，因此在实际运行中，应避免有压流的形成，仅设定无压流为有效流态，包括盖下堰流、盖上堰流和半压流。

从泄流关系曲线上，根据调洪水深HT确定出斜槽理论上的最大泄流量QT，根据有压流泄流曲线与无压流泄流曲线交点确定出最大有效泄流量Qη，该水位下斜槽实际最大泄流能力

如果Qmax>QX(调洪演算要求的最大下泄流量)，则满足防洪要求。

2 模型设定

以某尾矿库斜槽式排水系统(斜槽+涵管)为模型原型，其中涵管为钢筋混凝土结构，圆拱直墙式，全长L=200 m，进水口中心高程500 m，出水口中心高程498 m，纵坡1%，具体净断面尺寸见图1。斜槽为钢筋混凝土结构，进水口高程504.8 m，出水口高程500.0 m，坡度10%，槽身结构尺寸为槽内宽1.0 m，槽内直壁高0.5 m，槽身下拱底半径0.5 m，槽侧壁厚0.3 m，盖板厚0.2 m。

图1 排水涵管断面(单位：m)Fig.1 Section of drainage culvert

以调洪水深、盖板形式(即盖板拱角α)作为分析变量，其中斜槽断面形式按盖板形式分为平盖板槽(视为0°拱盖板)、90°拱盖板槽、120°拱盖板槽、150°拱盖板槽、170°拱盖板槽、180°拱盖板槽6种，具体净断面尺寸见图2、图3。

图2 斜槽平盖板断面(单位：m)Fig.2 Section of flat board of chute

图3 斜槽拱盖板断面(单位：m)Fig.3 Section of arch cover of chute

3 模型计算结果与分析

经计算，不同盖板形式斜槽的泄流能力结果见表1，特定调洪水深下流量、流态结果见表2。盖板形式与流态水头关系见图4；盖板形式与流态流量关系见图5；盖板形式与流态流量增速关系见图6。不同盖板形式对应的泄流关系曲线见图7。

表2 特定调洪水深下斜槽泄流流量、流态结果Table 2 Discharge and state of the flow under specific flow depth

3.1 盖板形式与泄流流态的关系

表1中压力流起点水位是有压流泄流曲线与无压流泄流曲线交点对应水位，各拱角盖板形式对应的压力流起点水位连线即为有效流态边界，是半压流/压力流转换的分界线。随拱角α增大，斜槽从无压流进入有压流的起点水位呈降低趋势，即半压流/压力流转换越快，如表2中HT=3.4 m时180°拱流态为压力流，170°拱流态为半压流/压力流转换临界点。同理，表1中各流态起点水位都是流态转换分界线，由表1可见，随拱角α减小，斜槽的盖下堰流、盖上堰流、半压流起点水位呈降低趋势，即拱角α越小，盖下堰流—盖上堰流—半压力流转换越快，也可对比表2中HT=0.3～0.5 m时各盖板形式流态变化来直观看出。

当某盖板形式的调洪水位位于其有效流态边界之上时，调洪水深下的流态为有压流，有效流态边界与进水口的水位之差即为实际有效调洪水深Hη，根据位置关系可知Hη

3.2 盖板形式与流态水深关系

盖板形式与流态水深关系如图4所示。

图4 盖板形式-流态水深关系Fig.4 Relationship between the form of the cover and the flow depth直线—盖上堰流起始水位；▲—半压力流起始水位；●—HT=2.5 m时的有效水深；■—HT=3.4 m时的有效水深

从图4可见，斜槽盖板的拱角α越小，盖上堰流起点水位H2越低，盖下堰流对应的调洪水深范围D1越窄，盖上堰流对应的调洪水深范围D2越宽，比如平盖板的盖上堰流起点水位H2=0.1 m，而180°拱的盖上堰流起点水位H2=0.55 m，平盖板的D1=0～0.1 m，D2=0.1～0.33 m，D2约是D1的2倍；反之，斜槽盖板的拱角α越大，盖下堰流对应的调洪水深范围D1越宽，而盖上堰流对应的调洪水深范围D2越窄，甚至为0，即流态直接从盖下堰流转换为半压流，如170°拱、180°拱， 180°拱的D1=0～0.55 m,D2=0 mm；同时，整个堰流的调洪水深范围DW随拱角α单调递增，比如平盖板堰流的水深范围最小，DW=0～0.33 m；180°拱堰流的水深范围最大，DW=0～0.55 m。堰流水深以上至有效调洪水深以下范围内的泄流流态均为半压力流。

3.3 盖板形式与流态流量关系

盖板形式与流态流量关系如图5所示。

图5 盖板形式(拱角α)-泄流量关系Fig.5 Relationship between chute cover form(arch angle) and discharge△—绝对堰流(HT=0.3 m);□—堰流/半压流混合流态(HT=0.4 m);○—堰流/半压流混合(HT=0.5 m);◇—半压力流(HT=2.5 m);◆—半压流/压力流混合(HT=3.4 m);粗直线——堰流末期；▲—盖下堰流末期

从图5可见，各盖板形式对应的堰流流态末期流量QW随拱角α单调递增，平盖板最小，180°拱最大，后者为前者的1.72倍。可见当HT水深足够满足各形式盖板经历完整的堰流流态时，并不是平盖板堰流泄流能力最强，而是拱角α越大，堰流泄流量越大。

流态从堰流转入半压流后，当相同调洪水深下，各盖板形式对应的ηh=100%时，斜槽泄流量QP随调洪水深HT单调递增，如图中HT=2.5 m流量线；若出现ηh≤100%的时，即有盖板形式对应流态已从半压流转入有压流，则有效斜槽泄流能力不再随拱角α增大而增大，此时仍满足ηh=100%条件下的最大拱角α对应的泄流量QP最大，如图5中HT=3.4 m泄流量线上，180°拱对应的ηh<100%，其余形式盖板对应的ηh=100%，其中170°拱角最大，其泄流量也最大。

相同调洪水深时，当各盖板均为堰流流态(即绝对堰流区)，盖板拱角α越小，泄流量越大，如图5中HT=0.3 m，平盖板的泄流量Q(0°)最大。分析原因：综前所述，拱角α越小，有效流态间转换越快，故平盖板最早转入盖上堰流，同时由图6可知，盖上堰流流量增速V2>盖下堰流流量增速V1，故等量水深增长时，平盖板泄流量增长幅度最大，泄流量最大。

相同调洪水深时，当流态处于堰流、半压流混合时，先转入半压力流的盖板形式对应的泄流曲线与仍处于堰流的盖板形式对应的泄流曲线有个流量交点，交点之下，拱角α越大的盖板对应的半压流泄流量最大；交点之上，拱角α越小的盖板对应的堰流泄流量最大。分析原因：由图6可知，盖上堰流流量增速V2>盖下堰流流量增速V1>半压流流量增速V3，先转入半压流的盖板形式，流量增速迅速减小，而堰流区域的流量增速保持不变，甚至增加(流态从盖下堰流变为盖上堰流)，故不同拱角盖板的泄流曲线会出现等流量交点，且在等流量交点之后，仍处于堰流的盖板形式对应泄流量将大于已进入半压流的盖板形式对应的泄流量。如图5中，HT=0.4 m，平盖板的半压流泄流量Q0°最大；HT=0.5 m，120°拱的堰流泄流量Q120°最大。

3.4 盖板形式与流态流量增速关系

盖板形式与流态流量增速关系如图6所示。

图6 盖板形式(拱角α)-泄流量增速关系Fig.6 Relationship between chute cover form(arch angle) and discharge increment▲—盖下堰流；○—盖上堰流；直线—半压力流(HT=2.5 m)；■—半压力流/压力流混合(HT=3.4 m)

泄流量增速

V=ΔQ/ΔH，

在堰流时泄流能力由过流断面决定，半压流由斜槽面积决定，可通过泄流量计算公式理论求导得出盖上堰流流量增速V2>盖下堰流流量增速V1>半压流流量增速V3，如图六所示。V1、V3与拱角α大小呈单调递增线性关系，且V3随HT、拱角α变化的幅度很小，对斜槽槽身尺寸、坡度、长度已定的排洪系统，基本可视为定值；V2呈开口向下的曲线关系，V2先随拱角α增大而增大，后随拱角α增大而减小，存在对应最大V2值的最优拱角，如图6中，120°拱为最优拱角，其对应的V2值最大。

4 斜槽断面形式优化设计思路

斜槽断面形式优化设计思路：

(1)先计算各盖板形式下的泄流关系曲线，并确定出有效流态边界。

(2)根据设计调洪水深、有效流态边界确定水头有效利用率ηh。

(3)对ηh=100%下各盖板形式进行该调洪水深下的流态判断。

(4)如果各类盖板形式的流态处于绝对堰流区，则拱角α越小，泄流量越大；均处于绝对半压流区时，拱角α越大，泄流量越大；处于堰/半混合区时，先按各绝对流态区规律分别找出各区对应流量最大的最优拱角，再比较二者对应的流量值，大者对应的结构形式为最大流量结构代表。

(5)以最大流量结构代表对应的斜槽泄流曲线参与调洪演算，若实际下泄流量Qmax>QX(调洪演算要求的最大下泄流量)，则该盖板形式为最优断面形式，若不满足，则须根据各流态对应的流量计算公式，增大有关结构尺寸，以提高进水能力。

泄流曲线见图7，假定尾矿库调洪水深HT分别为0.3、0.5、2.5和3.5 m，要求的最大下泄流量QX分别为2.0、2.5、5.0、6.0 m3/s，斜槽断面形式优化操作过程如下。

图7 不同盖板形式对应的泄流关系曲线Fig.7 Discharge curve corresponding to different chute cover form●—平盖板；▼—90°拱盖板；◆—120°拱盖板；■—150°拱盖板；▲—170°拱盖板；直线—180°拱盖板

(1)当HT=0.3 m时，流态均处于绝对堰流区，ηh=100%，则拱角α越小，流量越大，此时平盖板是最大流量结构代表，处于盖上堰流流态，Qmax=1.49 m3/s

(2)当HT=0.5 m时，流态处于堰流/半压流混合区，ηh=100%，此时150°拱处于盖上堰流/盖下堰流临界、170°拱、180°拱处于盖下堰流，平盖板、90°、120°处于半压力流。综前所述，堰流阶段，拱角α越小，流量越大，故此流态下150°拱流量最大；半压流阶段，拱角α越大，流量越大，故此流态下120°拱流量最大；进一步比较二者流量，得120°拱为最大流量结构代表，处于半压力流流态，Qmax=2.80 m3/s>QX=2.5 m3/s时，满足防洪要求，120°拱为最优斜槽断面形式。

(3)当HT=2.5 m时，流态处于半压流区，ηh=100%，此时拱角α越大，流量越大，180°拱是最大流量结构代表，Qmax=5.51 m3/s>QX=5.0 m3/s，满足防洪要求，180°拱为最优斜槽断面形式。如果假定QX=6.0 m3/s，则无法满足防洪要求，根据半压流的泄流量计算公式，可以加大斜槽槽身断面面积以提高进水能力。

(4)当HT=3.4 m时，泄流处于半压流/压力流混合区，此时180°拱已经为压力流，其ηh<100%，则在ηh=100%的盖板形式里，拱角α越大，流量越大，170°拱是最大流量结构代表，处于半压力流流态，Qmax=6.06 m3/s>QX=6.0 m3/s，满足防洪要求，170°拱为最优斜槽断面形式。

5 结论

(1)斜槽盖板形式(拱角α)与斜槽泄流能力间存在最优关系，可通过优化拱角α，确定最优斜槽断面，以达充分泄流。

(2)泄流流态与盖板拱角α关系：盖板拱角α越小，有效流态(盖下堰流—盖上堰流—半压力流)之间的转换越快；盖板拱角α越大，有效流态—无效流态(有压流)的转换越快，即最早出现ηh<100%的情况。

(3)流态水深与盖板拱角α有关：拱角α越大，盖下堰流的水深范围D1越宽，整个堰流过程的水深范围DW也越宽。盖上堰流并不是必然存在的流态形式，拱角α增大到某值后，拱角α继续增大，斜槽流态将直接从盖下堰流进入半压流流态，无盖上堰流阶段。

(4)同调洪水深下，泄流量与流态、盖板拱角α有关：当各类盖板形式对应的泄流流态均为绝对堰流区，则拱角α越小，流量越大；当处于半压流区时，ηh=100%的盖板形式中拱角α越大，流量越大；当处于堰/半混合区时，先分别找出各自流态区内对应流量最大的拱角，再比较二者对应的流量值，大者对应的结构形式为代表结构。

(5)不同流态的流量增速(V=ΔQ/ΔH)关系为盖上堰流流量增速V2>盖下堰流流量增速V1>半压流流量增速V3，其中V1、V3与拱角α呈单调递增线性关系，槽身断面一定时，V3基本不随HT、拱角α变化；V2呈开口向下的曲线关系，存在对应最大V2值的最优拱角。

(6)进行斜槽断面设计时，应先对设计调洪水深下水头有效利用率ηh、流态进行判断，根据流态区间流量大小关系确定最大流量对应的盖板拱角，以此作为最大流量结构代表，其对应的泄流曲线参与调洪演算，若实际下泄流量Qmax>QX(调洪演算要求的最大下泄流量)，则该盖板形式为最优斜槽断面形式，若不满足，则须根据各流态对应的流量计算公式，增大有关结构尺寸，以提高进水能力。

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