厄瓜多尔Mirador铜矿北排洪沟洪峰计算及水力设计

(中铁十四局集团海外工程分公司，山东 济南 250000)

1 工程概况

Mirador铜矿位于南美洲厄瓜多尔国东南部的萨莫拉钦奇佩省，距厄瓜多尔第三大城市昆卡市直线距离约100km。Wawayme东排土场位于Mirador铜矿南矿东北面的Wawayme河谷地，用于排放南矿露天采场开挖废弃料。排土场最终堆放标高1500m，排放总高度400m，堆存容积为1.04亿m3。由于铜矿所在地区雨量充沛，平均年降水量达3000mm，河流发育，坡面汇水面积大，为降低Wawayme东排土场安全风险，需在其上游设置排洪沟对山区坡面汇水进行排导。

排洪沟采用双向排水，分为南、北两区排洪沟。北区排洪沟起点高程为1619.0m，终点高程为1580.0m，纵坡0.01，线路总长度约4.0km。根据北区排洪沟实际地形及天然冲沟分布情况，将北区排洪沟分N1、N2和N3三个分区。北区排洪沟总体平面布置如下图所示。

北区排洪沟总体平面布置图

2 洪峰计算

Mirador铜矿服务年限不小于25年，依据《冶金矿山采矿设计规范》(GB 50830—2013)附录A中矿山规模标准，Mirador铜矿属于特大型矿山工程项目，相应的防洪设计标准为：设计洪水重现期50年，校核洪水重现期100年。

本文采用推理公式法和最大清水洪峰流量计算法分别对洪峰进行计算，计算结果如表1所列。

表1 北区排洪沟洪峰流量计算结果对比

注方法一：推理公式法；方法二：最大清水洪峰流量计算法

结合排洪沟以上流域分布来看，设计流域沟道众多且分散，洪水大多以坡面形式汇流为主，按坡面洪水计算符合地区洪水特性，虽然最大清水洪峰流量计算法较推理公式计算成果小，但与实际地形地貌及流域分布符合性更好，因此推荐采用最大清水洪峰流量计算法。

3 水力设计

本文采用明渠均匀流公式进行明渠过流能力初步计算，同时考虑转弯处水面高差及安全超高，初步确定排洪沟各分区尺寸。然后采用恒定非均匀流理论计算明渠水面线，并根据水面线计算结果对排洪沟净断面尺寸进行复核。

3.1 断面尺寸初拟

3.1.1 明渠均匀流计算

根据直线段及转弯段明渠均匀流计算公式进行计算。根据现场实际地形条件、施工及线路转弯要求，N1、N2、N3区渠道最小转弯半径取为12m、12m和20m，底板宽取为2.0m、2.2m和3.0m。经计算，N1、N2、N3区明渠均匀流水力学计算结果如表2、表3所列：

表2 明渠均匀流水力学计算(设计洪峰流量)

表3 明渠均匀流水力学计算(校核洪峰流量)

由计算结果可知，设计洪峰流量下，N1、N2、N3区直线段正常水深分别为1.06m、1.16m和1.99m，转弯段正常水深分别为1.18m、1.29m和2.20m；校核洪峰流量下，N1、N2、N3区直线段正常水深分别为1.13m、1.23m和2.12m，转弯段正常水深分别为1.25m、1.37m和2.34m。

3.1.2 安全超高计算

转弯段明渠凹岸与凸岸的水面高差Δh按式(1)计算：

(1)

式中 Δh——横向水面高差，m；

v——流速,m/s；

h——正常水深，m；

r——最小转弯半径，m；

A——过流面积，m2；

g——重力加速度，m/s2。

经计算，N1、N2和N3最小转弯半径下凹岸与凸岸的水面高差分别为0.13m、0.16m和0.23m。

根据《灌溉及排水工程设计规范》(GB 50288—99)要求，排水沟设计水位不低于堤顶0.2m，结合实际工程情况，各分区排洪沟安全超高取值均为0.3m。

3.1.3 断面尺寸初拟

根据上述明渠均匀流正常水深及安全超高计算结果，初步拟定明渠净断面尺寸，如表4所列。

表4 排洪沟各分区尺寸初拟结果

注数值A/数值B，数值A为设计洪水位计算结果；数值B校核洪水位计算结果。

初拟各分区排洪沟断面尺寸分别为2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。各分区断面在遭遇校核洪水(100年一遇)时仍可以保证排水能力。

3.2 断面尺寸复核

采用恒定非均匀流理论，根据能量方程，用分段求和法计算明渠水面线，考虑明渠纵坡较小、流速较低，故不考虑掺气水深。经计算，设计洪峰流量和校核洪峰流量下明渠水面线如表5所列。

表5 明渠水面线计算成果

计算结果表明，各分区水面线均为降曲线，各分区最大计算侧墙高分别为1.68m、1.80m和2.87m，墙高均低于初拟墙高尺寸，满足计算要求。

综合上述计算成果，排洪沟各分区排洪沟断面尺寸最终确定为2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。

4 结 语

本文采用推理公式法和最大清水洪峰流量计算法两种方法对排洪沟洪峰流量进行计算。计算结果表明：最大清水洪峰流量计算法较推理公式计算成果小，但与实际地形地貌及流域分布符合性更好，因此推荐采用最大清水洪峰流量计算法。因此，洪峰流量推荐采用最大清水洪峰流量计算法成果，即：N1、N2和N3设计洪峰流量分别为9.09m3/s、2.51m3/s和24.16m3/s，校核洪峰流量分别为9.87m3/s、2.72m3/s和26.24m3/s。

根据洪峰流量计算结果，本文采用明渠均匀流计算公式，对明渠过流能力进行初步计算，并考虑转弯处水面高差及安全超高，初步拟定排洪沟各分区尺寸。进而采用分段求和法计算明渠水面线，计算结果表明：各分区水面线均为降曲线，初拟断面尺寸满足计算要求。N1、N2和N3断面尺寸最终确定为2.0m×1.7m、2.2m×2.0m、3.0m×3.0m。