水量平衡法在尾矿库调洪计算中的应用

赵永志

(中冶北方(大连)工程技术有限公司)

尾矿库是用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，也是矿山必需的生产设施，同时还是一个人造泥石流高危险源，因此，汛期当中的尾矿库安全更是矿山工作的重中之重。据统计，截止到2017年底，全国各类尾矿库共计7 793座，其中三等以上大、中型尾矿库989座，占比约12.7%，四、五等尾矿库6 804座，占比约87.3%。中、小型尾矿库往往由于建设过程中设计、施工不规范，生产运行管理过程中缺少经验，更容易发生安全生产事故。

尾矿库安全度主要根据尾矿库防洪能力和尾矿坝的坝体稳定性分为危库、险库、病库、正常库四级。近几年，随着各级人民政府及企业对尾矿库治理投入的加大，病、危、险库的数量逐年减少(表1)，但仍然有一些尾矿库存在着各种安全隐患。从2001—2013年，全国共发生尾矿库事故85起，其中死亡事故19起，死亡364人。在85起事故中排洪设施损坏的24起，洪水漫顶的13起，与汛期洪水相关的安全事故占43.5%。

表1 全国尾矿库近年来危险等级变化情况

因此，在尾矿库设计中，通过合理的计算方法对尾矿库进行调洪计算，确定安全可靠的排洪构筑物尺寸，是保证尾矿库安全度汛的前提。

1 尾矿库排洪构筑物的类型

尾矿库库内排洪构筑物通常由进水构筑物和输水构筑物组成。排洪构筑物形式的选择应根据尾矿库排水量的大小、尾矿库地形、地质条件、使用要求及施工条件等因素，经技术经济比较确定。

尾矿库常用进水构筑物有排水井、排水斜槽、溢洪道和截洪沟。排水井是最常用的进水构筑物，有窗口式、框架式、框架窗口组合式等多种型式，常用的排水井结构形式见图1。排水斜槽既是进水构筑物，又是输水构筑物，随着库水位的升高，进水口的位置不断向库尾延伸，由于进水量较小，一般在排洪量较小时采用。溢洪道常用于一次性建坝的尾矿库或在尾矿库使用后期作为闭库的永久排洪设施中采用。

图1 常用排水井结构形式

尾矿库常用的输水构筑物有排水管、隧洞、斜槽等。排水管是最常用的输水构筑物，一般埋设在库区底部，通常采用钢筋混凝土结构，常用的排水管结构形式见图2。排洪隧洞的结构稳定性好，泄流量大，是大、中型尾矿库常用的输水构筑物[1]。

尾矿库排洪构筑物通常由一种或多种进水构筑物与输水构筑物组合而成，构成一套完整的排洪系统。尾矿库排洪构筑物应优选事故率较低的排水井加隧洞等排洪形式，同时尽量在尾矿库上游或库外设置截洪设施，从而减少入库洪水量，减缓库内排洪压力[2]。

图2 常用排水管结构形式

2 水量平衡法

2.1 计算原理

调洪计算的目的是根据既定的排洪系统确定所需的调洪库容和泄洪流量，对一定的来水过程线，排水构筑物越小，所需的调洪库容就越大。设计通过不同尺寸排洪系统的调洪计算结果，合理确定排水构筑物的尺寸，保证尾矿库能够安全度汛，并使工程的投资最优。

采用水量平衡法进行调洪计算就是求解尾矿库任意时段的水量平衡方程的过程，任意时段的水量平衡方程为[3]

(1)

式中,Q1、Q2为某时段始、终尾矿库的来洪量,m3/s；q1、q2为某时段始、终尾矿库的泄洪量,m3/s；V1、V2为某时段始、终尾矿库的蓄洪量，m3；Δt为某时段的时间，s。

尾矿库调洪计算的过程可用图3表示。

图3 尾矿库调洪计算示意

尾矿库的来洪量即尾矿库洪水产生的过程，可通过水文计算得出洪水过程线。尾矿库的泄洪量与排洪构筑物的布置、形式、断面大小、泄流状态等参数有关，设计过程中应根据试算选取。

2.2 排洪构筑物泄流量计算

2.2.1 排水井泄流量计算

当为堰流时,计算公式为

(2)

式中,q1为排水井泄流量,m3/s；g为重力加速度，一般取9.8 m/s2；L为有效进水宽度,m；m为堰的流量系数；H为堰上水头,m。

当为孔口出流时,计算公式为

(3)

式中,F为孔口面积，m2；μ为孔口的流量系数；其他符号意义同上。

堰流和孔口流分界水头为

Hkp=(Fμ)/(Lm) .

(4)

2.2.2 排水管(隧洞)进口泄流量(半压力流)计算

计算公式为

(5)

式中,q2为排水管(隧洞)进口泄流量，m3/s；f为管道面积，m2；h1为堰顶至管道进口高差，m；μ′为流量系数;其他符号意义同上。

2.2.3 排水管(隧洞)出口泄流量(压力流)计算

计算公式为

(6)

3 计算实例

3.1 工程概况

某尾矿库采用上游法湿排工艺堆存，6柱框架式排水井作为进水构筑物，排水井内径为3 m，井柱宽0.4 m。井下接排水管作为输水构筑物，排水管内径为1.2 m。

尾矿库堆积至230 m标高时级别为三等库，防洪标准上限采用规范要求的500 a一遇，设计需对尾矿库230 m标高的防洪能力进行校核及调洪计算，验证尾矿库的最小安全超高和最小干滩长度是否满足规范的要求。

3.2 水文计算结果

通过水文计算，尾矿库500 a一遇的洪峰流量为50.4 m3/s，洪水总量为21.7万m3，洪水过程线概化为三角形，洪水过程线见表2和图4。

表2 尾矿库洪水过程线计算结果

图4 尾矿库洪水过程线示意

3.3 尾矿库调洪库容

尾矿库堆积标高为230 m时，按照正常水位标高297.5 m，尾矿沉积滩坡度1%计算，230 m标高以下的调洪库容见表3。

表3 尾矿库230 m标高的调洪库容

3.4 水力计算

按照不同标高分别计算进水构筑物(排水井)、输水构筑物(排水管)进口和出口的泄流量，计算出的最小泄流量为控制泄流量，尾矿库排洪构筑物泄流量计算结果见表4。

3.5 调洪计算

将洪水过程线划分为若干时段，分别计算各个时段尾矿库的入库水量和出库水量，当入库水量大于出库水量时，将占用尾矿库的调洪库容，库内水位升高；当入库水量小于出库水量时，库水位降低。时段划分的越多，计算的工程量越大，计算的结果也越精确，计算过程中可根据洪水过程线的时长合理划分时段。尾矿库调洪计算结果见表5、图5，库水位与泄流量的关系见图6。

由计算结果可以看出，尾矿库排洪系统泄流初期是由排水井堰流控制流量，当库水位由正常水位标高227.5 m上升至228.8 m时，泄流量由排水管压力流控制。洪水产生2.04 h以后，洪水占用的调洪库容达到最大值，库水位上升至228.88 m，库区水位升高了1.38 m，尾矿库滩顶标高为230 m，尾矿库

表4 尾矿库排洪构筑物泄流量计算

表5 尾矿库调洪计算结果

图5 尾矿库调洪计算结果曲线

仍然有1.12 m的安全超高，按照尾矿沉积滩坡度1%计算，尾矿库遭遇设计500 a一遇洪水时仍然有112 m的干滩长度，满足上游式尾矿堆积坝最小安全超高0.7 m和最小干滩长度70 m的要求。2.04 h以后，尾矿库的泄洪量大于来洪量，库水位逐渐降低。

图6 库水位与泄流量关系曲线

4 结 语

尾矿库防洪安全是影响尾矿库安全的重要因素之一，由于尾矿库排洪构筑物的多样性，尾矿库的调洪计算比较复杂。水量平衡法是尾矿库调洪计算的基本方法，也是《尾矿设施设计规范》(GB50863—2013)要求采用的方法，采用水量平衡法进行尾矿库调洪计算，将洪水过程分成若干时段，通过计算来水量和泄水量，可以掌握洪水过程全历时的尾矿库水位变化情况，对尾矿库汛期安全生产具有重要的指导意义。尾矿库设计人员及安全管理人员应该掌握水量平衡法进行尾矿库调洪计算，对尾矿库不同运行时期的各控制标高进行计算，给出正常水位、最高洪水位，控制尾矿库运行时的调洪高度、干滩长度等参数，是尾矿库安全度汛的可靠保障。