大西沟铁矿排水井泄流能力试验及体型优化

郑利娜，赵世忠

(陕西自然资源勘测规划设计院股份有限公司，陕西 西安 710000)

近年来，我国水利水电工程建设技术取得的重要技术突破，建成了一批具有世界水平的工程，泄水建筑物作为重要的水利枢纽，引起了设计人员高度重视，但是理论计算无法反映泄水建筑物运行时真实工况，因此需要通过水工模型对其进行验证，提供水力学依据，提出优化泄水建筑物体型措施，为设计人员提供参考[1]。

1 工程概况

陕西大西沟矿业有限公司（简称矿业公司）是具有独立法人资格的陕西龙门钢铁集团有限公司控股的股份制子公司，矿业公司所属大西沟铁矿的开采将成为陕西龙钢的大型铁原料基地，大西沟铁矿位于陕西省柞水县城东偏南方向的小岭镇境内，尾矿坝采用堆石碾压坝型，分期筑坝。坝体为堆石及干砌石复合坝型，一期尾矿坝采用堆石碾压坝型，二期至四期尾矿坝上游坝坡采用干砌石结构，下游仍用堆石碾压筑坝。排洪系统沿库区右岸布置，自下游至上游构筑物依次为消力池、明渠、排洪隧洞、1#支洞、1＃排水井、1＃竖井、2＃排水井、2＃竖井、3＃排水井、3＃竖井。

排水井共设3座，井径均为5.0 m，自标高790 m开始进水，相邻两井重叠高度为1.0 m。1＃排水井（790 m~820 m）高30 m，接1#竖井高15.5 m，通过1#支洞与排洪隧洞连接；2＃排水井（819 m~849 m）高30 m，接2#竖井高37 m，与排洪涵管相连接；3＃排水井（848 m~878 m）高30 m，接3#竖井高64.5 m。竖井井径4.0 m。排洪隧洞后接消力池，砼结构。尾矿澄清水及坝体渗流水集中引入回水池，通过回水泵站加压返回选厂循环使用。

2 模型建立

2.1 模型试验的任务

在对设计提交的试验方案进行全面验证的基础上，针对模型试验中暴露的问题，对排洪系统提出改进设计的建议，修改排洪系统的体型和有关设计参数，为设计最终方案提供充分的水力学依据。

2.2 模型制作和试验范围

模型设计：根据试验任务的要求，模型按重力相似准则设计，选用几何比尺为1∶25，为清水模型，相应的其它物理量比尺见表1。

模型制作：模型制作在西安理工大学水力学研究所进行，排水井、竖井、消力井、排洪隧洞处采用透明有机玻璃精制而成，按照设计提供的原型糙率及糙率比尺计算，排洪系统泄水表面模型糙率应为0.0093，该糙率基本与有机玻璃模型相同，因此模型泄水建筑物糙率满足相似比尺的要求。

模型试验范围：本次模型只模拟2号井的水流工况，模拟范围为排水井、竖井、消力井、其中上游排洪隧洞实际尺寸25 m，下游排洪隧洞实际尺寸280 m，共305 m。模型布置见图 1~图2。

表1 模型试验各物理量比尺表

图1 模型整体布置图

图2 模型消能井内部图

3 量测方法与设备

为量测消力井侧壁、底板及排洪隧洞底板、顶部等过流壁面的时均压强，在其上共布置87个测压孔。其中排洪隧洞段底板布置64个测压孔，排洪隧洞进口顶部处布置4个测压孔，消力井侧壁布置10个测压孔，消力井底板布置9个测压孔。壁面压强用测压管量测，水面线用钢板尺量测，流量大于45 m3/s时用矩形薄壁量水堰量测，流量小于45 m3/s时用90°三角堰量测，量水堰水位及库水位用水位测针量测。

4 实验结果分析

4.1 水头与泄流量关系

本次试验以第1类工况为例进行对比分析。对排水井孔口从底部到顶部编号，依次为1～12号孔。

第1类工况是1、2号孔进流，1号孔孔高1.5 m，堰厚为1.9 m，2号孔孔高1.5 m，堰厚为0.6 m。

4.1.1 水头与泄流量关系

由试验可知：当水头小于2.1 m时为堰流，水头在2.1 m～2.3 m为堰流向孔流的过渡区，水头大于2.3 m时为孔流和堰流的混合流态，即1号孔为孔流，2号孔为堰流。

流量为20 m3/s时1号孔进流，水头是1.14 m，水流流态为堰流；流量为40 m3/s时1号孔进流，水头是1.66 m，水流流态为堰流；流量为63.6 m3/s时1、2号孔进流，水头是2.27 m，水流流态为堰流向孔流过渡流态；流量为95.4 m3/s时1、2号孔进流，水头是3.02 m，水流流态为堰流和孔流混合流态，其中1号孔是孔流，2号孔是堰流。1、2号孔泄流水头与泄流量关系曲线见图3。

图3 1、2号孔泄流水头与泄流量关系曲线

4.1.2 水头与流量系数关系

计算堰流综合流量系数的公式如下：

孔口自由出流流量系数的计算公式如下：

当水头小于2.1 m时为堰流，利用公式（1）计算堰流的流量系数；水头在2.1 m～2.3 m为堰流向孔流的过渡区，水头大于2.3 m时为孔流和堰流的混合流态，即1号孔为孔流，利用公式（2）计算孔流的流量系数。

图4为1号孔堰流孔流的流量系数曲线图，从图可以看出1号孔的堰流流量系数为0.172～0.374，设计时堰流的流量系数取0.37；孔流流量系数为0.562～0.709，设计时孔流的流量系数取0.70。

图4 1号孔流量系数与水头关系曲线

4.2 排洪系统的水流流态

竖井下落的水流跌进消力井后，水流从井底反射，在沿井壁向上回升，与下落的水流相互碰撞，急剧的消耗能量，大部分掺气是在下落的水舌进入排水井及竖井发生的，随后水气混合物进入排洪隧洞，上游排洪隧洞有水但水流不流动，只是沿洞顶向上游移动，下游排洪隧洞有大量气泡向水面逸出，经过相当距离后，水气分离，隧洞水流逐步稳定，处于无压流状态。消力井中不会发生空蚀，因为高速射流位于竖井中央，而其周围则为掺气的作循环运行的低速水流所环绕；还因井底的空气上升，沿着井壁给下泄的水流充气，使井壁不发生空蚀，井底无负压正说明了它的流态。但大流量时，水流几乎与消力井水流不发生碰撞，说明消力井深度不足。

4.3 沿程水深

根据《水工隧洞设计规范》（SD134-84），排洪隧洞内净空面积应大于15%～20%洞内面积。按此标准计算排洪隧洞洞内水深不应超过2.03 m～2.17 m。实测水深中当流量为设计流量63.57 m3/s时，排水井1、2号孔泄流，洞进口至第43个测点处，即排洪隧洞进口至下游174 m处水深实测最大值均大于2.17 m，最高值达2.4 m；因此综合考虑建议在排水隧洞进口至175 m范围内边墙加高，这样即可保证洞顶净空面积大于规范的要求。

4.4 消力井侧壁、底板及排洪隧洞各测点的压强

不同流量下消力井侧壁、消力井底板、排洪隧洞底、排洪隧洞顶部最大、最小压强见表2。

表2 特征压强表 单位：kPa

从上表可以看出，流量Q=63.57 m3/s时，排洪隧洞进口底板压强很小，随着流量的增大底板压强出现较大负压，说明底板进口曲线不合理。流量Q=63.57 m3/s时，排洪隧洞进口顶部压强实测最大负压为-5.5×9.8 kPa，且同一点的压强值波动也很大，差值是3.7×9.8 kPa，说明该部位流态极差，随着流量的增大顶部压强出现更大负压，说明顶部进口曲线不合理。

4.5 水流空化数的估算

水力学中，常用水流空化数σ来衡量泄水建筑物各部位测点水流的空化特性作为判别附近边壁空蚀可能性的指标。

排水井1、2号孔泄流时，流量Q=20 m3/s水流空化数最小值出现在第62个测点上，其值为1.95；流量为Q=40 m3/s水流空化数最小值出现在第60个测点上，其值为1.22；流量为Q=63.57 m3/s水流空化数最小值出现在第6个测点上；其值0.57；流量为Q=95.36 m3/s水流空化数最小值出现在第9个测点上，其值为-0.01。

4.6 流速分布

由流速计算结果（表3）可知，排水井底板1、2号孔泄流，流量Q=20 m3/s时，排洪隧洞最大流速为9.93 m/s，位于排洪隧洞段第62个测点上;流量Q=40 m3/s时，排洪隧洞最大流速为12.89 m/s，位于排洪隧洞段第60个测点上；流量Q=63.57 m3/s时，排洪隧洞最大流速为18.45 m/s，位于排洪隧洞段第4个测点上；流量Q=95.36 m3/s时，排洪隧洞最大流速为18.73 m/s，位于排洪隧洞段第12个测点上。

表3 排洪隧洞断面最大平均流速及出现位置

5 结论与建议

1）1、2号孔泄流，流量为20 m3/s时1号孔进流，水头是1.14 m，水流流态为堰流；流量为40 m3/s时1号孔进流，水头是1.66 m，水流流态为堰流；流量为63.57 m3/s时1、2号孔进流，水头是2.27 m，水流流态为堰流向孔流过渡流态；流量为95.36 m3/s时1、2号孔进流，水头是3.02 m，水流流态为堰流和孔流混合流态。不同的堰厚过相同流量，所需要的堰上水头不同。堰薄的所需要的水头较低，堰厚的所需要的水头较高。

2）由于堰厚不同，侧收缩不同，设计的堰上水头也不同，导致堰流的流量系数和孔流的流量系数取值也应不同。1号孔进流时，堰流的流量系数设计时取0.37；孔流流量系数设计时取0.70。

3）流态方面，排水井中部以上进流时，水流击打排水井框架及排水井与竖井连接处的水平平台，大流量时还有可能产生一定程度的震动，设计应注意这一水流现象。同时消力井大流量时深度不足，建议加深。排洪隧洞进口段有水流分离现象，大流量时底板和顶部有负压出现，建议用短压力进口形式设计，后接明流隧洞（将原设计洞高加高），由于排洪隧洞顶部负压较大，建议设通气孔，以改善洞内流态。

4）水深方面，根据《水工隧洞设计规范》（SL 279-2016），在低流速的无压隧洞中，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面面积的15%，且不宜小于40 cm。按此标准计算排洪隧洞洞内水深不应超过2.03 m～2.17 m。设计流量Q=63.57 m3/s时，排水隧洞进口至175 m范围内边墙高度不足，建议加高40 cm。

5）压强方面，当流量为Q=63.57 m3/s时，排洪隧洞进口底板压强很小，随着流量的增大底板压强出现较大负压，说明底板进口曲线不合理；排洪隧洞进口顶部压强实测最大负压为-5.5×9.8kPa，且同一点的压强值波动也很大，差值是3.7×9.8 kPa，说明该部位明满流流态反复交替，流态极差，随着流量的增大顶部压强出现更大负压，说明顶部进口曲线不合理。建议采用喇叭口代替直角连接方式。

6）水流空化数方面，小流量时水流空化数较大，排洪隧洞无需考虑空化水流影响。设计流量Q=63.57 m3/s时水流空化数最小值出现在第6个测点上，其值为0.57；流量再大时底板负压急剧增大，水流空化数急剧降低，底板有可能产生空蚀，必需引起设计的足够重视。其它部位只要控制施工不平整度，同时排洪隧洞进口段采用耐磨材料即可消除空蚀破坏。

7）流速方面，设计流量Q=63.57 m3/s时，最大流速是18.45 m/s，流量再大时，洞内流速会更大，这就有可能产生空化水流，建议施工时控制施工不平整度。