尾矿库框架式排水井-隧洞式排水系统选型

李松，马忠鑫

（1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.金川集团股份有限公司选矿厂，甘肃 金昌 737100）

尾矿库是大部分矿山开采必须建设的环保设施，排洪设施是尾矿库必须设置的安全设施[1]，其功能在于将汇水面积内洪水安全地排至库外，保证尾矿库在洪水运行期的安全运行，框架式排水井-隧洞式排水系统是尾矿库最常选用的排洪设施。由于排洪设施不但关系到尾矿库的防洪安全，而且其建设费用在尾矿设施投资中所占比重大，对于采用框架式排水井-隧洞式排水系统作为尾矿库排洪设施的工程，如何合理的型至关重要。本文就不同尺寸框架式排水井和不同断面、不同坡度隧洞组合成的排水系统的泄流能力进行系统的计算分析，结合作者多年工作经验，给出选型方法。

1 泄流能力计算方法

框架式排水井-隧洞式排水系统的工作状态，随泄流水头的大小而异。当水头较低时，泄流量较小，排水井内水位低于最低工作窗口的下缘，此时为自由泄流；当水头增大，井内被水充满，但隧洞尚未呈满管流，泄流量受隧洞的入口控制，此时为半压力流；当水头继续增大，隧洞呈满管流时，即为压力流。

以框架式排水井为例，不同工作状态时的泄流量按下列公式计算[2]。

（1）自由泄流

a.水位未淹没框架圈梁时

b.水位淹没圈梁时

c.水位淹没井口时

（2）半压力流

（3）压力流

以上公式中各参数含义如下：

nc——同一个横断面上排水口的个数；

bc——一个排水口的宽度；

m、φ、μ——各种工况对应的流量系数；

ε—— 侧向收缩系数；

Hy—— 溢流堰泄流水头；

Hi——第i层全淹没工作窗口的泄流计算水头，从窗口中心线算起；

H0—— 最上层未淹没工作窗口的泄流水头；

Hj —— 井口泄流水头；

H—— 计算水头，为库水位与排水管入口断面中心标高之差；

ωc—— 一个排水窗口的面积；

ωs—— 井口水流收缩断面面积；

Fs—— 排水管入口水流收缩断面面积；

Fx—— 排水管下游出口断面面积。

2 不同组合的泄流计算

2.1 计算模型

影响框架式排水井-隧洞式排水系统泄流能力的主要因素有排水井尺寸、排水隧洞断面尺寸及纵向坡度等。

假设尾矿库设1座框架式排水井加1条排水隧洞作为排洪构筑物。排水井为钢筋混凝土结构；隧洞为直洞，长1000m，采用钢筋混凝土衬砌，隧洞粗糙系数0.017，本文计算模型选取如下：

（1）排水井

J-1：排水井直径2.5m，立柱个数4个，立柱宽度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁间距3.0m；

J-2：排水井直径3.0m；立柱个数6个，立柱宽度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁间距3.0m。

（2）排水隧洞断面

D-1：底宽1.5m，高2.0m，顶拱半径0.75m的圆拱直墙式隧洞；

D-2：底宽2.0m，高2.5m，顶拱半径1.0m的圆拱直墙式隧洞。

（3）排水隧洞纵向坡度

P-1：纵向坡度为1.0%；

P-2：纵向坡度为0.5%。

2.2 计算组合

按2.1中选定的计算模型，形成以下四种组合进行计算：

组合一：排水井选用J-1，排水隧洞选用D-1，隧洞纵坡选用P-1；

组合二：排水井选用J-1，排水隧洞选用D-1，隧洞纵坡选用P-2；

组合三：排水井选用J-1，排水隧洞选用D-2，隧洞纵坡选用P-1；

组合四：排水井选用J-2，排水隧洞选用D-1，隧洞纵坡选用P-1；

2.3 计算结果

分别采用2.2中的计算组合，按泄流计算公式计算，各种组合的泄流曲线分别见图1-图3。

2.4 泄流特点分析

根据以上算例，框架式排水井-隧洞式排水系统泄流有以下特点：

（1）由图1可以看出，在排水井、排水隧洞大小、形式一定的情况下，隧洞的坡度与泄流能力相关，隧洞坡度越大，泄流能力越大。

（2）由图2可以看出，在排水井、隧洞坡度一定的情况下，排水隧洞的断面尺寸与泄流能力相关，隧洞断面尺寸越大，泄流能力越大。

图1 组合一、组合二泄流曲线

图2 组合一、组合三泄流曲线

图3 组合一、组合四泄流曲线

（3）由图3可以看出，在排水隧洞的断面尺寸、坡度一定的情况下，增大排水井的断面尺寸，当隧洞内为无压流状态时，排水井断面尺寸增大，泄流量能增大；当隧洞内为有压流状态时，排水井断面尺寸增大，泄流量增加有限，此时泄流能力受排水隧洞尺寸制约。

（4）由图3可以看出，在排水隧洞的断面尺寸、坡度一定时，排水井尺寸越大，排水隧洞进入压力流所对应的进水水头（排水井进水口处的水头）越低，这就意味着在相同的调洪高度下，排水井大的框架式排水井-隧洞式排水系统更容易进入压力流工作状态。

（5）框架式排水井-隧洞式排水系统在自由流状态下工作时，进水水头稍有增大，泄流量就有较大幅度的增大，排水构筑物内进气顺畅，不易产生气蚀，应优先保证排洪系统在该种工况下运行。

3 选型方法

对各种组合的泄流计算分析，笔者结合多年工程设计经验，对尾矿库框架式排水井-隧洞式排水系统的选型过程简列如下：

（1）根据尾矿库设防标准下的洪水过程线，计算出一次洪水总量和洪峰流量，再根据尾矿库调洪库容富裕程度，拟定排洪系统泄流量和调洪高度。

（2）由于排水井井筒四周都有进水孔，其本身流量能力相对排水隧洞来说是比较大的（如在1m进水水头下，2.5m直径的框架式排水井泄流量可达9m3/s左右，3.0m直径的框架式排水井泄流量可达12m3/s左右），根据拟定排洪系统泄流量和调洪高度可初步确定排水井的尺寸。

（3）根据尾矿库地形确定排水隧洞走向及出口位置，应充分利用地形，尽量缩短长度，增大纵向坡度（为便于施工，长洞纵坡一般不超过5%）。

（4）按上述确定的框架式排水井-隧洞式排水系统的泄流曲线进行调洪演算，如满足开始拟定的泄流量和调洪高度，且最大泄流量处于自流泄流状态，则表明框架式排水井-隧洞式排水系统选型设计较为合理，否则可同步调整排水井和排水隧洞尺寸，直到满足调洪要求为止。

4 结语

排洪系统是尾矿库安全关键因素之一，其设计受外部环境影响比较大，涉及当地水文情况、库内地质情况、堆坝方式等技术因素以及建设成本、运行管理费用等经济因素，各个尾矿库的排洪设施设计通用性较差[3-5]。

框架式排水井-隧洞式排水系统是常见的尾矿库排洪设施，设计选型组合和计算参数多，过程繁杂。本文通过对尾矿库框架式排水井-隧洞式排水系统的泄流计算，总结其泄流曲线与构筑物参数的相关性的特点，并给出设计选型方法。