某尾矿库基于洪水计算和调洪演算分析

2020-12-30杨明军宋忠宝

中国金属通报 2020年9期

杨明军，宋忠宝

（山东欣鹏安全技术咨询有限公司，山东济南 250100）

作为跟矿山生产相配套的设施，同时也是矿山三大控制工程之一的尾矿库，其安全性一直受到高度重视，但是由于各方面的综合因素的影响，尾矿库安全事故在我国还时有发生，这也引起了相关方面的高度关注。根据有关统计，在引起尾矿库安全事故的众多因素中，其中一个主要的因素是，尾矿库库内水位过高，造成了尾矿坝坝体的稳定性大大下降。特别是，当山洪爆发的时候，尾矿库库内洪水不能及时地排出，以致于洪水漫顶，冲毁了坝体，造成溃坝事故。所以，在设计的时候，正确地进行洪水计算与调洪演算，合理确定排洪设施规格尺寸，就显得非常重要了。本文便以某尾矿库的增容设计为例，以此研究尾矿库洪水计算与调洪演算的实际运用及其效果。

1 工程概述

该尾矿库原初期坝是碾压式透水堆石坝，其子坝一共是13级，坝体总高为50m，此次，要增容建设的尾矿库，其初期坝也是碾压式透水堆石坝。建设地点位于原尾矿库初期坝下游约500m处，拟建初期坝坝体总高为20m。后期子坝采用上游式尾砂堆筑，每级子坝高为2m，子坝一共30级，坝体总高为80m。则新增的总库容716.7万m3，新增的有效库容则为460万m3。该尾矿库为三等库。初期坝以上整个库区，总的汇水面积是1.66km2，这其中，计划建设的初期坝至拦洪坝之间的汇水面积是0.91km2，拦洪坝以上的汇水面积是0.75km2。

2 洪水计算与调洪演算的方法

根据《尾矿设施设计规范》要求，增容后的尾矿库，防洪标准是按照500年一遇进行设防的。

2.1 洪水计算

因为该库的汇水面积属于比较小的，为小流域洪水计算。该尾矿库的洪水，来自于矿浆排水以及大气降水。洪水的形成，也是由于坡面汇流。所以，此处采取坡面汇流对洪水进行相关计算。公式为：

t为时段长，N是山坡糙率，l是支流的长度，w是流域的长度，从分水岭起计算，F是流域汇水的面积，P是一条等高线的长度，d是相邻的等高线的差。

2.2 调洪演算

调洪演算则采取了水量平衡的计算方法，任何一个时段，该尾矿库库内的水量平衡的方程式为：

3 洪水计算与调洪演算的实施

依照不同的运行情况，对尾矿库进行不同工况下的分析与计算：

首先，当尾矿库运行到860m标高之前时，主沟与支沟共同排洪。其次，当尾矿库运行到860m～890m标高之间时，主沟与支沟分别排洪。最后，当尾矿库运行到890m到896m标高之间时则主沟单独排洪。

3.1 参数取值

取值时，依照尾矿库所在地的水文资料，获取了相关参数的值。可见表1。

表1 水文参数取值

表中，H是年最大24h的降雨量。K是模比系数，通过查表将其确定。是暴雨递减指数n的取值。μ是产流历时内流域平均入渗率。J是频率为p的24h降雨量。是频率为p的暴雨雨力。L是由坝址到分水岭的主河槽的长度。

依据该尾矿库的相关资料，可知在不同标高的情况下，汇流计算的相关参数值。可见表2。

表2 汇流参数值

3.2 结果与分析

3.2.1 运行时的计算结果

该工程的排洪设施计划采用排水井、排水支、主隧洞、消力池型式。则排洪过程中形成自由泄流。排水井的过水能力，采取如下的公式进行计算：

H是溢流堰泄流水头；NW是同一个横断面上的排水口个数；b是一个排水口的宽度；NW为7；b为1.3；。

通过计算，结合地形图，可获得在三种运行情况下，相应的调洪库容、泄流量。三种运行情况下的结果见表3～表8。

表3 第一种工况的调洪库容

表4 第一种工况的泄流量

表5 第二种工况的调洪库容

表6 第二种工况的泄流量

表7 第三种工况的调洪库容

表8 第三种工况的泄流量

3.2.2 三种工况下的分析

经过上述的计算，我们可以看到，在第一种工况下的该尾矿库，最大泄流量是6.7立方米每秒，而需要的调洪库容是22616m3，小于该尾矿库所具备的调洪库容，且最高的洪水位为857.7m，小于860m的滩顶标高。且最小安全超高与最小干滩的长度皆满足防洪安全的要求。所以第一种工况下的排水系统能够达到相应的排水防洪的要求。

在第二种工况下，支沟、主沟的排水设施，分别独立运作，因此，支沟、主沟需要分别进行洪水计算与调洪演算。经过上述计算，第二种工况下主沟、支沟的最大的泄流量分别是5.3立方米每秒，5.1立方米每秒。需要的调洪库容分别是11262m3、5776m3，分别小于该尾矿库所具备的调洪库容。最高的洪水位则是888.7m、888.3m，皆小于890m的滩顶标高。且最小安全超高与最小干滩的长度皆满足防洪安全的要求。所以，第二种工况下，排水系统依然能达到相应的排水防洪的要求。

第三种工况，支沟退出运行，而主沟正常工作。经过上述计算可知，第三种工况下，主沟的最大泄流量是7.12立方米每秒。需要的调洪库容是28267m3，小于该尾矿库所具备的调洪库容，最高洪水位是893.7m，小于896m的滩顶标高。且最小安全超高与最小干滩的长度皆满足防洪安全的要求。所以，第三种工况下，排水系统也能达到相应的排水防洪的要求。