尾矿库调洪演算及下游河道合成流量计算

2023-11-01胡岑

黑龙江水利科技 2023年10期

胡岑

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司,沈阳 110003)

1 概况

某流域内有本溪钢铁集团公司南芬选矿厂大型尾矿库一座,天慧矿业小型尾矿池一座,对流域内的降雨和径流有一定的影响, 南芬选矿厂是本钢主要的铁精矿供应基地。经过多次改扩建,已形成年产原矿1000万t的生产能力。南芬选矿厂原使用的小庙儿沟尾矿库系1969年投产使用,现已闭库。为了确保南芬选矿厂的正常生产和尾矿排放,自20世纪80年代就开始进行本钢南芬选矿厂二期尾矿库的选址和设计工作。新尾矿库库址选定在距选矿厂西南4.5 km处的徐家河流域内。

2 尾矿库调洪演算

2.1 调洪库容

野外调查中,在尾矿库库区布置了202个控制点,根据各经纬度坐标、高程及水深等数据进行了实际测量对实测数据分析,采用MATLAB软件建立了三维模型,然后,根据各水位形成的平面切割模型可得到相应的洪水调节库容,详见表1。

表1 尾矿库现状调洪库容

2.2 排水构筑物泄流能力

尾矿库排水构筑物主要由排洪井、竖井、排洪隧洞、盲井组成,整个排水系统的排水量由以上四部分的最小泄洪能力决定,在低工况下,排洪井的泄洪能力起主导作用,随着水库水位的升高,盲井的泄洪能力起主导作用。因此,在计算排洪系统的泄洪能力时,应分别计算排洪井和盲井的最大泄洪能力[1-2]。

目前只有尾矿库仅4#排洪井在正常工作,4#排洪井为框架型,塔高为32m,内径为4m。连接的竖井内径为2.5m,进水标高为316.0m。其计算公式为:

(1)

式中:Qm为最大泄量,m3/s;Mw为综合流量系数;B为环形堰总宽(宽度为8m);Hw为进水水头,m。其计算结果详见表2。

表2 4#排洪塔泄流能力计算结果表

尾矿库防汛排水系统在中、高工况下由盲井控制,因此盲井最大流量需单独计算[3-5]。盲井是连接尾矿库新旧泄洪隧洞的通道。它是圆形管状的,长为30 m,内径为2.5 m,垂直于地面。其流量计算公式为:

(2)

式中:Qm为最大泄量,m3/s;μ为流量系数(取0.263);A为过水面积(为4.91 m2);H0为总水头,m。

其计算结果详见表3。

表3 盲竖井泄流能力计算结果表

当水库水位<318m时,尾矿库的排水量采用排洪塔的最大排水量。当水库水位>318m时,尾矿库排水量采用盲井最大排水量。另外,库区有一个回水塔,排水量为2m3/s,需考虑总排水量。总泄流能力详见表4。

表4 尾矿库排洪系统泄流能力成果表

2.3 调洪计算

根据洪水排水系统的布局,洪水调节计算根据上述计算公式进行。在启动时的调节水位314.3m和溢洪道塔的流入水位316.00m。计算结果表明,当设计洪水为500a一遇时,由于防洪水库的承载力相对不足,发生了洪水溢出。当设计洪水为200a一遇防洪时,根据回水系统的正常运行情况,尾矿库可满足设计洪水200a一遇防洪的要求。计算结果见表5,表6。

表5 尾矿库调洪计算结果表

表6 尾矿库200a一遇设计洪水调洪计算参数表

2.4 与原设计比较

根据不同等级的尾矿库,按有关技术规程确定尾矿库的防洪标准。原初步设计确定尾矿库为二级,为500a一遇的设计防洪标准,由于原设计中排洪系统存在安全隐患,本钢委托中钢北方工程有限公司进行优化设计(二次)。目前,原设计的1-3#排洪塔由于尾砂堆积的影响,已无法正常工作。目前,只有4#泄洪塔运行正常。

在原设计中,泄洪洞(4.6×4.8m)的终点位于3号泄洪塔。优化设计中提出的扩建泄洪洞(2.4×2.6m)位于原泄洪洞延长线上方,通过深为30m、内径为2.5m的盲井与之相连。这样,泄洪系统的泄洪能力就不再依赖于两个泄洪隧洞的泄洪能力。也就是说,盲井的排洪能力已经成为尾矿库排洪能力的瓶颈。

原设计中提到:“在计算沉积坡滩时按实际测量的0.5%计算,水下沉积坡滩按10%计算”,在实际测量中发现,沉积坡滩的实际调洪能力平均为0.4%,这可以使原蓄洪设计的调洪能力大于实际,尾矿设计的防洪能力与实际的防洪能力存在偏差。见表7。

表7 尾矿库调洪计算结果比较表

如果尾矿水库满足防洪标准每隔500a一遇, 所需蓄洪能力比现有最大蓄洪能力增加704万m3,也大于639万m3的原始设计。由于原设计中未提供尾矿库排水系统的泄流曲线,因此无法确定是否与文章采用的泄流曲线一致。因此,我们判断,没有考虑盲井的最大排水量,也是原设计尾矿库防洪标准与本次设计尾矿库防洪标准不一致的原因之一。

由上述计算可知,当现有堆高为320.2m,设计洪水为500 a一遇时,调洪能力不足,水库水位已超过坝高(即溢流)。在目前的条件下,尾矿库的防洪标准还没有达到500a一遇的水平。设计洪水200a一遇,在保证回水系统安全运行的前提下,尾矿库可以满足防洪要求。结果表明,该尾矿库目前的防洪能力为200a一遇[6-7]。