高尾礦荷載下排水管選型及結(jié)構(gòu)計(jì)算

班貴順 馬萃林

(河北新燁工程技術(shù)有限公司礦山設(shè)計(jì)院，河北張家口 075100)

0 引言

尾礦庫是一種特殊的水工建筑物，用以儲(chǔ)存金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出的尾礦。在尾礦排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要工程地質(zhì)條件允許，優(yōu)先考慮排水井結(jié)合排水管、方涵或隧洞的排洪形式。等別較高的尾礦庫尾砂堆積荷載很大，在設(shè)計(jì)排水管時(shí)要充分考慮上部荷載情況，選擇合理的材質(zhì)和斷面尺寸，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

1 排水管型式選擇

某礦山尾礦庫等別為3等，排水系統(tǒng)采用排水井結(jié)合排水管型式。線路布置見圖1。

排水管的型式很多，可按照敷設(shè)方法、結(jié)構(gòu)及斷面形狀和管內(nèi)水力性質(zhì)來確定。具體型式劃分見表1［1］。

表1 排水管型式

敷埋方式選擇時(shí)優(yōu)先考慮平埋式，但通過管線巖土工程勘查，發(fā)現(xiàn)巖石硬度較高，基槽開挖難度大，施工周期較長，造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)。設(shè)計(jì)過程中選擇的敷埋方式為上埋式。排水管沿線上部最大尾礦堆積高度為76 m，垂直荷載較大，對(duì)排水管的整體結(jié)構(gòu)要求高。從結(jié)構(gòu)和斷面尺寸考慮，設(shè)計(jì)排水管斷面為整體式圓管，材質(zhì)為鋼筋混凝土。過水?dāng)嗝娉叽缈紤]到泄洪過程中水流順暢，避免排水管發(fā)生氣蝕，出現(xiàn)局部真空，所以按無壓流設(shè)計(jì)。

2 排水管過水?dāng)嗝娉叽绱_定

排水管過水?dāng)嗝娉叽纾鶕?jù)調(diào)洪演算后的泄水量確定，保證洪水在管中呈無壓流狀態(tài)流動(dòng)，除此之外還要考慮到排水管的檢修和維護(hù)。

通過調(diào)洪計(jì)算，排水管的泄流量為2.01 m3/s。根據(jù)明渠均勻流公式，當(dāng)排水管內(nèi)徑為1 m，管中水深0.8 m，管壁糟率 n=0.017，最小坡度 i=0.02，計(jì)算過流量 2.53 m3/s。過流量能夠滿足泄流要求。根據(jù)最新規(guī)范規(guī)定，排水管的最小內(nèi)徑不宜小于1.2 m［3］。最終排水管過水?dāng)嗝嬷睆竭x用1.2 m，為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚0.3 m，底厚0.45 m。

排水管結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

表2 76 m尾礦荷載計(jì)算成果表

表3 合力R計(jì)算表

3 排水管結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

整體式排水圓管為三次超靜定結(jié)構(gòu)，由于它的荷載及結(jié)構(gòu)均為軸對(duì)稱，計(jì)算時(shí)采用彈性中心法求解，同時(shí)，圓管斷面厚度是變化的，不能用一個(gè)方程式表示出來，可用總和法計(jì)算贅余力。以76 m尾礦高度為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

3.1 荷載統(tǒng)計(jì)

排水圓管荷載分為垂直力和側(cè)向力及基地反力。荷載包括土壓力和水壓力，由于上部尾礦無水、呈松散狀，下部尾礦呈飽和狀態(tài)，形不成土力學(xué)中的圓拱效應(yīng)。為安全起見，荷載計(jì)算方法采用土柱法，荷載高度按照全高度尾礦選取，按管中無水狀態(tài)計(jì)算。水位線位于砂面下16 m處，飽和尾礦深度60 m，荷載計(jì)算成果見表2。

表2中K為垂直土壓力集中系數(shù)，為尾礦高度和排水管高度之比，計(jì)算時(shí)取1.5;γs為尾礦自然容重;Hω為尾礦高度;HD為管頂水深;H0為管中心處水深;φ為尾礦的內(nèi)摩擦角;g為排水圓管自重;l為排水圓管底寬。

3.2 內(nèi)力計(jì)算

排水圓管結(jié)構(gòu)及荷載為軸對(duì)稱，計(jì)算模型按一半結(jié)構(gòu)斷面選取，將其分成18塊。計(jì)算模型和垂直壓力以及側(cè)向壓力如圖3所示。

將模型分塊后，計(jì)算每一塊上的垂直壓力和側(cè)壓力的合力R，計(jì)算結(jié)果見表3。

計(jì)算彈性中心位置yc及Mc，Nc。

計(jì)算外力對(duì)每一分塊重心的力矩Mp(內(nèi)壁受拉為正):

其中，Ri為作用于各塊中心上的合力;ai為合力Ri至各分塊重心的力臂。

各塊Mp值計(jì)算結(jié)果見表4，彈性中心位置及贅余力計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 外力作用于每一塊重心處的力矩Mp計(jì)算表

表5 彈性中心位置及贅余力計(jì)算表

圖1 尾礦庫排水系統(tǒng)布置圖

圖2 排水管結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：m）

圖3 排水圓管結(jié)構(gòu)分塊圖

各斷面的彎矩可采用下式計(jì)算，各截面彎矩值計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各截面彎矩計(jì)算表

4 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

彎矩計(jì)算結(jié)果表明，管壁部分內(nèi)側(cè)最大拉力產(chǎn)生彎矩作用在第0塊，外側(cè)最大拉力產(chǎn)生彎矩作用在第7塊;底部內(nèi)側(cè)最大拉力產(chǎn)生彎矩作用在第17塊。以第17塊為例計(jì)算配筋。

4.1 偏心受壓類型判別

采用偏心受壓構(gòu)件計(jì)算方法，構(gòu)筑物的安全級(jí)別按Ⅱ級(jí)考慮，混凝土為C30，鋼筋為HRB335，鋼筋保護(hù)層厚度a=30 mm，計(jì)算偏心距，判別偏心受壓類別。

為大偏心受壓構(gòu)件。

式中:e0——軸向壓力對(duì)截面重心的偏心距;

M——作用在截面上的彎矩值;

N——作用力;

h0——受壓區(qū)截面有效高度;

h——截面高度;

a——鋼筋保護(hù)層厚度。

4.2 受壓區(qū)鋼筋面積計(jì)算

其中，η為偏心距增大系數(shù)，計(jì)算時(shí)取1。

其中，ξb=0.55;asb=ξb(1 －0.5ξb)=0.4;K 為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力安全系數(shù)［4］，計(jì)算取1.2;fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;f'y為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

按最小配筋率計(jì)算:

4.3 受壓區(qū)鋼筋面積計(jì)算

其他兩個(gè)分塊配筋計(jì)算方法相同，各段鋼筋計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 各段鋼筋計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

高尾礦荷載下排水管選擇優(yōu)先考慮整體澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝孢x擇有利于水流的圓形結(jié)構(gòu)斷面，尺寸大小要方便后期的檢修維護(hù)。計(jì)算時(shí)考慮全尾砂高度，分塊計(jì)算，找出最不利位置進(jìn)行配筋。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)選擇和斷面尺寸選取較為合理，混凝土結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度較高，按最小配筋率配置受力鋼筋即可保證排水管的安全、可靠。

［1］陳 青.尾礦壩設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］趙振興，河建京.水力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］GB 50863-2013，尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL 191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.