尾礦庫井—管式排水系統水力計算圖表整理分析與應用

陳宇清　袁子有　侯　攀

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

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尾礦庫井—管式排水系統水力計算圖表整理分析與應用

陳宇清袁子有侯攀

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

根據尾礦庫井—管式排水系統水力通用計算公式，選取一系列與泄流量相關的基礎參數分別計算，得到不同工況下自由流、半壓力流和壓力流三種流態的泄流量，并整理成泄流曲線圖表，利用泄流曲線圖表分析和總結不同參數對泄流量計算結果的影響效應，幫助專業技術人員快速完成排水系統方案設計，同時對某些基礎參數不全的老尾礦庫排水系統進行分析，也可得出定性結果。

排水系統水力計算圖表尾礦庫

排水系統作為尾礦庫的核心工程，對尾礦庫的安全運行起著至關重要的作用。尾礦庫的排水系統有多種型式，有井—管式排水系統、排水斜槽和排水隧洞等。對于匯水面積較小而調洪庫容較大的尾礦庫，從管理方便及使用安全考慮，常采用井—管式排水系統。該排水系統水力計算較為繁瑣，欲快速得到排水系統水力計算結果，有必要對其泄流量大小及變化規律進行統計分析。選取不同參數分別計算其泄流量，得到一系列不同工況下的泄流曲線，統一整理成圖表，以方便專業人員在條件受限時使用[1-5]：①快速得到排水系統的泄流量，為尾礦庫排水系統設計提供參考，提高設計效率和質量；②對某些參數不全的老尾礦庫排水系統，通過查詢圖表中關鍵設計參數對應的泄流曲線，可初步判別排水系統泄流能力，具有實用價值；③與傳統計算結果進行對比，利用圖表可快速得出結果，對常規計算結果進行校核；④便于尾礦庫管理人員對排洪系統的泄流能力做出定性分析和判斷。

1　計算原理及計算工況

目前最常用的排水井有窗口式和框架式，現僅分析與窗口井對應的排水系統泄流曲線圖表的制作方法及應用。

井—管式排水系統內的流態比較復雜，其工作狀態有自由泄流、半壓力流和壓力流3種，不同的工作狀態，其泄流計算公式也不相同[6-7]。從防洪安全的角度考慮，通常以3個泄流量中的最小值作為綜合泄流量進行尾礦庫的調洪演算與分析[8]。

根據《窗口式排水井標準圖集》，排水井窗口內徑均為0.3m，窗口凈距均為0.35m，現給定排水井井座底標高Z，井筒頂標高Z+20，井筒內徑分別為1.5，2.0，2.5，3.0和3.5m，對應同一截面上的窗口個數分別為4、6、8、10、12。排水管長度取400m，管線坡度取i=0.01，計算工況見表1。

表1　泄流計算工況

2　計算不同條件下泄流曲線

2.1自由泄流

自由流狀態下其泄流量的大小取決于同一橫斷面上排水窗口的個數、窗口直徑和工作窗口的泄流計算水頭。

根據泄流計算公式，對應上述5種不同的計算工況，利用程序計算可得到不同水位下的一組自由泄流曲線圖，見圖1。

2.2半壓力流

半壓力流泄流量的大小主要取決于排水管管徑、排水井內徑、排水窗口大小和計算水頭，在給定排水井內徑時，對于不同的排水管徑，可計算得到一系列半壓力流泄流曲線，見圖2。

圖1　自由泄流曲線

2.3壓力流

壓力流泄流量的大小主要取決于排水管管徑、排水井內徑、排水窗口和計算水頭。在給定排水井內徑下，不同的排水管徑計算，得到一系列的壓力流泄流曲線，見圖3。

3　泄流曲線圖表的分析與應用

3.1排水井內徑對泄流量的影響分析

洋桔梗易感染土生病害，可采用噁霉靈+福美雙熏蒸消毒法對土壤進行處理，具體方法為：先進行旋耕整地，將70%噁霉靈、50%福美雙可濕性粉劑分別按30 kg·hm-2、100 kg·hm-2混合拌勻，然后蓋上塑料薄膜進行熏悶，7 d后揭膜待藥味散盡即可。另深翻暴曬、放水泡地等方法也簡便可行。

給定排水管內徑1.2m，長度400m，坡度0.01，

圖2　不同井內徑半壓力泄流曲線

圖3　不同井內徑壓力泄流曲線

排水井內徑分別取1.5，2.0，2.5，3.0和3.5m，計算得到2組曲線，見圖4。由圖4可知，隨著排水井內徑的不斷增大，半壓力流和壓力流工作狀態下泄流量都逐漸增大，但增長幅度都逐漸減小。同時也表明排水井內徑變化對壓力流的影響程度明顯小于半壓力流。

圖4　不同排水井內徑時泄流曲線

3.2排水管內徑對泄流量的影響分析

由圖1～圖3可知，排水管內徑對自由流基本無影響，對半壓力流和壓力流的影響比較顯著，隨著管徑不斷增大，兩種工作狀態下排水系統的泄流量都逐漸增大。

3.3排水管線長度對泄流量的影響分析

給定排水井內徑2.0m，排水管內徑1.2m，坡度取0.01，管線長度分別取100，200，300，…，1 600m，計算得到一系列泄流曲線，見圖5。從圖5中可以看出：隨著排水管線長度的增加，泄流量逐漸減小，當管線長度超過500m后，繼續增加管線長度，對排水系統泄流量的影響越來越小，可忽略不計。

圖5　不同排水管線長度時泄流曲線

3.4排水管線坡度對泄流量的影響分析

3.5泄流曲線相對位置關系的分析及應用

給定排水井內徑2.0m，排水管內徑1.2m，長度400m，管線坡度0.15，計算得到3種流態下的泄流曲線組合圖，見圖7。由圖7可知，該排水系統在開始泄流時水頭較小，排水管處于自由流狀態；當泄流水頭漲至4～5.5m時，排水管處于明滿流交替的半壓狀態；水頭繼續上漲時，排水管轉為滿管壓力流狀態。若改變條件，計算得到的半壓力流曲線較圖中曲線的位置還要靠左，此時，排水管大多數情況下會處于半壓狀態，工程中應盡量避免。這一情況也表明排水管內徑選取較大，應適當減小排水管內徑。

圖6　不同排水管線坡度時泄流曲線

圖7　給定條件下的綜合泄流曲線

4　結　論

(1)通過對不同工況下排水系統的泄流量計算并整理成泄流曲線圖表，可以快速的查找不同參數時井—管式排水系統的泄流量數值，為工程現場服務提供了便利。

(2)通過對影響泄流量各因素的分析得出：①對自由流，泄流量大小主要受排水井內徑控制，與排水管徑大小、排水管長度和坡度等因素均無關；②對半壓力流，泄流量大小主要受排水管內徑控制，此外，排水井內徑變化對半壓力流也有一定影響，而排水管長度和坡度等因素均無影響；③對壓力流，影響因素比較多，影響程度由大到小依次為排水管內徑、管線坡度、排水管長度和排水井內徑。

(3)根據選定系統的泄流曲線圖，可以從3條曲線所處的相對位置關系判斷所選系統的斷面尺寸是否合理，便于及時對整套排水系統的設計參數做出調整，確保排水系統設計做到技術安全、經濟合理。

[1]陳歡,李瑞林,賈曄，等.排水系統泄流能力計算方法探討[J].現代礦業,2015(2):180-183.

[2]王海超,劉瀚和.尾礦庫窗口式井—管排水系統泄流能力的探討[J].有色冶金設計與研究,2012(3):9-14.

[3]吳國高,劉曉峰,盧建京，等.尾礦庫排水系統兩種水力計算方法的比較[J].有色冶金設計與研究,2003(5):6-8.

[4]鄧書申.尾礦庫排洪系統設計及優化方法[J].金屬礦山,2014(2):146-149.

[5]黨寧.尾礦庫排水井泄洪系統體型優化試驗研究[D].西安：西安理工大學,2010.

[6]尾礦設施設計參考資料編寫組編.尾礦設施設計參考資料[M].北京：冶金工業出版社,1980.

[7]陳青,陳秀華,朱星，等.尾礦壩設計手冊[M].北京：冶金工業出版社,2007.

[8]李斌華,刁明軍,楊海波.尾礦庫排洪系統水力計算研究[J].西南民族大學學報,2007(3):613-617.

2016-03-14)

陳宇清(1984—)，女，工程師，碩士，066004 河北省秦皇島市經濟技術開發區龍海道71號。