大西溝鐵礦排水井泄流能力試驗及體型優化

鄭利娜，趙世忠

(陜西自然資源勘測規劃設計院股份有限公司，陜西 西安 710000)

近年來，我國水利水電工程建設技術取得的重要技術突破，建成了一批具有世界水平的工程，泄水建筑物作為重要的水利樞紐，引起了設計人員高度重視，但是理論計算無法反映泄水建筑物運行時真實工況，因此需要通過水工模型對其進行驗證，提供水力學依據，提出優化泄水建筑物體型措施，為設計人員提供參考[1]。

1 工程概況

陜西大西溝礦業有限公司（簡稱礦業公司）是具有獨立法人資格的陜西龍門鋼鐵集團有限公司控股的股份制子公司，礦業公司所屬大西溝鐵礦的開采將成為陜西龍鋼的大型鐵原料基地，大西溝鐵礦位于陜西省柞水縣城東偏南方向的小嶺鎮境內，尾礦壩采用堆石碾壓壩型，分期筑壩。壩體為堆石及干砌石復合壩型，一期尾礦壩采用堆石碾壓壩型，二期至四期尾礦壩上游壩坡采用干砌石結構，下游仍用堆石碾壓筑壩。排洪系統沿庫區右岸布置，自下游至上游構筑物依次為消力池、明渠、排洪隧洞、1#支洞、1＃排水井、1＃豎井、2＃排水井、2＃豎井、3＃排水井、3＃豎井。

排水井共設3座，井徑均為5.0 m，自標高790 m開始進水，相鄰兩井重疊高度為1.0 m。1＃排水井（790 m~820 m）高30 m，接1#豎井高15.5 m，通過1#支洞與排洪隧洞連接；2＃排水井（819 m~849 m）高30 m，接2#豎井高37 m，與排洪涵管相連接；3＃排水井（848 m~878 m）高30 m，接3#豎井高64.5 m。豎井井徑4.0 m。排洪隧洞后接消力池，砼結構。尾礦澄清水及壩體滲流水集中引入回水池，通過回水泵站加壓返回選廠循環使用。

2 模型建立

2.1 模型試驗的任務

在對設計提交的試驗方案進行全面驗證的基礎上，針對模型試驗中暴露的問題，對排洪系統提出改進設計的建議，修改排洪系統的體型和有關設計參數，為設計最終方案提供充分的水力學依據。

2.2 模型制作和試驗范圍

模型設計：根據試驗任務的要求，模型按重力相似準則設計，選用幾何比尺為1∶25，為清水模型，相應的其它物理量比尺見表1。

模型制作：模型制作在西安理工大學水力學研究所進行，排水井、豎井、消力井、排洪隧洞處采用透明有機玻璃精制而成，按照設計提供的原型糙率及糙率比尺計算，排洪系統泄水表面模型糙率應為0.0093，該糙率基本與有機玻璃模型相同，因此模型泄水建筑物糙率滿足相似比尺的要求。

模型試驗范圍：本次模型只模擬2號井的水流工況，模擬范圍為排水井、豎井、消力井、其中上游排洪隧洞實際尺寸25 m，下游排洪隧洞實際尺寸280 m，共305 m。模型布置見圖 1~圖2。

表1 模型試驗各物理量比尺表

圖1 模型整體布置圖

圖2 模型消能井內部圖

3 量測方法與設備

為量測消力井側壁、底板及排洪隧洞底板、頂部等過流壁面的時均壓強，在其上共布置87個測壓孔。其中排洪隧洞段底板布置64個測壓孔，排洪隧洞進口頂部處布置4個測壓孔，消力井側壁布置10個測壓孔，消力井底板布置9個測壓孔。壁面壓強用測壓管量測，水面線用鋼板尺量測，流量大于45 m3/s時用矩形薄壁量水堰量測，流量小于45 m3/s時用90°三角堰量測，量水堰水位及庫水位用水位測針量測。

4 實驗結果分析

4.1 水頭與泄流量關系

本次試驗以第1類工況為例進行對比分析。對排水井孔口從底部到頂部編號，依次為1～12號孔。

第1類工況是1、2號孔進流，1號孔孔高1.5 m，堰厚為1.9 m，2號孔孔高1.5 m，堰厚為0.6 m。

4.1.1 水頭與泄流量關系

由試驗可知：當水頭小于2.1 m時為堰流，水頭在2.1 m～2.3 m為堰流向孔流的過渡區，水頭大于2.3 m時為孔流和堰流的混合流態，即1號孔為孔流，2號孔為堰流。

流量為20 m3/s時1號孔進流，水頭是1.14 m，水流流態為堰流；流量為40 m3/s時1號孔進流，水頭是1.66 m，水流流態為堰流；流量為63.6 m3/s時1、2號孔進流，水頭是2.27 m，水流流態為堰流向孔流過渡流態；流量為95.4 m3/s時1、2號孔進流，水頭是3.02 m，水流流態為堰流和孔流混合流態，其中1號孔是孔流，2號孔是堰流。1、2號孔泄流水頭與泄流量關系曲線見圖3。

圖3 1、2號孔泄流水頭與泄流量關系曲線

4.1.2 水頭與流量系數關系

計算堰流綜合流量系數的公式如下：

孔口自由出流流量系數的計算公式如下：

當水頭小于2.1 m時為堰流，利用公式（1）計算堰流的流量系數；水頭在2.1 m～2.3 m為堰流向孔流的過渡區，水頭大于2.3 m時為孔流和堰流的混合流態，即1號孔為孔流，利用公式（2）計算孔流的流量系數。

圖4為1號孔堰流孔流的流量系數曲線圖，從圖可以看出1號孔的堰流流量系數為0.172～0.374，設計時堰流的流量系數取0.37；孔流流量系數為0.562～0.709，設計時孔流的流量系數取0.70。

圖4 1號孔流量系數與水頭關系曲線

4.2 排洪系統的水流流態

豎井下落的水流跌進消力井后，水流從井底反射，在沿井壁向上回升，與下落的水流相互碰撞，急劇的消耗能量，大部分摻氣是在下落的水舌進入排水井及豎井發生的，隨后水氣混合物進入排洪隧洞，上游排洪隧洞有水但水流不流動，只是沿洞頂向上游移動，下游排洪隧洞有大量氣泡向水面逸出，經過相當距離后，水氣分離，隧洞水流逐步穩定，處于無壓流狀態。消力井中不會發生空蝕，因為高速射流位于豎井中央，而其周圍則為摻氣的作循環運行的低速水流所環繞；還因井底的空氣上升，沿著井壁給下泄的水流充氣，使井壁不發生空蝕，井底無負壓正說明了它的流態。但大流量時，水流幾乎與消力井水流不發生碰撞，說明消力井深度不足。

4.3 沿程水深

根據《水工隧洞設計規范》（SD134-84），排洪隧洞內凈空面積應大于15%～20%洞內面積。按此標準計算排洪隧洞洞內水深不應超過2.03 m～2.17 m。實測水深中當流量為設計流量63.57 m3/s時，排水井1、2號孔泄流，洞進口至第43個測點處，即排洪隧洞進口至下游174 m處水深實測最大值均大于2.17 m，最高值達2.4 m；因此綜合考慮建議在排水隧洞進口至175 m范圍內邊墻加高，這樣即可保證洞頂凈空面積大于規范的要求。

4.4 消力井側壁、底板及排洪隧洞各測點的壓強

不同流量下消力井側壁、消力井底板、排洪隧洞底、排洪隧洞頂部最大、最小壓強見表2。

表2 特征壓強表 單位：kPa

從上表可以看出，流量Q=63.57 m3/s時，排洪隧洞進口底板壓強很小，隨著流量的增大底板壓強出現較大負壓，說明底板進口曲線不合理。流量Q=63.57 m3/s時，排洪隧洞進口頂部壓強實測最大負壓為-5.5×9.8 kPa，且同一點的壓強值波動也很大，差值是3.7×9.8 kPa，說明該部位流態極差，隨著流量的增大頂部壓強出現更大負壓，說明頂部進口曲線不合理。

4.5 水流空化數的估算

水力學中，常用水流空化數σ來衡量泄水建筑物各部位測點水流的空化特性作為判別附近邊壁空蝕可能性的指標。

排水井1、2號孔泄流時，流量Q=20 m3/s水流空化數最小值出現在第62個測點上，其值為1.95；流量為Q=40 m3/s水流空化數最小值出現在第60個測點上，其值為1.22；流量為Q=63.57 m3/s水流空化數最小值出現在第6個測點上；其值0.57；流量為Q=95.36 m3/s水流空化數最小值出現在第9個測點上，其值為-0.01。

4.6 流速分布

由流速計算結果（表3）可知，排水井底板1、2號孔泄流，流量Q=20 m3/s時，排洪隧洞最大流速為9.93 m/s，位于排洪隧洞段第62個測點上;流量Q=40 m3/s時，排洪隧洞最大流速為12.89 m/s，位于排洪隧洞段第60個測點上；流量Q=63.57 m3/s時，排洪隧洞最大流速為18.45 m/s，位于排洪隧洞段第4個測點上；流量Q=95.36 m3/s時，排洪隧洞最大流速為18.73 m/s，位于排洪隧洞段第12個測點上。

表3 排洪隧洞斷面最大平均流速及出現位置

5 結論與建議

1）1、2號孔泄流，流量為20 m3/s時1號孔進流，水頭是1.14 m，水流流態為堰流；流量為40 m3/s時1號孔進流，水頭是1.66 m，水流流態為堰流；流量為63.57 m3/s時1、2號孔進流，水頭是2.27 m，水流流態為堰流向孔流過渡流態；流量為95.36 m3/s時1、2號孔進流，水頭是3.02 m，水流流態為堰流和孔流混合流態。不同的堰厚過相同流量，所需要的堰上水頭不同。堰薄的所需要的水頭較低，堰厚的所需要的水頭較高。

2）由于堰厚不同，側收縮不同，設計的堰上水頭也不同，導致堰流的流量系數和孔流的流量系數取值也應不同。1號孔進流時，堰流的流量系數設計時取0.37；孔流流量系數設計時取0.70。

3）流態方面，排水井中部以上進流時，水流擊打排水井框架及排水井與豎井連接處的水平平臺，大流量時還有可能產生一定程度的震動，設計應注意這一水流現象。同時消力井大流量時深度不足，建議加深。排洪隧洞進口段有水流分離現象，大流量時底板和頂部有負壓出現，建議用短壓力進口形式設計，后接明流隧洞（將原設計洞高加高），由于排洪隧洞頂部負壓較大，建議設通氣孔，以改善洞內流態。

4）水深方面，根據《水工隧洞設計規范》（SL 279-2016），在低流速的無壓隧洞中，洞內水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，且不宜小于40 cm。按此標準計算排洪隧洞洞內水深不應超過2.03 m～2.17 m。設計流量Q=63.57 m3/s時，排水隧洞進口至175 m范圍內邊墻高度不足，建議加高40 cm。

5）壓強方面，當流量為Q=63.57 m3/s時，排洪隧洞進口底板壓強很小，隨著流量的增大底板壓強出現較大負壓，說明底板進口曲線不合理；排洪隧洞進口頂部壓強實測最大負壓為-5.5×9.8kPa，且同一點的壓強值波動也很大，差值是3.7×9.8 kPa，說明該部位明滿流流態反復交替，流態極差，隨著流量的增大頂部壓強出現更大負壓，說明頂部進口曲線不合理。建議采用喇叭口代替直角連接方式。

6）水流空化數方面，小流量時水流空化數較大，排洪隧洞無需考慮空化水流影響。設計流量Q=63.57 m3/s時水流空化數最小值出現在第6個測點上，其值為0.57；流量再大時底板負壓急劇增大，水流空化數急劇降低，底板有可能產生空蝕，必需引起設計的足夠重視。其它部位只要控制施工不平整度，同時排洪隧洞進口段采用耐磨材料即可消除空蝕破壞。

7）流速方面，設計流量Q=63.57 m3/s時，最大流速是18.45 m/s，流量再大時，洞內流速會更大，這就有可能產生空化水流，建議施工時控制施工不平整度。