尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)選型

李松，馬忠鑫

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.金川集團(tuán)股份有限公司選礦廠，甘肅 金昌 737100）

尾礦庫是大部分礦山開采必須建設(shè)的環(huán)保設(shè)施，排洪設(shè)施是尾礦庫必須設(shè)置的安全設(shè)施[1]，其功能在于將匯水面積內(nèi)洪水安全地排至庫外，保證尾礦庫在洪水運(yùn)行期的安全運(yùn)行，框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)是尾礦庫最常選用的排洪設(shè)施。由于排洪設(shè)施不但關(guān)系到尾礦庫的防洪安全，而且其建設(shè)費(fèi)用在尾礦設(shè)施投資中所占比重大，對于采用框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)作為尾礦庫排洪設(shè)施的工程，如何合理的型至關(guān)重要。本文就不同尺寸框架式排水井和不同斷面、不同坡度隧洞組合成的排水系統(tǒng)的泄流能力進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析，結(jié)合作者多年工作經(jīng)驗(yàn)，給出選型方法。

1 泄流能力計(jì)算方法

框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，隨泄流水頭的大小而異。當(dāng)水頭較低時(shí)，泄流量較小，排水井內(nèi)水位低于最低工作窗口的下緣，此時(shí)為自由泄流；當(dāng)水頭增大，井內(nèi)被水充滿，但隧洞尚未呈滿管流，泄流量受隧洞的入口控制，此時(shí)為半壓力流；當(dāng)水頭繼續(xù)增大，隧洞呈滿管流時(shí)，即為壓力流。

以框架式排水井為例，不同工作狀態(tài)時(shí)的泄流量按下列公式計(jì)算[2]。

（1）自由泄流

a.水位未淹沒框架圈梁時(shí)

b.水位淹沒圈梁時(shí)

c.水位淹沒井口時(shí)

（2）半壓力流

（3）壓力流

以上公式中各參數(shù)含義如下：

nc——同一個(gè)橫斷面上排水口的個(gè)數(shù)；

bc——一個(gè)排水口的寬度；

m、φ、μ——各種工況對應(yīng)的流量系數(shù)；

ε—— 側(cè)向收縮系數(shù)；

Hy—— 溢流堰泄流水頭；

Hi——第i層全淹沒工作窗口的泄流計(jì)算水頭，從窗口中心線算起；

H0—— 最上層未淹沒工作窗口的泄流水頭；

Hj —— 井口泄流水頭；

H—— 計(jì)算水頭，為庫水位與排水管入口斷面中心標(biāo)高之差；

ωc—— 一個(gè)排水窗口的面積；

ωs—— 井口水流收縮斷面面積；

Fs—— 排水管入口水流收縮斷面面積；

Fx—— 排水管下游出口斷面面積。

2 不同組合的泄流計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

影響框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)泄流能力的主要因素有排水井尺寸、排水隧洞斷面尺寸及縱向坡度等。

假設(shè)尾礦庫設(shè)1座框架式排水井加1條排水隧洞作為排洪構(gòu)筑物。排水井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；隧洞為直洞，長1000m，采用鋼筋混凝土襯砌，隧洞粗糙系數(shù)0.017，本文計(jì)算模型選取如下：

（1）排水井

J-1：排水井直徑2.5m，立柱個(gè)數(shù)4個(gè)，立柱寬度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁間距3.0m；

J-2：排水井直徑3.0m；立柱個(gè)數(shù)6個(gè)，立柱寬度0.4m，立柱厚度0.35m，圈梁厚度0.35m，圈梁間距3.0m。

（2）排水隧洞斷面

D-1：底寬1.5m，高2.0m，頂拱半徑0.75m的圓拱直墻式隧洞；

D-2：底寬2.0m，高2.5m，頂拱半徑1.0m的圓拱直墻式隧洞。

（3）排水隧洞縱向坡度

P-1：縱向坡度為1.0%；

P-2：縱向坡度為0.5%。

2.2 計(jì)算組合

按2.1中選定的計(jì)算模型，形成以下四種組合進(jìn)行計(jì)算：

組合一：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-1；

組合二：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-2；

組合三：排水井選用J-1，排水隧洞選用D-2，隧洞縱坡選用P-1；

組合四：排水井選用J-2，排水隧洞選用D-1，隧洞縱坡選用P-1；

2.3 計(jì)算結(jié)果

分別采用2.2中的計(jì)算組合，按泄流計(jì)算公式計(jì)算，各種組合的泄流曲線分別見圖1-圖3。

2.4 泄流特點(diǎn)分析

根據(jù)以上算例，框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)泄流有以下特點(diǎn)：

（1）由圖1可以看出，在排水井、排水隧洞大小、形式一定的情況下，隧洞的坡度與泄流能力相關(guān)，隧洞坡度越大，泄流能力越大。

（2）由圖2可以看出，在排水井、隧洞坡度一定的情況下，排水隧洞的斷面尺寸與泄流能力相關(guān)，隧洞斷面尺寸越大，泄流能力越大。

圖1 組合一、組合二泄流曲線

圖2 組合一、組合三泄流曲線

圖3 組合一、組合四泄流曲線

（3）由圖3可以看出，在排水隧洞的斷面尺寸、坡度一定的情況下，增大排水井的斷面尺寸，當(dāng)隧洞內(nèi)為無壓流狀態(tài)時(shí)，排水井?dāng)嗝娉叽缭龃螅沽髁磕茉龃螅划?dāng)隧洞內(nèi)為有壓流狀態(tài)時(shí)，排水井?dāng)嗝娉叽缭龃螅沽髁吭黾佑邢蓿藭r(shí)泄流能力受排水隧洞尺寸制約。

（4）由圖3可以看出，在排水隧洞的斷面尺寸、坡度一定時(shí)，排水井尺寸越大，排水隧洞進(jìn)入壓力流所對應(yīng)的進(jìn)水水頭（排水井進(jìn)水口處的水頭）越低，這就意味著在相同的調(diào)洪高度下，排水井大的框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)更容易進(jìn)入壓力流工作狀態(tài)。

（5）框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)在自由流狀態(tài)下工作時(shí)，進(jìn)水水頭稍有增大，泄流量就有較大幅度的增大，排水構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)氣順暢，不易產(chǎn)生氣蝕，應(yīng)優(yōu)先保證排洪系統(tǒng)在該種工況下運(yùn)行。

3 選型方法

對各種組合的泄流計(jì)算分析，筆者結(jié)合多年工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)的選型過程簡列如下：

（1）根據(jù)尾礦庫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下的洪水過程線，計(jì)算出一次洪水總量和洪峰流量，再根據(jù)尾礦庫調(diào)洪庫容富裕程度，擬定排洪系統(tǒng)泄流量和調(diào)洪高度。

（2）由于排水井井筒四周都有進(jìn)水孔，其本身流量能力相對排水隧洞來說是比較大的（如在1m進(jìn)水水頭下，2.5m直徑的框架式排水井泄流量可達(dá)9m3/s左右，3.0m直徑的框架式排水井泄流量可達(dá)12m3/s左右），根據(jù)擬定排洪系統(tǒng)泄流量和調(diào)洪高度可初步確定排水井的尺寸。

（3）根據(jù)尾礦庫地形確定排水隧洞走向及出口位置，應(yīng)充分利用地形，盡量縮短長度，增大縱向坡度（為便于施工，長洞縱坡一般不超過5%）。

（4）按上述確定的框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)的泄流曲線進(jìn)行調(diào)洪演算，如滿足開始擬定的泄流量和調(diào)洪高度，且最大泄流量處于自流泄流狀態(tài)，則表明框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)較為合理，否則可同步調(diào)整排水井和排水隧洞尺寸，直到滿足調(diào)洪要求為止。

4 結(jié)語

排洪系統(tǒng)是尾礦庫安全關(guān)鍵因素之一，其設(shè)計(jì)受外部環(huán)境影響比較大，涉及當(dāng)?shù)厮那闆r、庫內(nèi)地質(zhì)情況、堆壩方式等技術(shù)因素以及建設(shè)成本、運(yùn)行管理費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)因素，各個(gè)尾礦庫的排洪設(shè)施設(shè)計(jì)通用性較差[3-5]。

框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)是常見的尾礦庫排洪設(shè)施，設(shè)計(jì)選型組合和計(jì)算參數(shù)多，過程繁雜。本文通過對尾礦庫框架式排水井-隧洞式排水系統(tǒng)的泄流計(jì)算，總結(jié)其泄流曲線與構(gòu)筑物參數(shù)的相關(guān)性的特點(diǎn)，并給出設(shè)計(jì)選型方法。