淺談某尾礦庫排洪能力的復核計算

郭中岳(中國恩菲工程技術有限公司,北京100038)

1 前言

某尾礦庫所屬企業(以下簡稱“企業”)位于河北省秦皇島市青龍滿族自治縣,距離青龍縣城30 km。企業選礦廠原礦處理規模為5 萬t/a,礦石類型主要為磁鐵石英巖,選礦工藝為磨礦磁選工藝,企業目前處于停產狀態中。尾礦庫位于企業選礦廠附近的石門溝內,因設計年代較早,采用的防洪標準已不滿足現行規范要求,為了確保尾礦庫能安全度過汛期,需要對其進行排洪能力復核。本文運用水量平衡法對尾礦庫進行排洪能力復核,驗證其現在的排洪能力是否滿足規范要求。

2 尾礦庫區域自然氣象和現狀

2.1 區域自然氣象

尾礦庫所屬區域屬暖溫帶半干旱大陸性山地氣候,四季分明,夏季多東南風,炎熱多雨;冬季多西北風,干燥寒冷。本區極端最高氣溫為39.0℃,極端最低氣溫為- 24.5℃,夏季最熱月平均氣溫為29.9℃、平均相對濕度為80%,冬季最冷月平均氣溫為-13.0℃、平均相對濕度為51%。每年雨季在5—10 月,降雨多集中在六月、七月、八月和九月,日最大降雨量為365.4 mm,1 h 最大降雨量為59.8 mm,多年平均暴雨量為115 mm/d。無霜期約175 天。冬季最大積雪厚度為35 cm,最大凍結深度約1 m。本區冬季主導風向為西北風,夏季為東南風,最大風速為16.7 m/s。

2.2 尾礦庫現狀

尾礦庫位于南北走向溝谷內,庫區回水面積為0.152 km2。尾礦庫壩頂標高為298.0 m,壩高為29.0 m,總庫容約為12.18 萬m3,按相關規范,尾礦庫現狀為五等庫[1]。尾礦庫平面結構如圖1所示。

圖1 尾礦庫平面結構

(1)初期壩為透水堆石壩,壩頂標高為285.0 m,下游壩腳標高為268.0 m,壩高為17.0 m,頂寬約8.0 m,下游坡坡比約為1∶2.0。

(2)堆積壩采取上游式筑壩法,采用人工配合裝載機分級筑壩,尾礦庫有5 級子壩,各級堆積子壩高度不同,下游坡坡度不完全一致,堆積壩頂平均標高為298.0 m,灘頂標高為297.0 m,總壩高為12 m,整體外坡比為1∶3.0。目前尾礦庫處于停產狀態,汛期不進行放礦,不堆筑子壩。庫內水面標高為294.5 m,干灘長度約160.0 m,沉積灘平均坡度約1.8%。

(3)尾礦庫排水系統采用排水斜槽-排水管涵方式,排水管涵沿主溝布設,通過轉流井與東、西側支溝排水斜槽連接。排水管涵為城門洞型,底寬為0.9 m,高為1.65 m;東、西側支溝斜槽均為矩形,底寬分別為0.9 m、0.8 m,高分別為1.2 m、1.0 m 支溝斜槽與主溝斜槽采用轉流井連接,轉流井直徑為2.0 m。排水系統均采用C20 現澆鋼筋混凝土結構。

3 洪水計算

尾礦庫現狀為五等庫,按相關設計規范的規定,其防洪標準按100 年一遇[2]。洪水計算依據當地水文手冊提供的計算方法進行[3]。

(1)通過下述公式計算設計頻率最大24 h 降水量為

式中:H24P——設計頻率最大24 h 降水量,mm;

——多年平均24 h 降水量,mm;

KP——模比系數。

查《秦皇島市水文手冊》(1999 年2 月)得到。由24 h 暴雨變差系數CV和CS/CV=3.5,查皮爾遜Ⅲ型曲線表得到Kp。

(2)通過單因子公式計算設計洪峰流量為

式中:Qm,p——某一頻率的設計洪峰流量,m3·s-1;

Cp——某一頻率的洪峰模系數;

F——設計流域面積,km2。

(3)通過以下公式求得設計洪水總量

式中:W——設計洪水總量,萬m3;

R——洪水徑流深,mm;

F——設計流域面積,km2。

依據某一頻率的年最大24 h 降雨量H24P在《秦皇島市水文手冊》(1999 年2 月)查本市各分區的降雨徑流關系表,可直接得到洪水徑流深R。

(4)洪水過程線的形狀概化為三角形,利用如下經驗公式計算漲水歷時為

式中:Tg——漲水歷時,h;

F——流域面積,km2;

J——河道比降,‰;

W——洪水總量,萬m3;

Qm,p——洪峰流量,m3·s-1。

洪水總歷時T為

計算數據及參數見表1,利用上述公式計算得到設計頻率24 h 最大暴雨量、洪峰流量Q24P、洪水總量W24P、漲水歷時Tg及洪水總歷時T的結果見表2。

表1 洪水計算參數表

表2 百年一遇洪水計算結果表

4 調洪演算

4.1 調洪庫容計算

尾礦庫等別為五等,按《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)的規定,最小干灘長度為40 m,最小安全超高為0.4 m?，F狀沉積灘平均坡度約1.8%,干灘長度約160.0 m,正常水位按現狀庫水位計算,允許最高洪水位按最小干灘長度對應的庫水位標高計算,在1∶2 000 地形圖上計算調洪庫容,結果見表3。

表3 調洪庫容表

4.2 排水系統泄流能力計算

排水系統采用排水斜槽-排水管涵型式,東、西支溝均能排水,東、西側支溝斜槽均為矩形。支溝斜槽與主溝排水管涵采用轉流井連接,主溝溝底斜槽為城門洞型,底寬為0.9 m,高為1.65 m,坡度約5%。當斜槽上水頭較低時,為自由泄流,由水位以下的斜槽側壁和斜槽蓋板上緣泄流;當水位升高斜槽入口被淹沒時,泄流量受斜槽斷面控制,成為半壓力流;當水位繼續升高,排水斜槽呈滿流時,即為壓力流。不同水位時的斜槽-管式排水系統泄流能力計算方法參考尾礦設計手冊推薦的方法[4]。

1)自由泄流

當水位未超過蓋板上沿最高點時

當水位超過蓋板上沿最高點時

2)半壓力流

3)壓力流

式中:Q、Qa、Qb、Q1、Q2——泄流量,m3/s;

Hs——自由泄流水頭,自斜槽側壁過水部分的最低點起算,m;

Ht——自由泄流水頭,自蓋板上緣最高點起算,m;

Hb——半壓力流泄流水頭,為庫水位與斜槽進口斷面中心的標高差,m;

Hy——壓力流泄流水頭,為庫水位與排水管下游出口斷面中心的標高差,當下游淹沒時,為庫水位與下游水位的標高差,m;

g——重力加速度,取9.80 m/s2

b——梯形堰的底寬,m;

h——平蓋板的厚度或拱形蓋板的外緣拱高,m;

b1——斜槽的凈空寬度,m;

β——斜槽的傾角;

i——斜槽的坡度;

m1——堰流量系數;

m2——孔口流量系數,平蓋板取0.52,拱形蓋板取0.55;

σn——淹沒系數;

φ——壓力流流速系數;

ωx——斜槽斷面面積,m2;

ωc——排水管出口斷面面積,m2;

ξ1——排水斜槽末端局部水頭損失系數;

ξ2——排水管入口局部水頭損失系數;

ξ3——排水管斷面變化的局部水頭損失系數;

ξ4——排水管轉角局部水頭損失系數;

Rx、Rg——斜槽、排水管的水力半徑,m;

Cx、Cg——斜槽、排水管的謝才系數;

l、L——斜槽、排水管的長度,m;

ωg——排水管斷面面積,m2。

經計算,在調洪幅度范圍內,斜槽的泄流能力見表4。

表4 排水系統泄流能力計算表

4.3 調洪演算

根據來水過程線和排水構筑物的泄水量與尾礦庫的蓄水量關系曲線,通過水量平衡計算求出泄洪過程線,從而定出泄流量和調洪庫容。尾礦庫內任意時段Δt的水量平衡方程式為

式中:QS、Qz——時段始、終尾礦庫的來洪流量,m3/s;

Δt——始、終時段時長,s;

qs、qz——時段始、終尾礦庫的泄洪流量,m3/s;

Vs、Vz——時段始、終尾礦庫的蓄洪量,m3。

根據設計防洪標準,按百年一遇洪水計算。取Δt=0.01h=36s,調洪演算輔助曲線計算見表5,調洪演算見表6。

表5 調洪演算輔助曲線計算表

表6 調洪演算表

4.4 調洪驗算結果

經計算,現狀尾礦庫調洪演算結果見表7。

表7 調洪演算結果表

5 結論

通過對尾礦庫進行排洪能力復核計算,在現狀灘頂標高297.0 m,遭遇百年一遇洪水時,最高洪水位為295.55 m,對應安全超高為1.45 m,干灘長度為80.56 m,排水斜槽在2.14 h 后,能將入庫洪水排泄出庫。尾礦庫排洪能力滿足規范要求。