排水系统泄流能力计算方法探讨

陈 欢 李瑞林 贾 晔 王敬瑞

(金建工程设计有限公司)

排水系统泄流能力计算方法探讨

陈 欢 李瑞林 贾 晔 王敬瑞

(金建工程设计有限公司)

井-管(洞)式排水系统是尾矿库排水系统中常用的一种，其泄流能力通常采用经验公式法计算，结合常用的框架式排水井的特点，提出修改完善后的泄流能力计算公式，并通过对不同工况的井-管(洞)式排水系统泄流能力进行计算分析比较可知，增加井座孔口泄流曲线是很必要的。同时也给出了排水系统优化的一些建议，在井-管(洞)式排水系统设计中值得推广应用。

井-管(洞)式排水 框架式排水井 泄流能力

尾矿库排水系统由进水构筑物和输水构筑物组成。对于所需泄流量较大的尾矿库，进水构筑物常采用框架式排水井，输水构筑物常采用涵管或隧洞，该种布置形式通常称为井-管(洞)式。尾矿库排水系统泄流能力通常采用《尾矿设施设计参考资料》中推荐经验公式法进行计算，得出的库水位与泄流量关系曲线由自由泄流、孔口泄流、半压力流和压力流的内包线组成[1]。在实际的设计工作中，如笼统的采用该方法进行泄流能力计算，在排水系统使用的某个时期，得出的泄流能力会偏大，使得尾矿库的防洪存在一定的安全隐患。因此，研究井-管(洞)式泄流能力的计算方法，对尾矿库的防洪安全具有重要意义。

1 井-管(洞)式泄流能力经验公式法

1.1 框架式排水井简介

框架式排水井由井座、井筒(井柱、圈梁、拱板)和盖板组成。井柱立于井座上，井柱根数随井径而异，井柱每隔一定高度设一道圈梁。拱板采用预制，后期随着尾矿库内尾砂面的升高不断安放拱板，当排水井服务期满后，在井座上安放盖板封井。

1.2 计算公式

井-管(洞)式排水系统的工作状态随泄流水头的大小而异。当水头较低时，泄流量较小，排水井内水位低于最低工作窗口的下缘，此时为自由泄流；当水头增大，井内被水充满，但涵管(或隧洞)尚未呈满管流，泄流量受涵管(或隧洞)的入口控制，此时为半压力流；当水头继续增大，涵管(隧洞)呈满管流时，即为压力流。不同工作状态时的泄流量按如下公式计算[2-6]。

(1)初始条件下，井上水深较小，按自由泄流计算:

水位未淹没圈梁时

(1)

水位淹没圈梁时

(2)

式中，nc为同一断面上排水口的个数；m为堰流量系数；ε为侧收缩系数；bc为一个排水口的宽度，m；Hy为溢流堰的泄流水头，m；ωc为一个排水窗口的面积，m2；Hi为第i层全淹没工作窗口的泄流计算水头，m；H0为最上层未淹没工作窗口的泄流水头，m。

(2)水位淹没井筒入口时,按孔口泄流计算：

(3)

式中，φt为此时井筒口淹没系数；ωs为井筒入口水流收缩断面面积，m2；Ht为井筒入口泄流水头，m。

(3)水位继续升高，按半压力流公式计算：

(4)

式中，φb为此时排水管进口淹没系数；Fs为涵管入口水流收缩面积，m2；H为计算水头，m。

(4)水位再继续升高，按压力流计算：

(5)

式中，μ为排水管出口断面淹没系数；Fx为涵管下游出口断面面积，m2；HZ为计算水头，m。

1.3 计算实例[2]

某尾矿库的排水系统为φ3 m的框架式排水井连接2.8 m×2.8 m圆拱直墙隧洞。排水井框架为4根0.3 m×0.5 m的井柱，框架上每隔2.5 m设一道圈梁，圈梁厚0.3 m。井座顶标高为397.5 m,隧洞进口中心标高为396.2 m，隧洞出口中心标高为388.6 m，长380 m，坡度为0.02。其排水系统见图1。计算得出拱板顶标高为400 m时库水位与泄流量关系曲线，泄流曲线为内包线，即a-b-c段，见图2。

图1 排水系统示意(单位:m)

图2 拱板顶标高为400 m时库水位

图2中，当水位较低时，为自由泄流；水位升高后，转变为孔口泄流。

2 常规计算方法分析

矿山尾矿库常用的框架式排水井一般参考《冶金矿山尾矿设施通用图集—尾矿框架式排水井》。该种排水井的井座和井架为现浇而成，拱板采用预制，后期随着尾矿库内尾砂面的升高不断安放拱板。可根据需要选择不同圈梁外径的排水井，常用的排水井圈梁外径有2.5，3，3.5和4.5 m，相配套的涵管内径为1.2，1.5，2.0和3.0 m。图1中框架式排水井井筒与井座的内径相同，水位淹没井口时有过水断面收缩(由库面变为井筒断面)，出现孔口泄流。

常用的框架式排水井在服务期满后，要在井座上安放盖板封井，故井座内径要小于井筒内径，一般小于1 m。当水流从井筒段进入井座段时，除了有自由泄流和孔口泄流(井筒)，还有一个断面的收缩(由井筒断面变为井座断面)，此种工况也为孔口泄流。为区分2种孔口泄流，将其分别命名为井筒孔口泄流和井座孔口泄流。井座孔口泄流计算过程参照井筒孔口泄流计算,其计算公式为

(7)

式中，φz为此时井座口淹没系数；ωz为井座入口水流收缩断面面积，m2；Hz为井座入口泄流水头，m。

因此，对于通常使用的排水井，由于其与示例中形式的不同，进行其泄流能力计算时，不能笼统地参照《尾矿设施设计参考资料》中的计算方法，应增加一条井座孔口泄流的曲线，对原计算公式进行完善后再使用。

3 完善方法后比较

3.1 不同工况计算结果

排水井圈梁外径为3.0 m，排水井框架为6根0.35 m×0.4 m的“凸”字形井柱；井柱上每隔3 m设一道圈梁，圈梁宽0.2 m，厚0.35 m；拱板为中心角60°的弧形，每块高0.3 m，厚0.1 m；圈梁外径(拱板内径)为3 m；井座内径为2 m。井座顶标高为100 m，井座进口中心标高为98.25 m。配套的涵管取内径1.5 m的整体式圆管和1.5 m×1.5 m(B×H)的圆拱直墙管，涵管入口断面取内径1.5 m的圆形、由内径1.5 m的圆形渐变成内径2.0 m的圆形和断面为1.5 m×1.5 m(B×H)的圆拱直墙形3种形式，见图3～图5。现就不同的初始进水口标高、所接涵管坡度、涵管断面和涵管入口断面面积，组合不同的计算工况，通过完善后的公式分别计算，并对应绘制泄流曲线的图形，见表1、图6。

图3 标准框架式排水井三视图(单位:mm)

图4 排水井涵管入口为渐变段的框架式排水井三视图(单位:mm)

图5 排水井涵管入口为圆拱直墙式的框架式排水井三视图(单位:mm)

表1 排水系统工况计算结果

注：工况1～工况6排水井所接涵管为内径1.5 m的整体式圆管，工况7～工况8排水井所接涵管为1.5 m×1.5 m(B×H)的圆拱直墙管。其中工况6的涵管入口断面采用椭圆渐变段，由涵管断面渐变成与井座内径相同，其他工况的排水井涵管入口断面与所接涵管断面相同。

3.2 计算结果分析

(1)由工况1～工况8可知,井-管(洞)式排水系统的泄流能力在初期受自由泄流控制。随着水位的升高，根据各控制参数的不同，泄流能力受其他泄流状态控制。

(2)由工况1～工况3、工况7和工况8可知，井座孔口泄流受井座顶水头影响，水头越大，其曲线越向右移。在排水井使用初期，井座顶水头较小，泄流能力受井座孔口泄流控制，增加这条曲线后，其泄流能力有一定的减小。

(3)由工况2和工况4、工况3和工况5可知，压力流曲线受涵管的坡度影响，坡度越大，其曲线越向右移。当井座顶水头较大时，其泄流能力一般受压力流控制。

(4)由工况5和工况6可知，半压力流受排水井涵管入口断面影响，入口断面面积增大，收缩系数和收缩断面面积都会增大，从而引起半压力流泄流曲线向右移动。

(5)由工况5和工况7可知，半压力流、压力流都受涵管断面面积的影响，涵管断面面积增大，半压力流和压力流泄流曲线都向右移动。在图1中，排水井所接隧洞的断面面积( 7 m2)远大于配套涵管的断面面积(1.767 m2)，半压力流和压力流泄流曲线都向右移动，此时泄流曲线由井筒孔口泄流控制。

图6 不同工况下的排洪系统泄流能力曲线

4 结 论

(1)目前尾矿库井-管(洞)式排水系统泄流能力计算大多按照《尾矿设施设计参考资料》中的公式和示例计算，而常用的排水井与示例中有不同之处，其计算公式也需完善后使用，计算其泄流曲线时，应增加井座孔口泄流工况的计算曲线。特别是在尾矿库使用初期，排水井刚投入使用，井座上拱板安装层数较少，此时井座之上的水头较小，井座孔口泄流曲线对排洪系统的泄流能力有一定减小作用。而在尾矿库使用初期，其调洪库容也一般是最小的，如将泄流能力计算得偏大，会使得尾矿库防洪存在一定的安全隐患。

(2)对于排水井-隧洞式的排洪系统，由于施工方便等原因，一般隧洞的断面较大，而坡度较小，泄流曲线大多受压力流控制，可以通过增加隧洞的坡度来增大排洪系统的泄流能力。

(3)对于排水井-涵管式的排洪系统布置，一般涵管的断面较小，而坡度较大，泄流曲线大多受半压力流控制,可以通过调整排水井井座涵管入口形式或增大涵管断面的方法来增大排洪系统的泄流能力。其中调整排水井井座涵管入口形式的方法非常经济，通过局部优化，就可使排水系统泄流能力显著提高，此方法值得在排水系统设计中推广应用。

[1] 吴国高，刘晓峰，卢建京，等.尾矿库排水系统两种水力计算方法的比较[J].有色冶金设计与研究，2011(4)：6-8.

[2] 尾矿设施设计参考资料编写组.尾矿设施设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[3] 王世夏.高尾矿坝塔式进口竖井排洪道的泄流能力[J].金属矿山，1994(5)：36-39.

[4] 吴持恭.水力学[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.

[5] 华东水利学院.水工设计手册：第六卷[M].北京：水利出版社，1987.

[6] 武汉大学水利电力学院水力学流体力学教研室.水力计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2006.

2014-10-16)

陈 欢(1986—)，男，工程师，264670 山东省烟台市高新区学府西路18号。