尾矿库井—管式排水系统水力计算图表整理分析与应用

陈宇清　袁子有　侯　攀

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)



尾矿库井—管式排水系统水力计算图表整理分析与应用

陈宇清袁子有侯攀

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

根据尾矿库井—管式排水系统水力通用计算公式，选取一系列与泄流量相关的基础参数分别计算，得到不同工况下自由流、半压力流和压力流三种流态的泄流量，并整理成泄流曲线图表，利用泄流曲线图表分析和总结不同参数对泄流量计算结果的影响效应，帮助专业技术人员快速完成排水系统方案设计，同时对某些基础参数不全的老尾矿库排水系统进行分析，也可得出定性结果。

排水系统水力计算图表尾矿库

排水系统作为尾矿库的核心工程，对尾矿库的安全运行起着至关重要的作用。尾矿库的排水系统有多种型式，有井—管式排水系统、排水斜槽和排水隧洞等。对于汇水面积较小而调洪库容较大的尾矿库，从管理方便及使用安全考虑，常采用井—管式排水系统。该排水系统水力计算较为繁琐，欲快速得到排水系统水力计算结果，有必要对其泄流量大小及变化规律进行统计分析。选取不同参数分别计算其泄流量，得到一系列不同工况下的泄流曲线，统一整理成图表，以方便专业人员在条件受限时使用[1-5]：①快速得到排水系统的泄流量，为尾矿库排水系统设计提供参考，提高设计效率和质量；②对某些参数不全的老尾矿库排水系统，通过查询图表中关键设计参数对应的泄流曲线，可初步判别排水系统泄流能力，具有实用价值；③与传统计算结果进行对比，利用图表可快速得出结果，对常规计算结果进行校核；④便于尾矿库管理人员对排洪系统的泄流能力做出定性分析和判断。

1　计算原理及计算工况

目前最常用的排水井有窗口式和框架式，现仅分析与窗口井对应的排水系统泄流曲线图表的制作方法及应用。

井—管式排水系统内的流态比较复杂，其工作状态有自由泄流、半压力流和压力流3种，不同的工作状态，其泄流计算公式也不相同[6-7]。从防洪安全的角度考虑，通常以3个泄流量中的最小值作为综合泄流量进行尾矿库的调洪演算与分析[8]。

根据《窗口式排水井标准图集》，排水井窗口内径均为0.3m，窗口净距均为0.35m，现给定排水井井座底标高Z，井筒顶标高Z+20，井筒内径分别为1.5，2.0，2.5，3.0和3.5m，对应同一截面上的窗口个数分别为4、6、8、10、12。排水管长度取400m，管线坡度取i=0.01，计算工况见表1。

表1　泄流计算工况

2　计算不同条件下泄流曲线

2.1自由泄流

自由流状态下其泄流量的大小取决于同一横断面上排水窗口的个数、窗口直径和工作窗口的泄流计算水头。

根据泄流计算公式，对应上述5种不同的计算工况，利用程序计算可得到不同水位下的一组自由泄流曲线图，见图1。

2.2半压力流

半压力流泄流量的大小主要取决于排水管管径、排水井内径、排水窗口大小和计算水头，在给定排水井内径时，对于不同的排水管径，可计算得到一系列半压力流泄流曲线，见图2。

图1　自由泄流曲线

2.3压力流

压力流泄流量的大小主要取决于排水管管径、排水井内径、排水窗口和计算水头。在给定排水井内径下，不同的排水管径计算，得到一系列的压力流泄流曲线，见图3。

3　泄流曲线图表的分析与应用

3.1排水井内径对泄流量的影响分析

洋桔梗易感染土生病害，可采用噁霉灵+福美双熏蒸消毒法对土壤进行处理，具体方法为：先进行旋耕整地，将70%噁霉灵、50%福美双可湿性粉剂分别按30 kg·hm-2、100 kg·hm-2混合拌匀，然后盖上塑料薄膜进行熏闷，7 d后揭膜待药味散尽即可。另深翻暴晒、放水泡地等方法也简便可行。

给定排水管内径1.2m，长度400m，坡度0.01，

图2　不同井内径半压力泄流曲线

图3　不同井内径压力泄流曲线

排水井内径分别取1.5，2.0，2.5，3.0和3.5m，计算得到2组曲线，见图4。由图4可知，随着排水井内径的不断增大，半压力流和压力流工作状态下泄流量都逐渐增大，但增长幅度都逐渐减小。同时也表明排水井内径变化对压力流的影响程度明显小于半压力流。

图4　不同排水井内径时泄流曲线

3.2排水管内径对泄流量的影响分析

由图1～图3可知，排水管内径对自由流基本无影响，对半压力流和压力流的影响比较显著，随着管径不断增大，两种工作状态下排水系统的泄流量都逐渐增大。

3.3排水管线长度对泄流量的影响分析

给定排水井内径2.0m，排水管内径1.2m，坡度取0.01，管线长度分别取100，200，300，…，1 600m，计算得到一系列泄流曲线，见图5。从图5中可以看出：随着排水管线长度的增加，泄流量逐渐减小，当管线长度超过500m后，继续增加管线长度，对排水系统泄流量的影响越来越小，可忽略不计。

图5　不同排水管线长度时泄流曲线

3.4排水管线坡度对泄流量的影响分析

3.5泄流曲线相对位置关系的分析及应用

给定排水井内径2.0m，排水管内径1.2m，长度400m，管线坡度0.15，计算得到3种流态下的泄流曲线组合图，见图7。由图7可知，该排水系统在开始泄流时水头较小，排水管处于自由流状态；当泄流水头涨至4～5.5m时，排水管处于明满流交替的半压状态；水头继续上涨时，排水管转为满管压力流状态。若改变条件，计算得到的半压力流曲线较图中曲线的位置还要靠左，此时，排水管大多数情况下会处于半压状态，工程中应尽量避免。这一情况也表明排水管内径选取较大，应适当减小排水管内径。

图6　不同排水管线坡度时泄流曲线

图7　给定条件下的综合泄流曲线

4　结　论

(1)通过对不同工况下排水系统的泄流量计算并整理成泄流曲线图表，可以快速的查找不同参数时井—管式排水系统的泄流量数值，为工程现场服务提供了便利。

(2)通过对影响泄流量各因素的分析得出：①对自由流，泄流量大小主要受排水井内径控制，与排水管径大小、排水管长度和坡度等因素均无关；②对半压力流，泄流量大小主要受排水管内径控制，此外，排水井内径变化对半压力流也有一定影响，而排水管长度和坡度等因素均无影响；③对压力流，影响因素比较多，影响程度由大到小依次为排水管内径、管线坡度、排水管长度和排水井内径。

(3)根据选定系统的泄流曲线图，可以从3条曲线所处的相对位置关系判断所选系统的断面尺寸是否合理，便于及时对整套排水系统的设计参数做出调整，确保排水系统设计做到技术安全、经济合理。

[1]陈欢,李瑞林,贾晔，等.排水系统泄流能力计算方法探讨[J].现代矿业,2015(2):180-183.

[2]王海超,刘瀚和.尾矿库窗口式井—管排水系统泄流能力的探讨[J].有色冶金设计与研究,2012(3):9-14.

[3]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,2003(5):6-8.

[4]邓书申.尾矿库排洪系统设计及优化方法[J].金属矿山,2014(2):146-149.

[5]党宁.尾矿库排水井泄洪系统体型优化试验研究[D].西安：西安理工大学,2010.

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

[7]陈青,陈秀华,朱星，等.尾矿坝设计手册[M].北京：冶金工业出版社,2007.

[8]李斌华,刁明军,杨海波.尾矿库排洪系统水力计算研究[J].西南民族大学学报,2007(3):613-617.

2016-03-14)

陈宇清(1984—)，女，工程师，硕士，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。