某矿山新建尾矿库工程导水系统方案研究

龙尚志

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 华县 714102)

0 引 言

某企业是一家集金矿矿石采、选为一体的企业。企业位于陕南地区，该地区常年气候温润，水量较充沛，其水质、水量能满足当地居民生活用水之需。经对矿区沟谷内洪水调查，近年来，日最大降雨量为142.6 mm，沟谷中洪水位可达1.5 m。主要受大气降水和地下水的补给，流量随季节降雨而变化较大，主要表现在每年的7、8、9月份，大气降水后带来的雨水补给，有猛涨速跌之态势。沟内地表水主要受大气降水和地下水的补给，沟谷内常年可见地表径流水，平水期流量约0.05 m3/s，洪水期流量约6.0 m3/s，为松散层孔隙潜水与基岩裂隙潜水的混合水。

该矿山企业日处理原矿450 t，选矿工艺为重-浮联合选矿工艺流程，磨矿细度为-200目占70%。为了解决尾矿的堆放、沉淀需要和环境保护的要求，落实企业安全生产建设与环境治理措施“三同时”制度，该企业初步设计在选厂东北侧的鲁家沟沟道内修建一座尾矿库工程。

为了满足环保要求，设计的排洪系统分为两大部分：库内排水系统和库外排水系统。库外排水系统主要用于宣泄二号拦洪坝上游沟道的天然来水，主要建构筑物包括：一号排洪主隧洞、溢流竖井、二号拦洪坝及消能设施等。库内排水系统主要用于宣泄库区的澄清水及雨水，主要建构筑物包括：二号排洪主隧洞、支隧洞、一、二号排洪斜槽、一号拦洪坝及坝下消能设施等。

溢流竖井布置在沟道底部，一、二号排洪主隧洞及库内支隧洞均布置在鲁家沟左岸的山体中。根据地质勘察的结果，隧洞沿线地质情况较好，适宜修建排洪隧洞。一、二号排洪沟斜槽沿鲁家沟沟底布置，根据地质勘察，鲁家沟沟底岩石基本裸露，基础地质情况较好。

1 导水系统考虑因素

1.1 导水系统确定原则

(1)导水系统应能满足该沟道实际集雨面积4.68 km2泄洪的要求。

(2)导水系统应能满足矿山《尾矿设施设计规范》(GB50863-2013)的要求。

(3)导水系统对周边居民、工业设施的影响应最小。

(4)导水系统位置根据《爆破安全规程》,此水工隧洞质点震速应小于10 cm/s。

(5)根据《中国地震动峰参数区划图》(GB18306-2015)：该地区属Ⅱ类场地，基本地震峰值加速度值为0.15 g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.40 s，抗震设防烈度为Ⅶ度。

(6)导水系统从经济方面考虑，投资应最小。

1.2 防洪标准的确定

由于该尾矿库设计总坝高为97.0 m，总库容为101.22万m3。按照坝高与库容量两方面的条件，该尾矿库应属于Ⅲ等尾矿库工程。洪水设防标准按照《尾矿设施设计规范》(GB50863-2013)的规定，根据各使用期尾矿库的等别进行设防。防洪标准见表1。

表1 矿库防洪标准

该尾矿库直接按照3等库上限，即500年一遇洪水标准进行设计。

1.3 该导水系统水文条件

该企业的尾矿库位于陕南某川镇的鲁家沟内，实际总集雨面积为鲁家沟和翁家沟两部分面积，共计4.68 km2,沟道长度4.42 km。根据鲁家沟尾矿库所处的位置，设计洪水采用《汉中地区实用水文手册》[1]介绍的“经验公式法”、“推理公式法”分别进行计算，分析比较后合理选用。

尾矿库所在流域的特征参数采用1/50000地形图进行量算，流域特征基本参数如下：

总汇水面积(鲁家沟+翁家沟部分面积)：F=4.68 km2；鲁家沟沟道长度：L=4.42 km；鲁家沟沟道水文比降：J=239.82‰；库区利用段比降：J1=160.92‰。分区流域参数见表2。

表2 分区流域参数表

经验公式法是建立洪峰流量与汇水面积的相关公式对设计洪水进行估算，其基本形式为：

QP=CpFn

(1)

式中：Qp—相应频率的洪峰流量(m3/s)；Cp—综合参数；F—控制汇水面积(km2)；n—指数。

查《手册》[1]，工程属于嘉陵江区，查洪峰流量与集水面积经验公式分区图，可得到不同频率的Cp值、n值，并代入上式进行计算。由于《手册》[1]中没有500年一遇洪水的计算参数，故将其各频率的参数绘图、延伸，采用拟合公式予以表达，然后求出500年一遇的洪水计算参数。计算参数的选择及洪水计算结果见表3。

表3 计算参数的选择及洪水计算结果

“推理公式法”是由暴雨间接推求设计洪水的一种方法,由于设计流域面积很小，暴雨按3 h进行控制，不考虑点面折减系数和流域形状改变系数。查《手册》[1]基本参数并进行计算，可得到设计流域不同历时的暴雨量，其结果见表4。

表4 设计流域不同历时暴雨量成果表

按照《手册》[1]中的暴雨雨型，对设计流域的暴雨进行时程分配，分配结果见表5。

根据《手册》[1]，Ⅲ1区域土壤最大蓄水量Im=55.0 mm，前期影响雨量Pa=2/3×Im=36.67 mm，流域产流方式为蓄满产流，即在土壤蓄水量达到最大蓄水量以前，降雨全部为损失，达到最大蓄水量以后，所有降雨量全部产生径流，流域的潜流百分数为20%，30年一遇洪水的潜流量为：94.67×20%=18.934 mm，时段平均潜流量为3.16 mm ；500年一遇洪水的潜流量为：173.18×20%=34.636 mm，时段平均潜流量为4.33 mm,修正时段潜流量为4.925 mm，从产流过程中扣除时段潜流量，即可得到各时段的净雨过程，如表6所示。

表5 设计暴雨面降雨时程分配成果表

表6 设计流域净雨过程计算表

汇流计算采用《手册》[1]中规定的公式，

(1)

(2)

(3)

式中：Qm—洪峰流量,m3/s；HR—单一洪峰的净雨量,mm；τ—流域汇流时间,h;L—流域的长度,km；J—沿流程L的平均比降；m—汇流参数；F—流域面积,km2。

根据以上公式,采用试算法进行推算；根据已知参数代入式(3)计算出m值，假定Qm值,代入公式(2)，再将结果代入(1)式反复试算后，直到假定的Q和计算的Q值相等，结果见表7。

表7 推理公式法计算结果表

采用经验公式法计算的500年一遇洪水为Q0.2%=72.92 m3/s,30年一遇洪水为Q3.33%=38.39 m3/s；推理法计算的500年一遇洪水为Q0.2%=143.96 m3/s,30年一遇洪水为Q3.33%=64.70 m3/s。从确保工程安全的角度考虑采用推理法的计算结果更为谨慎。

2 导水系统方案研究

2.1 导水系统组成

根据区域导流需要及有关水力学要求，建立排洪斜槽-溢流竖井-排洪隧洞-消能设施的导水方案。

2.2 导水设施设计方案

2.2.1 一号排洪主隧洞

1号排洪主隧洞布置在左岸山体内，全长671.29 m，洞底比降为5.0%。根据隧洞过流能力计算结果，隧洞的净宽取3.6 m，净高4.5 m，采用“城门洞型”断面。

图1 计算简图

隧洞进口设在2号拦洪坝的上游。为了减小隧洞的纵向比降，隧洞的入口处设置深度为50.0 m、内直径为5.0 m的竖井。竖井采用C35钢筋混凝土进行衬砌，衬砌厚度50.0 cm；竖井入口的溢流堰顶高程831.0 m。拦洪坝上游沟道的洪水经环形溢流堰进入竖井、然后通过一号主隧洞下泄到库外。一号主隧洞出口位于初期坝下游的左岸，出口底坎高程为752.44 m。隧洞出口经一号明渠泄入消力塘内，经消能后再通过原沟道下泄。

鲁家沟尾矿库防洪标准为500年一遇，因此需要分析当遭遇500年一遇洪水时，翁家沟分流至鲁家沟的洪水流量。翁家沟分流至鲁家沟的汇水面积为1.43 km2，按照推理公式法计算，求得500年一遇洪峰流量为89.55 m3/s。当洪水位低于翁家沟分流隧洞入口位置的拦洪坝坝顶时，洪水将全部由分流隧洞宣泄；当洪水位超过拦洪坝顶后，一部分洪水由分流隧洞宣泄，另一部分则将越过拦洪坝顶进入龙达尾矿库。

分流隧洞的泄流量按照下式[2]计算：

(4)

式中：ω—隧洞断面面积；μ、η—流量系数和洞口水流收缩系数。

拦洪坝顶的泄洪量按照下式计算[2]：

(5)

式中：m—流量系数；B—拦洪坝轴线长度。

由式(4)和式(5)进行反复试算，求得当洪水位高于拦洪坝顶0.94 m时，分流隧洞和拦洪坝顶的泄流量合计为89.55 m3/s。此时分流隧洞宣泄的流量为40.13 m3/s。

2.2.2 隧洞过流能力计算

一号排洪主隧洞需要宣泄的洪水包括鲁家沟二号拦洪坝上游沟道洪水及龙达分流到鲁家沟内的洪水。鲁家沟尾矿库二号拦洪坝上游汇水面积为2.97 km2，按照推理公式法计算，求得500年一遇洪峰流量为143.96 m3/s。龙达分流到鲁家沟的500年一遇洪峰流量为40.13 m3/s。一号主隧洞宣泄的流量为184.09 m3/s(143.96+40.13=184.09)。

按照《水工隧洞设计规范》的规定，洞内水面线以上空间不宜小于隧洞断面面积的15%，高度不应小于0.4 m。

隧洞采用钢筋混凝土衬砌，其糙率可以取n=0.016，纵向最缓比降i=5.0%；采用均匀流计算公式[3]为：

式中：A—相应于正常水深时的过水断面面积，m2;R—水力半径，m；R=A/X；X—湿周，m；C—谢才系数，C=R1/6/n；N—过水表面糙率，n=0.016；I—隧洞底坡坡度，i=5.0%。

计算结果见表8。

根据表6的计算结果，洞内水深为3.31 m、净空高度为1.19 m时，一号排洪主隧洞的过流能力为184.48 m3/s，隧洞水面以上净空符合规范要求。因此设计隧洞断面可以满足泄洪要求。

表8 一号主隧洞过流能力计算表

2.2.3 一号明渠

一号明渠的坡降为0.822，采用C35混凝土浇筑，底坡为台阶式，台阶高度为0.5 m，明渠净宽3.6 m，侧墙高度为3.6 m。

2.2.4 溢流竖井

一号排洪主隧洞入口处的溢流竖井位于二号拦洪坝的上游、隧洞入口处。溢流竖井的深度为50.0 m，内直径为5.0 m；井顶设环形溢流堰，堰顶高程831.0 m，溢流堰的外缘直径为8.0 m。为了防止洪水进流时产生立轴旋流，降低进流能力；在井顶溢流堰上设置3个隔涡墩；墩厚1.2 m、墩高3.5 m。溢流竖井的底部高程781.0 m,比隧洞进口底坎低5.0 m，以形成井底的消力坑。井筒衬砌厚度为50.0 cm，井底厚度为2.0 m；均采用C35钢筋混凝土衬砌。

溢流竖井需要宣泄的500年一遇洪峰流量为184.09 m3/s。溢流竖井进流按照环形堰进行计算[4]，进流能力计算如下：

式中：Q—泄流量，184.09 m3/s；m—流量系数，取0.42；R—溢流堰顶半径，4.0 m；b—隔涡墩厚度，1.2 m；H—堰前水头。

经过计算，堰上水头h=2.76 m 。即宣泄184.09 m3/s的洪水流量，溢流堰以上需要的水头为2.76 m。

2.2.5 二号拦洪坝

二号拦洪坝前形成的最高洪水位为833.76 m(831.0+2.76)。考虑0.7 m的安全超高，则二号拦洪坝顶应不得低于834.46 m。拦洪坝的高度决定于溢流竖井进流所需要的水头和拦洪坝所在位置的地基开挖深度，拦洪坝坝顶高程可以按下式[5]予以确定：

V坝顶 = V堰顶+H+A

式中：V坝顶—拦洪坝顶高程；V堰顶—溢流竖井溢流堰顶高程，831.0 m；A—安全加高取，0.7 m；H—溢流竖井进流水头；经计算，溢流竖井进流水头为2.76 m。

根据计算结果，拦洪坝坝顶不得低于溢流堰顶以上的3.46 m高度，即拦洪坝顶高程不得低于834.46 m，设计取拦洪坝顶高程为834.5 m。根据拦洪坝所在位置及基础开挖深度，设计拦洪坝的高度为10.0 m。

2.2.6 消能设施

根据地形条件，在一号排洪主隧洞的下游设置溢流坝，形成消力塘，以消杀出洞水流的动能。按照《溢洪道设计规范》SL253—2000第2.5.2条的“溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准：1级建筑物按100年一遇洪水设计；2级建筑物按50年一遇洪水设计；3级建筑物按30年一遇洪水设计”的规定。鲁家沟尾矿库属于Ⅲ等工程，主要建筑物——一号排洪主隧洞为3级建筑物。按照《溢洪道设计规范》的规定，消能设施应按照30年一遇进行设计。

3 方案评价

导水系统地理位置及结构组成完全符合水力学规范要求，导流系统的合理设计与天然沟道相匹配，完全能满足导流要求。当30年一遇的洪水经过隧洞的过水流量为64.70 m3/s，500年一遇的过水流量为143.96 m3/s；而一号排洪主隧洞的过流能力为184.48m3/s，隧洞水面以上净空符合规范要求。因此隧洞断面设计尺寸完全可以满足泄洪要求。

4 结 论

(1)该导流系统工程是某矿山企业达到正常运行所必须的首要工程。

(2)采用排水斜槽—溢流井—隧洞—出口渐变段—消力设施的导水方案，其总体布置是合理的，体型无大的问题，切合选厂周边的实际地理情况。

(3)导水设施结构断面尺寸能完全满足防洪标准的要求，一般而言不会发生水流空化、空蚀现象，河流上游最大洪水渲泄要求。

(4)此隧洞若建成，洞顶及洞壁部分段出现岩隙渗流水及酸性水腐蚀的情况，此问题如何解决，有待进一步研究。

参考文献

[1] 陕西省汉中地区水电局.汉中地区实用水文手册[M].汉中：1988:24-43.

[2] 武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：63-97.

[3] 吴持恭.水力学(上册)[M].北京：高等教育出版社，2008：168-182.

[4] 莫斯特柯夫.水力学手册[M].北京：水利出版社，1956：182-195.

[5] 颜宏亮.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2012：48-59.