浅谈某尾矿库排洪能力的复核计算

郭中岳(中国恩菲工程技术有限公司,北京100038)

1 前言

某尾矿库所属企业(以下简称“企业”)位于河北省秦皇岛市青龙满族自治县,距离青龙县城30 km。企业选矿厂原矿处理规模为5 万t/a,矿石类型主要为磁铁石英岩,选矿工艺为磨矿磁选工艺,企业目前处于停产状态中。尾矿库位于企业选矿厂附近的石门沟内,因设计年代较早,采用的防洪标准已不满足现行规范要求,为了确保尾矿库能安全度过汛期,需要对其进行排洪能力复核。本文运用水量平衡法对尾矿库进行排洪能力复核,验证其现在的排洪能力是否满足规范要求。

2 尾矿库区域自然气象和现状

2.1 区域自然气象

尾矿库所属区域属暖温带半干旱大陆性山地气候,四季分明,夏季多东南风,炎热多雨;冬季多西北风,干燥寒冷。本区极端最高气温为39.0℃,极端最低气温为- 24.5℃,夏季最热月平均气温为29.9℃、平均相对湿度为80%,冬季最冷月平均气温为-13.0℃、平均相对湿度为51%。每年雨季在5—10 月,降雨多集中在六月、七月、八月和九月,日最大降雨量为365.4 mm,1 h 最大降雨量为59.8 mm,多年平均暴雨量为115 mm/d。无霜期约175 天。冬季最大积雪厚度为35 cm,最大冻结深度约1 m。本区冬季主导风向为西北风,夏季为东南风,最大风速为16.7 m/s。

2.2 尾矿库现状

尾矿库位于南北走向沟谷内,库区回水面积为0.152 km2。尾矿库坝顶标高为298.0 m,坝高为29.0 m,总库容约为12.18 万m3,按相关规范,尾矿库现状为五等库[1]。尾矿库平面结构如图1所示。

图1 尾矿库平面结构

(1)初期坝为透水堆石坝,坝顶标高为285.0 m,下游坝脚标高为268.0 m,坝高为17.0 m,顶宽约8.0 m,下游坡坡比约为1∶2.0。

(2)堆积坝采取上游式筑坝法,采用人工配合装载机分级筑坝,尾矿库有5 级子坝,各级堆积子坝高度不同,下游坡坡度不完全一致,堆积坝顶平均标高为298.0 m,滩顶标高为297.0 m,总坝高为12 m,整体外坡比为1∶3.0。目前尾矿库处于停产状态,汛期不进行放矿,不堆筑子坝。库内水面标高为294.5 m,干滩长度约160.0 m,沉积滩平均坡度约1.8%。

(3)尾矿库排水系统采用排水斜槽-排水管涵方式,排水管涵沿主沟布设,通过转流井与东、西侧支沟排水斜槽连接。排水管涵为城门洞型,底宽为0.9 m,高为1.65 m;东、西侧支沟斜槽均为矩形,底宽分别为0.9 m、0.8 m,高分别为1.2 m、1.0 m 支沟斜槽与主沟斜槽采用转流井连接,转流井直径为2.0 m。排水系统均采用C20 现浇钢筋混凝土结构。

3 洪水计算

尾矿库现状为五等库,按相关设计规范的规定,其防洪标准按100 年一遇[2]。洪水计算依据当地水文手册提供的计算方法进行[3]。

(1)通过下述公式计算设计频率最大24 h 降水量为

式中:H24P——设计频率最大24 h 降水量,mm;

——多年平均24 h 降水量,mm;

KP——模比系数。

查《秦皇岛市水文手册》(1999 年2 月)得到。由24 h 暴雨变差系数CV和CS/CV=3.5,查皮尔逊Ⅲ型曲线表得到Kp。

(2)通过单因子公式计算设计洪峰流量为

式中:Qm,p——某一频率的设计洪峰流量,m3·s-1;

Cp——某一频率的洪峰模系数;

F——设计流域面积,km2。

(3)通过以下公式求得设计洪水总量

式中:W——设计洪水总量,万m3;

R——洪水径流深,mm;

F——设计流域面积,km2。

依据某一频率的年最大24 h 降雨量H24P在《秦皇岛市水文手册》(1999 年2 月)查本市各分区的降雨径流关系表,可直接得到洪水径流深R。

(4)洪水过程线的形状概化为三角形,利用如下经验公式计算涨水历时为

式中:Tg——涨水历时,h;

F——流域面积,km2;

J——河道比降,‰;

W——洪水总量,万m3;

Qm,p——洪峰流量,m3·s-1。

洪水总历时T为

计算数据及参数见表1,利用上述公式计算得到设计频率24 h 最大暴雨量、洪峰流量Q24P、洪水总量W24P、涨水历时Tg及洪水总历时T的结果见表2。

表1 洪水计算参数表

表2 百年一遇洪水计算结果表

4 调洪演算

4.1 调洪库容计算

尾矿库等别为五等,按《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)的规定,最小干滩长度为40 m,最小安全超高为0.4 m。现状沉积滩平均坡度约1.8%,干滩长度约160.0 m,正常水位按现状库水位计算,允许最高洪水位按最小干滩长度对应的库水位标高计算,在1∶2 000 地形图上计算调洪库容,结果见表3。

表3 调洪库容表

4.2 排水系统泄流能力计算

排水系统采用排水斜槽-排水管涵型式,东、西支沟均能排水,东、西侧支沟斜槽均为矩形。支沟斜槽与主沟排水管涵采用转流井连接,主沟沟底斜槽为城门洞型,底宽为0.9 m,高为1.65 m,坡度约5%。当斜槽上水头较低时,为自由泄流,由水位以下的斜槽侧壁和斜槽盖板上缘泄流;当水位升高斜槽入口被淹没时,泄流量受斜槽断面控制,成为半压力流;当水位继续升高,排水斜槽呈满流时,即为压力流。不同水位时的斜槽-管式排水系统泄流能力计算方法参考尾矿设计手册推荐的方法[4]。

1)自由泄流

当水位未超过盖板上沿最高点时

当水位超过盖板上沿最高点时

2)半压力流

3)压力流

式中:Q、Qa、Qb、Q1、Q2——泄流量,m3/s;

Hs——自由泄流水头,自斜槽侧壁过水部分的最低点起算,m;

Ht——自由泄流水头,自盖板上缘最高点起算,m;

Hb——半压力流泄流水头,为库水位与斜槽进口断面中心的标高差,m;

Hy——压力流泄流水头,为库水位与排水管下游出口断面中心的标高差,当下游淹没时,为库水位与下游水位的标高差,m;

g——重力加速度,取9.80 m/s2

b——梯形堰的底宽,m;

h——平盖板的厚度或拱形盖板的外缘拱高,m;

b1——斜槽的净空宽度,m;

β——斜槽的倾角;

i——斜槽的坡度;

m1——堰流量系数;

m2——孔口流量系数,平盖板取0.52,拱形盖板取0.55;

σn——淹没系数;

φ——压力流流速系数;

ωx——斜槽断面面积,m2;

ωc——排水管出口断面面积,m2;

ξ1——排水斜槽末端局部水头损失系数;

ξ2——排水管入口局部水头损失系数;

ξ3——排水管断面变化的局部水头损失系数;

ξ4——排水管转角局部水头损失系数;

Rx、Rg——斜槽、排水管的水力半径,m;

Cx、Cg——斜槽、排水管的谢才系数;

l、L——斜槽、排水管的长度,m;

ωg——排水管断面面积,m2。

经计算,在调洪幅度范围内,斜槽的泄流能力见表4。

表4 排水系统泄流能力计算表

4.3 调洪演算

根据来水过程线和排水构筑物的泄水量与尾矿库的蓄水量关系曲线,通过水量平衡计算求出泄洪过程线,从而定出泄流量和调洪库容。尾矿库内任意时段Δt的水量平衡方程式为

式中:QS、Qz——时段始、终尾矿库的来洪流量,m3/s;

Δt——始、终时段时长,s;

qs、qz——时段始、终尾矿库的泄洪流量,m3/s;

Vs、Vz——时段始、终尾矿库的蓄洪量,m3。

根据设计防洪标准,按百年一遇洪水计算。取Δt=0.01h=36s,调洪演算辅助曲线计算见表5,调洪演算见表6。

表5 调洪演算辅助曲线计算表

表6 调洪演算表

4.4 调洪验算结果

经计算,现状尾矿库调洪演算结果见表7。

表7 调洪演算结果表

5 结论

通过对尾矿库进行排洪能力复核计算,在现状滩顶标高297.0 m,遭遇百年一遇洪水时,最高洪水位为295.55 m,对应安全超高为1.45 m,干滩长度为80.56 m,排水斜槽在2.14 h 后,能将入库洪水排泄出库。尾矿库排洪能力满足规范要求。