排水系統(tǒng)泄流能力計算方法探討

陳 歡 李瑞林 賈 曄 王敬瑞

(金建工程設(shè)計有限公司)

排水系統(tǒng)泄流能力計算方法探討

陳 歡 李瑞林 賈 曄 王敬瑞

(金建工程設(shè)計有限公司)

井-管(洞)式排水系統(tǒng)是尾礦庫排水系統(tǒng)中常用的一種，其泄流能力通常采用經(jīng)驗公式法計算，結(jié)合常用的框架式排水井的特點，提出修改完善后的泄流能力計算公式，并通過對不同工況的井-管(洞)式排水系統(tǒng)泄流能力進(jìn)行計算分析比較可知，增加井座孔口泄流曲線是很必要的。同時也給出了排水系統(tǒng)優(yōu)化的一些建議，在井-管(洞)式排水系統(tǒng)設(shè)計中值得推廣應(yīng)用。

井-管(洞)式排水 框架式排水井 泄流能力

尾礦庫排水系統(tǒng)由進(jìn)水構(gòu)筑物和輸水構(gòu)筑物組成。對于所需泄流量較大的尾礦庫，進(jìn)水構(gòu)筑物常采用框架式排水井，輸水構(gòu)筑物常采用涵管或隧洞，該種布置形式通常稱為井-管(洞)式。尾礦庫排水系統(tǒng)泄流能力通常采用《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中推薦經(jīng)驗公式法進(jìn)行計算，得出的庫水位與泄流量關(guān)系曲線由自由泄流、孔口泄流、半壓力流和壓力流的內(nèi)包線組成[1]。在實際的設(shè)計工作中，如籠統(tǒng)的采用該方法進(jìn)行泄流能力計算，在排水系統(tǒng)使用的某個時期，得出的泄流能力會偏大，使得尾礦庫的防洪存在一定的安全隱患。因此，研究井-管(洞)式泄流能力的計算方法，對尾礦庫的防洪安全具有重要意義。

1 井-管(洞)式泄流能力經(jīng)驗公式法

1.1 框架式排水井簡介

框架式排水井由井座、井筒(井柱、圈梁、拱板)和蓋板組成。井柱立于井座上，井柱根數(shù)隨井徑而異，井柱每隔一定高度設(shè)一道圈梁。拱板采用預(yù)制，后期隨著尾礦庫內(nèi)尾砂面的升高不斷安放拱板，當(dāng)排水井服務(wù)期滿后，在井座上安放蓋板封井。

1.2 計算公式

井-管(洞)式排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)隨泄流水頭的大小而異。當(dāng)水頭較低時，泄流量較小，排水井內(nèi)水位低于最低工作窗口的下緣，此時為自由泄流；當(dāng)水頭增大，井內(nèi)被水充滿，但涵管(或隧洞)尚未呈滿管流，泄流量受涵管(或隧洞)的入口控制，此時為半壓力流；當(dāng)水頭繼續(xù)增大，涵管(隧洞)呈滿管流時，即為壓力流。不同工作狀態(tài)時的泄流量按如下公式計算[2-6]。

(1)初始條件下，井上水深較小，按自由泄流計算:

水位未淹沒圈梁時

(1)

水位淹沒圈梁時

(2)

式中，nc為同一斷面上排水口的個數(shù)；m為堰流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；bc為一個排水口的寬度，m；Hy為溢流堰的泄流水頭，m；ωc為一個排水窗口的面積，m2；Hi為第i層全淹沒工作窗口的泄流計算水頭，m；H0為最上層未淹沒工作窗口的泄流水頭，m。

(2)水位淹沒井筒入口時,按孔口泄流計算：

(3)

式中，φt為此時井筒口淹沒系數(shù)；ωs為井筒入口水流收縮斷面面積，m2；Ht為井筒入口泄流水頭，m。

(3)水位繼續(xù)升高，按半壓力流公式計算：

(4)

式中，φb為此時排水管進(jìn)口淹沒系數(shù)；Fs為涵管入口水流收縮面積，m2；H為計算水頭，m。

(4)水位再繼續(xù)升高，按壓力流計算：

(5)

式中，μ為排水管出口斷面淹沒系數(shù)；Fx為涵管下游出口斷面面積，m2；HZ為計算水頭，m。

1.3 計算實例[2]

某尾礦庫的排水系統(tǒng)為φ3 m的框架式排水井連接2.8 m×2.8 m圓拱直墻隧洞。排水井框架為4根0.3 m×0.5 m的井柱，框架上每隔2.5 m設(shè)一道圈梁，圈梁厚0.3 m。井座頂標(biāo)高為397.5 m,隧洞進(jìn)口中心標(biāo)高為396.2 m，隧洞出口中心標(biāo)高為388.6 m，長380 m，坡度為0.02。其排水系統(tǒng)見圖1。計算得出拱板頂標(biāo)高為400 m時庫水位與泄流量關(guān)系曲線，泄流曲線為內(nèi)包線，即a-b-c段，見圖2。

圖1 排水系統(tǒng)示意(單位:m)

圖2 拱板頂標(biāo)高為400 m時庫水位

圖2中，當(dāng)水位較低時，為自由泄流；水位升高后，轉(zhuǎn)變?yōu)榭卓谛沽鳌?/p>

2 常規(guī)計算方法分析

礦山尾礦庫常用的框架式排水井一般參考《冶金礦山尾礦設(shè)施通用圖集—尾礦框架式排水井》。該種排水井的井座和井架為現(xiàn)澆而成，拱板采用預(yù)制，后期隨著尾礦庫內(nèi)尾砂面的升高不斷安放拱板?？筛鶕?jù)需要選擇不同圈梁外徑的排水井，常用的排水井圈梁外徑有2.5，3，3.5和4.5 m，相配套的涵管內(nèi)徑為1.2，1.5，2.0和3.0 m。圖1中框架式排水井井筒與井座的內(nèi)徑相同，水位淹沒井口時有過水?dāng)嗝媸湛s(由庫面變?yōu)榫矓嗝?，出現(xiàn)孔口泄流。

常用的框架式排水井在服務(wù)期滿后，要在井座上安放蓋板封井，故井座內(nèi)徑要小于井筒內(nèi)徑，一般小于1 m。當(dāng)水流從井筒段進(jìn)入井座段時，除了有自由泄流和孔口泄流(井筒)，還有一個斷面的收縮(由井筒斷面變?yōu)榫鶖嗝?，此種工況也為孔口泄流。為區(qū)分2種孔口泄流，將其分別命名為井筒孔口泄流和井座孔口泄流。井座孔口泄流計算過程參照井筒孔口泄流計算,其計算公式為

(7)

式中，φz為此時井座口淹沒系數(shù)；ωz為井座入口水流收縮斷面面積，m2；Hz為井座入口泄流水頭，m。

因此，對于通常使用的排水井，由于其與示例中形式的不同，進(jìn)行其泄流能力計算時，不能籠統(tǒng)地參照《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中的計算方法，應(yīng)增加一條井座孔口泄流的曲線，對原計算公式進(jìn)行完善后再使用。

3 完善方法后比較

3.1 不同工況計算結(jié)果

排水井圈梁外徑為3.0 m，排水井框架為6根0.35 m×0.4 m的“凸”字形井柱；井柱上每隔3 m設(shè)一道圈梁，圈梁寬0.2 m，厚0.35 m；拱板為中心角60°的弧形，每塊高0.3 m，厚0.1 m；圈梁外徑(拱板內(nèi)徑)為3 m；井座內(nèi)徑為2 m。井座頂標(biāo)高為100 m，井座進(jìn)口中心標(biāo)高為98.25 m。配套的涵管取內(nèi)徑1.5 m的整體式圓管和1.5 m×1.5 m(B×H)的圓拱直墻管，涵管入口斷面取內(nèi)徑1.5 m的圓形、由內(nèi)徑1.5 m的圓形漸變成內(nèi)徑2.0 m的圓形和斷面為1.5 m×1.5 m(B×H)的圓拱直墻形3種形式，見圖3～圖5?，F(xiàn)就不同的初始進(jìn)水口標(biāo)高、所接涵管坡度、涵管斷面和涵管入口斷面面積，組合不同的計算工況，通過完善后的公式分別計算，并對應(yīng)繪制泄流曲線的圖形，見表1、圖6。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)框架式排水井三視圖(單位:mm)

圖4 排水井涵管入口為漸變段的框架式排水井三視圖(單位:mm)

圖5 排水井涵管入口為圓拱直墻式的框架式排水井三視圖(單位:mm)

表1 排水系統(tǒng)工況計算結(jié)果

注：工況1～工況6排水井所接涵管為內(nèi)徑1.5 m的整體式圓管，工況7～工況8排水井所接涵管為1.5 m×1.5 m(B×H)的圓拱直墻管。其中工況6的涵管入口斷面采用橢圓漸變段，由涵管斷面漸變成與井座內(nèi)徑相同，其他工況的排水井涵管入口斷面與所接涵管斷面相同。

3.2 計算結(jié)果分析

(1)由工況1～工況8可知,井-管(洞)式排水系統(tǒng)的泄流能力在初期受自由泄流控制。隨著水位的升高，根據(jù)各控制參數(shù)的不同，泄流能力受其他泄流狀態(tài)控制。

(2)由工況1～工況3、工況7和工況8可知，井座孔口泄流受井座頂水頭影響，水頭越大，其曲線越向右移。在排水井使用初期，井座頂水頭較小，泄流能力受井座孔口泄流控制，增加這條曲線后，其泄流能力有一定的減小。

(3)由工況2和工況4、工況3和工況5可知，壓力流曲線受涵管的坡度影響，坡度越大，其曲線越向右移。當(dāng)井座頂水頭較大時，其泄流能力一般受壓力流控制。

(4)由工況5和工況6可知，半壓力流受排水井涵管入口斷面影響，入口斷面面積增大，收縮系數(shù)和收縮斷面面積都會增大，從而引起半壓力流泄流曲線向右移動。

(5)由工況5和工況7可知，半壓力流、壓力流都受涵管斷面面積的影響，涵管斷面面積增大，半壓力流和壓力流泄流曲線都向右移動。在圖1中，排水井所接隧洞的斷面面積( 7 m2)遠(yuǎn)大于配套涵管的斷面面積(1.767 m2)，半壓力流和壓力流泄流曲線都向右移動，此時泄流曲線由井筒孔口泄流控制。

圖6 不同工況下的排洪系統(tǒng)泄流能力曲線

4 結(jié) 論

(1)目前尾礦庫井-管(洞)式排水系統(tǒng)泄流能力計算大多按照《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中的公式和示例計算，而常用的排水井與示例中有不同之處，其計算公式也需完善后使用，計算其泄流曲線時，應(yīng)增加井座孔口泄流工況的計算曲線。特別是在尾礦庫使用初期，排水井剛投入使用，井座上拱板安裝層數(shù)較少，此時井座之上的水頭較小，井座孔口泄流曲線對排洪系統(tǒng)的泄流能力有一定減小作用。而在尾礦庫使用初期，其調(diào)洪庫容也一般是最小的，如將泄流能力計算得偏大，會使得尾礦庫防洪存在一定的安全隱患。

(2)對于排水井-隧洞式的排洪系統(tǒng)，由于施工方便等原因，一般隧洞的斷面較大，而坡度較小，泄流曲線大多受壓力流控制，可以通過增加隧洞的坡度來增大排洪系統(tǒng)的泄流能力。

(3)對于排水井-涵管式的排洪系統(tǒng)布置，一般涵管的斷面較小，而坡度較大，泄流曲線大多受半壓力流控制,可以通過調(diào)整排水井井座涵管入口形式或增大涵管斷面的方法來增大排洪系統(tǒng)的泄流能力。其中調(diào)整排水井井座涵管入口形式的方法非常經(jīng)濟(jì)，通過局部優(yōu)化，就可使排水系統(tǒng)泄流能力顯著提高，此方法值得在排水系統(tǒng)設(shè)計中推廣應(yīng)用。

[1] 吳國高，劉曉峰，盧建京，等.尾礦庫排水系統(tǒng)兩種水力計算方法的比較[J].有色冶金設(shè)計與研究，2011(4)：6-8.

[2] 尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[3] 王世夏.高尾礦壩塔式進(jìn)口豎井排洪道的泄流能力[J].金屬礦山，1994(5)：36-39.

[4] 吳持恭.水力學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.

[5] 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計手冊：第六卷[M].北京：水利出版社，1987.

[6] 武漢大學(xué)水利電力學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)教研室.水力計算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

2014-10-16)

陳 歡(1986—)，男，工程師，264670 山東省煙臺市高新區(qū)學(xué)府西路18號。