淺談某尾礦庫排洪能力的復(fù)核計算

郭中岳(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京100038)

1 前言

某尾礦庫所屬企業(yè)(以下簡稱“企業(yè)”)位于河北省秦皇島市青龍滿族自治縣,距離青龍縣城30 km。企業(yè)選礦廠原礦處理規(guī)模為5 萬t/a,礦石類型主要為磁鐵石英巖,選礦工藝為磨礦磁選工藝,企業(yè)目前處于停產(chǎn)狀態(tài)中。尾礦庫位于企業(yè)選礦廠附近的石門溝內(nèi),因設(shè)計年代較早,采用的防洪標(biāo)準(zhǔn)已不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,為了確保尾礦庫能安全度過汛期,需要對其進(jìn)行排洪能力復(fù)核。本文運用水量平衡法對尾礦庫進(jìn)行排洪能力復(fù)核,驗證其現(xiàn)在的排洪能力是否滿足規(guī)范要求。

2 尾礦庫區(qū)域自然氣象和現(xiàn)狀

2.1 區(qū)域自然氣象

尾礦庫所屬區(qū)域?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶陨降貧夂?四季分明,夏季多東南風(fēng),炎熱多雨;冬季多西北風(fēng),干燥寒冷。本區(qū)極端最高氣溫為39.0℃,極端最低氣溫為- 24.5℃,夏季最熱月平均氣溫為29.9℃、平均相對濕度為80%,冬季最冷月平均氣溫為-13.0℃、平均相對濕度為51%。每年雨季在5—10 月,降雨多集中在六月、七月、八月和九月,日最大降雨量為365.4 mm,1 h 最大降雨量為59.8 mm,多年平均暴雨量為115 mm/d。無霜期約175 天。冬季最大積雪厚度為35 cm,最大凍結(jié)深度約1 m。本區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng),夏季為東南風(fēng),最大風(fēng)速為16.7 m/s。

2.2 尾礦庫現(xiàn)狀

尾礦庫位于南北走向溝谷內(nèi),庫區(qū)回水面積為0.152 km2。尾礦庫壩頂標(biāo)高為298.0 m,壩高為29.0 m,總庫容約為12.18 萬m3,按相關(guān)規(guī)范,尾礦庫現(xiàn)狀為五等庫[1]。尾礦庫平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 尾礦庫平面結(jié)構(gòu)

(1)初期壩為透水堆石壩,壩頂標(biāo)高為285.0 m,下游壩腳標(biāo)高為268.0 m,壩高為17.0 m,頂寬約8.0 m,下游坡坡比約為1∶2.0。

(2)堆積壩采取上游式筑壩法,采用人工配合裝載機分級筑壩,尾礦庫有5 級子壩,各級堆積子壩高度不同,下游坡坡度不完全一致,堆積壩頂平均標(biāo)高為298.0 m,灘頂標(biāo)高為297.0 m,總壩高為12 m,整體外坡比為1∶3.0。目前尾礦庫處于停產(chǎn)狀態(tài),汛期不進(jìn)行放礦,不堆筑子壩。庫內(nèi)水面標(biāo)高為294.5 m,干灘長度約160.0 m,沉積灘平均坡度約1.8%。

(3)尾礦庫排水系統(tǒng)采用排水斜槽-排水管涵方式,排水管涵沿主溝布設(shè),通過轉(zhuǎn)流井與東、西側(cè)支溝排水斜槽連接。排水管涵為城門洞型,底寬為0.9 m,高為1.65 m;東、西側(cè)支溝斜槽均為矩形,底寬分別為0.9 m、0.8 m,高分別為1.2 m、1.0 m 支溝斜槽與主溝斜槽采用轉(zhuǎn)流井連接,轉(zhuǎn)流井直徑為2.0 m。排水系統(tǒng)均采用C20 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 洪水計算

尾礦庫現(xiàn)狀為五等庫,按相關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定,其防洪標(biāo)準(zhǔn)按100 年一遇[2]。洪水計算依據(jù)當(dāng)?shù)厮氖謨蕴峁┑挠嬎惴椒ㄟM(jìn)行[3]。

(1)通過下述公式計算設(shè)計頻率最大24 h 降水量為

式中:H24P——設(shè)計頻率最大24 h 降水量,mm;

——多年平均24 h 降水量,mm;

KP——模比系數(shù)。

查《秦皇島市水文手冊》(1999 年2 月)得到。由24 h 暴雨變差系數(shù)CV和CS/CV=3.5,查皮爾遜Ⅲ型曲線表得到Kp。

(2)通過單因子公式計算設(shè)計洪峰流量為

式中:Qm,p——某一頻率的設(shè)計洪峰流量,m3·s-1;

Cp——某一頻率的洪峰模系數(shù);

F——設(shè)計流域面積,km2。

(3)通過以下公式求得設(shè)計洪水總量

式中:W——設(shè)計洪水總量,萬m3;

R——洪水徑流深,mm;

F——設(shè)計流域面積,km2。

依據(jù)某一頻率的年最大24 h 降雨量H24P在《秦皇島市水文手冊》(1999 年2 月)查本市各分區(qū)的降雨徑流關(guān)系表,可直接得到洪水徑流深R。

(4)洪水過程線的形狀概化為三角形,利用如下經(jīng)驗公式計算漲水歷時為

式中:Tg——漲水歷時,h;

F——流域面積,km2;

J——河道比降,‰;

W——洪水總量,萬m3;

Qm,p——洪峰流量,m3·s-1。

洪水總歷時T為

計算數(shù)據(jù)及參數(shù)見表1,利用上述公式計算得到設(shè)計頻率24 h 最大暴雨量、洪峰流量Q24P、洪水總量W24P、漲水歷時Tg及洪水總歷時T的結(jié)果見表2。

表1 洪水計算參數(shù)表

表2 百年一遇洪水計算結(jié)果表

4 調(diào)洪演算

4.1 調(diào)洪庫容計算

尾礦庫等別為五等,按《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)的規(guī)定,最小干灘長度為40 m,最小安全超高為0.4 m?，F(xiàn)狀沉積灘平均坡度約1.8%,干灘長度約160.0 m,正常水位按現(xiàn)狀庫水位計算,允許最高洪水位按最小干灘長度對應(yīng)的庫水位標(biāo)高計算,在1∶2 000 地形圖上計算調(diào)洪庫容,結(jié)果見表3。

表3 調(diào)洪庫容表

4.2 排水系統(tǒng)泄流能力計算

排水系統(tǒng)采用排水斜槽-排水管涵型式,東、西支溝均能排水,東、西側(cè)支溝斜槽均為矩形。支溝斜槽與主溝排水管涵采用轉(zhuǎn)流井連接,主溝溝底斜槽為城門洞型,底寬為0.9 m,高為1.65 m,坡度約5%。當(dāng)斜槽上水頭較低時,為自由泄流,由水位以下的斜槽側(cè)壁和斜槽蓋板上緣泄流;當(dāng)水位升高斜槽入口被淹沒時,泄流量受斜槽斷面控制,成為半壓力流;當(dāng)水位繼續(xù)升高,排水斜槽呈滿流時,即為壓力流。不同水位時的斜槽-管式排水系統(tǒng)泄流能力計算方法參考尾礦設(shè)計手冊推薦的方法[4]。

1)自由泄流

當(dāng)水位未超過蓋板上沿最高點時

當(dāng)水位超過蓋板上沿最高點時

2)半壓力流

3)壓力流

式中:Q、Qa、Qb、Q1、Q2——泄流量,m3/s;

Hs——自由泄流水頭,自斜槽側(cè)壁過水部分的最低點起算,m;

Ht——自由泄流水頭,自蓋板上緣最高點起算,m;

Hb——半壓力流泄流水頭,為庫水位與斜槽進(jìn)口斷面中心的標(biāo)高差,m;

Hy——壓力流泄流水頭,為庫水位與排水管下游出口斷面中心的標(biāo)高差,當(dāng)下游淹沒時,為庫水位與下游水位的標(biāo)高差,m;

g——重力加速度,取9.80 m/s2

b——梯形堰的底寬,m;

h——平蓋板的厚度或拱形蓋板的外緣拱高,m;

b1——斜槽的凈空寬度,m;

β——斜槽的傾角;

i——斜槽的坡度;

m1——堰流量系數(shù);

m2——孔口流量系數(shù),平蓋板取0.52,拱形蓋板取0.55;

σn——淹沒系數(shù);

φ——壓力流流速系數(shù);

ωx——斜槽斷面面積,m2;

ωc——排水管出口斷面面積,m2;

ξ1——排水斜槽末端局部水頭損失系數(shù);

ξ2——排水管入口局部水頭損失系數(shù);

ξ3——排水管斷面變化的局部水頭損失系數(shù);

ξ4——排水管轉(zhuǎn)角局部水頭損失系數(shù);

Rx、Rg——斜槽、排水管的水力半徑,m;

Cx、Cg——斜槽、排水管的謝才系數(shù);

l、L——斜槽、排水管的長度,m;

ωg——排水管斷面面積,m2。

經(jīng)計算,在調(diào)洪幅度范圍內(nèi),斜槽的泄流能力見表4。

表4 排水系統(tǒng)泄流能力計算表

4.3 調(diào)洪演算

根據(jù)來水過程線和排水構(gòu)筑物的泄水量與尾礦庫的蓄水量關(guān)系曲線,通過水量平衡計算求出泄洪過程線,從而定出泄流量和調(diào)洪庫容。尾礦庫內(nèi)任意時段Δt的水量平衡方程式為

式中:QS、Qz——時段始、終尾礦庫的來洪流量,m3/s;

Δt——始、終時段時長,s;

qs、qz——時段始、終尾礦庫的泄洪流量,m3/s;

Vs、Vz——時段始、終尾礦庫的蓄洪量,m3。

根據(jù)設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn),按百年一遇洪水計算。取Δt=0.01h=36s,調(diào)洪演算輔助曲線計算見表5,調(diào)洪演算見表6。

表5 調(diào)洪演算輔助曲線計算表

表6 調(diào)洪演算表

4.4 調(diào)洪驗算結(jié)果

經(jīng)計算,現(xiàn)狀尾礦庫調(diào)洪演算結(jié)果見表7。

表7 調(diào)洪演算結(jié)果表

5 結(jié)論

通過對尾礦庫進(jìn)行排洪能力復(fù)核計算,在現(xiàn)狀灘頂標(biāo)高297.0 m,遭遇百年一遇洪水時,最高洪水位為295.55 m,對應(yīng)安全超高為1.45 m,干灘長度為80.56 m,排水斜槽在2.14 h 后,能將入庫洪水排泄出庫。尾礦庫排洪能力滿足規(guī)范要求。