某尾矿库排水系统的安全评价

李宗伟，陆宗健，高宏远，韩 雪

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012； 2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春 130012；3.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

0 引言

尾矿库作为矿山生产的重要组成部分，一般由初期坝、堆积坝、排水系统等组成[1]。据相关调查发现，大多数尾矿库事故是由于排水系统出现问题造成的，所占比例约达60%[2]。所以，尾矿库排水系统能否正常运行，关系到尾矿库的安全，需要引起重视。

1 泄流能力计算原理

该尾矿库泄流能力的计算依据《尾矿设施设计参考资料》[3]提供的经验公式。

1.1 自由泄流

1)水位未淹没框架圈梁时

(1)

2)水位淹没框架圈梁时

(2)

式中：na为同一横断面上排水口的个数；m为堰流量系数；ε为侧收缩系数；ba为一个排水口的宽度(m)；Hy为溢流堰泄流水头(m)；ωc为一个排水窗口的面(m2)；Hi为第i层全淹没工作窗口的泄流计算水头(m)；H0为最上层未淹没工作窗口的泄流水头(m)。

1.2 水位淹没井口的孔口泄流

(3)

式中：φ为此时井口淹没系数；ωs为井筒水流收缩断面面积(m2)；Hj为井口泄流水头(m)。

1.3 半压力流

(4)

式中：φ为此时排水管进口淹没系数；Fs为排水管入口水流收缩面积(m2)；H为计算水头(m)。

1.4 压力流

(5)

式中：μ为排水管出口断面淹没系数；Fx为排水管下游出口断面面积(m2)；Hz为计算水头(m)。

2 调洪演算

对于一般的调洪演算，可以采用水量平衡计算，尾矿库内任一时段Δt的水量平衡方程式如式(6)：

(6)

式中：Q1、Q2为时段始、终尾矿库的来洪流量，m3/s；q1、q2为时段始、终尾矿库的下泄流量，m3/s；V1、V2为时段始、终尾矿库的蓄洪量，m3。

3 工程实例

3.1 工程概况

某公司拟建的尾矿库，等级为二等，初期坝址处最低高程为495.00 m，主沟谷岭顶最大高程为937.70 m，相对高差442.70 m。初期坝以上主沟谷全长3.70 km，初期坝址以上沟底坡度约为7.4%。新建尾矿库尾矿坝总堆高143.00 m，总库容4 523.29×104m3。尾矿库的排水系统采用5座排水井接5座排水竖井接5座排水隧洞的布置形式，其中排水井为框架式，井径为3.5 m，排水竖井的尺寸为3 m，排水隧洞为圆拱直墙式，尺寸为2.2 m×2.2 m。

3.2 洪水计算

尾矿库各使用期的防洪标准应根据使用期库的等别、库容、坝高、使用年限及对下游可能造成的危害程度等因素确定[4]。根据规范，将该尾矿库分为4期，由提供的尾矿库汇水面积、沟谷长度、平均坡降等资料，采用简化推理公式及《吉林省小水库简易算水账方法》分别计算出各使用期不同洪水标准的洪峰流量及洪水总量，通过两种洪水计算方法综合比较，最终采用简化推理公式法进行洪水计算。成果见表1。

表1 库区洪峰和洪量计算成果

通过概化多峰三角形法推求的防洪标准为0.5%，0.2%，0.1%的洪水过程线，如图1所示。

图1 单位线法计算所得的洪水过程线

3.3 泄流能力理论计算

该尾矿库排水设施设计采用钢筋混凝土结构，布置形式为排水井接排水竖井接排水隧洞。根据规范，对该尾矿库进行分期使用。初期采用200 a一遇的洪水的防洪标准，坝顶标高545 m，坝高43 m，4等库，由1#排水井泄洪；中前期采用500 a一遇的洪水，坝顶标高562 m，3等库，由2#排水井泄洪；中后期和后期采用1 000 a一遇的洪水，坝顶标高分别为602 m、645 m，尾矿库的等别均为2等库，泄洪的进水口为3#和5#排水井[5]。对各期库不同标高下的排水构筑物进行泄流能力计算，计算结果如图2。

(a)标高545 m

3.4 调洪计算

根据尾矿库区地形图所得到的各运行期调洪库容，结合泄流曲线(图2)和洪水过程线所得到调洪演算的成果见表2。

表2 调洪演算成果

从表2可以看出，尾矿库在各运行期的坝顶标高下，汛期最小干滩长度和安全超高均符合规范的要求，且随着坝体的升高最小干滩长度和最小安全超高越大，由此可知，尾矿库排水构筑物的泄洪能力是满足要求的。

3.5 排水系统泄流能力试验

现行的AQ2006—2005《尾矿库安全技术规程》规定[6]，尾矿库排水构筑物的形式及尺寸应根据水力计算及调洪演算确定，但对一、二等尾矿库及特别复杂的排水构筑物，还应通过水工模型试验验证[7]。因此，对该尾矿库的排水设施进行了水力学模型试验，来进一步对它的排水构筑物的安全作出评价。

3.5.1 泄流情况

本次试验，根据SL 155—2012《水工(常规)模型试验规程》[8]进行模型设计，选用正态、整体模型，并用有机玻璃制作排水井及排水洞。试验设置了4种工况，每种工况模拟了尾矿库不同运行期下的泄洪情况(如图3所示)。

从调洪演算(表2)的结果可知，后期运行时，最大下泄流量为17.25 m3/s，结合对试验的流态观察，堰上水头<1 m时，排水系统处于无压状态的结论。可知，排水设施基本处于无压泄流工作，从而能保证排水设施的长期使用[9]。

3.5.2 压力量测

本实验还对排水井的底部、排水支洞的中间部位、排水主洞和排水支洞交接处下游等地方进行了压力测试。结果表明：对于每一组排水设施来说，当处于有压泄流时，排水支洞测压管压力为正值，排水主洞上测压管出现负压，并伴有气泡产生；排水竖井底部压力较大，设计时应予以重视，以防对排水竖井的正常工作产生不利影响。

(a)标高545 m

4 结论

通过对尾矿库排水系统的调洪演算和模型试验的结果分析可知：

1)尾矿库在各运行期的坝高下，汛期最小干滩长度和安全超高能满足规范的要求，并且随着坝高的增加而增大。说明尾矿库各运行期的排水构筑物的泄洪是满足要求的。

2)在尾矿库后期运行中，尾矿库基本处于无压状态下泄流，从而能保证排水设施的长期使用。

3)从压力测试得知，各运行的排水竖井底部压力较大，设计时应对此予以重视，以防对排水竖井的正常工作产生不利影响。