浅议尾矿库排洪系统设计.pdf

2 0 0 2年 1 0月 第 3 1卷第 5期 有色矿 山 N o nf e r r o us M i n e s Oc t ． ． 20 02 Vo 1 ． 31 No． 5 r ；其他l ● ●-1 H 1 _ 1hh ● ●’ _ 浅议 尾矿库排 洪系统设计 时 炜 中 国有色工 程 设计 研 究总院 ，北京 1 0 0 0 3 8 [ 关键词 】防洪标准 ；排水构筑物 ； 水文计算 ； 流态 [ 摘要 】介绍了尾矿库排洪的特点 、 防洪标准、 以及洪水计算中存在的问题， 针对防洪标准的确定、 排水构筑 物型式的选择以及尾矿库排洪设施综合利用等问题提出了一些看法。 [ 中图分 类号 】T V2 2 2 [ 文献 标识 码 】A [ 文章 绾号 】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 2 0 5 0 0 4 3 ． 0 4 Di s c u s s i o n on f l o o d di s c ha r g e s y s t e m d e s i gn of t a i l i ng s po nd SH I W e i C h i n a No n f e r r o u s En g i n e e r i n g a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a Ke y wo r d s fl o o d - c o n t r o l s t a n d a r d；d r a i n a g e s t r u c t u r e ；h y d r o l o g i c c a l c u l a t i o n s ；flo w f o r m Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e d f l oo d d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c o f t a i l i n g s p o n d ，f l oo d - c o n t r o l s t a n d ard a n d p r o b l e ms o f f l oo d c a l c u l a t i n g． I n c o n n e c t i o n wi t h t h e d e t e rm i n a t i o n o f fl o o d c o n t r o l s t a n d a r d ， t h e s e l e c t i o n o f d r a i n a ge s t r uc t u r e f o rm ， a nd m u l t i p ur p o s e u s e of f l oo d d i s c ha r ge f a c i l i t i e s i n t a i l i ng s po nd，s ome v i e ws ar e gi v一 1 引 言 尾矿设 施包括尾矿坝 、 排洪系统 、 尾矿输送系统 及 回水系统四部分 。 其 中尾矿坝 、 尾矿输送 系统和 回 水 系统都是 在 自身正常运行状 态下保证 矿山正常持 续生产的环节。 排 洪 系统一 般情 况下 不参 与正 常生 产， 但都是确保 整个 尾矿库 安 全的重 要保 证 ， 因此， 尾 矿库的洪水计算与排水构筑 物的设计 同样重要。 城镇 、 工厂 、 矿 山都面 临 着雨洪 排 除问题 。 排 洪 工 程控 制的面积增 大 、 战 线长 。 投入 资 金较高 ， 对 整 个工 程项 目的可行 性 、 经 济性 影响 较大 。尤其是 矿 山开发的 日益增多 ， 矿山排洪及尾矿库排洪 ， 工程量 大 ， 建设资金多 。如金 堆城 露天矿 排 洪施工 决算 资 金 为 1 5 0 0万元 ； 会东铅锌矿 老虎 岩尾矿库排洪 系统 [ 收稿 日期 】2 0 0 2 0 8 1 8 [ 作 者简介 】时炜 1 9 7 1 一 。 男 。 陕 西 富平 县 人， 工 程 师 ， 从 事 矿 山水工 尾矿 专 业设 计工 作 。 共建直径 1 0 m 排水井 8座 。 2 ． 6 m3 ． 7 m城 门洞 型 隧洞长 7 0 1 m， 3 ． 0 m3 ． 7 m 隧洞长 4 4 9 m， 工程 直接 投资 1 1 6 0万元 ； 另有一些 尾矿 库的排 洪 系统 ， 如 德 兴铜矿 、 金堆城钼矿 、 峨 口铁 矿 等等 ， 其 投资 几乎 占 尾矿库总投资 的一大 半， 甚至 有些 尾矿 库 因为排 洪 系统方案 问题 而变 更 库址 ， 如 新疆 阿舍 勒铜 矿 的别 斯铁热克尾 矿库库 址就是 因为该库址 排洪系统投资 达 3 0 0 0多万 元， 超 过 整个 矿 山及 选 厂建 设 的九 分 之一， 而 被否决 ， 另在距 选 厂东 南 3 k in 处新选 尾 矿 库 。 由此可见排洪工程设计 的重要 性 。 但是 ， 多年 以来 ， 矿山排洪工程设计并 没有引起 足够的重视 ， 经常 出现一些如 防洪设计标准不一 、 水 文资料不清 、 排水构筑物泄流流 态不好 、 工 程未 综合 利用 等方 面的问题 。 2 尾矿库排洪设计 尾 矿库 排 洪 工 程相 对 于水 电部 门 的排水 构 筑 物 ， 一般具有以下不 同之 处 ① 工程单 一 ， 一般 不便 维普资讯 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1卷 练合 利用 。② 泄 水机 率少 ， 泄洪 时 间短。③ 集流面 积 小， 但 泄流 流 速大 。④ 排 洪 标准 高， 不 易 引起 重 视 。 2 ． 1 防洪标准的确 定 防洪标准直接关 系到 矿区人 民生命财产和生产 安全 ， 同时也反 映 了企业 的经 济能 力。 防洪标准 根 据 防护对象 的不 同分为 两种 ， 一 种 为确保 大坝 等水 工建筑物 自身安全 而采 用的 防洪 标准 ， 另一种 是修 筑 水工 建筑物所要 防护 的对象 免除一定洪水威胁的 防洪标准。两种标准 ， 防护对象 不同， 设计时 不能混 淆选取 。如 水电部 颁发 的 防洪标 准 中， 是 考虑河 流 上游 修建 水工 建筑 物后 ， 下游 防护对 象 的洪水设 防 标准 ， 这个标准往 往是 上 游下泄 量 与 区间洪 水叠 加 后所形成 的防洪标 准， 与 上游水 工 建筑物 运行 的 防 洪标准是两个概念 。 过去采用 的防 洪标准 比较 混乱 ， 标 准 不一 。针 对上述情 况， 国家 制订并 于 1 9 9 5年 出版 G B 5 0 2 0 9 4 国家标准， 统 一 了防洪 标准 并强制 性执 行， 各行 业 、 各部门制 订的标 准不得 与 国家 标准 相抵触 ， 为防 洪 设 计提供 了最基本 的依据 。 但是矿 山企业认为矿 山排洪大多是汇水 面积不 大的小流域 ， 防洪标准不用太高 ， 尤其是在 企业 资金 困难 时， 做 为只有资 金投 入而 无直接 经 济 回报的 排 洪 系统， 无 法 引起 企 业 重 视， 企 业 希 望 降 低 防洪 标 准， 甚至并不实施防洪工 程， 以节约建设 资金。事实 恰恰相反 ， 按照正确的 防洪标准设 防， 不仅 可以减少 事故 隐患 ， 而且可 以确保 矿山企业的正常持续生产 ， 这实际也是一 种 间接经 济效 益产 出。例 如， 白银 有 色金属公 司厂区排洪沟 ， 按百 年一遇洪水设计 ， 千年 一 遇洪水校核 ， 建成 后 1 0多年 未遭 遇大 洪水 ， 但 是 随后 一场 百年大洪水， 排洪沟 内水几乎 冒顶 ， 证明 了 设 计选 用的设 防标准 正确 ， 避 免 了超标 洪 水淹没 厂 区影响生产甚至 停产 所造 成 的公 司经济 损失 ， 人 们 认识到洪水设 防标准正确选择 的重要性 。 因此 ， 设 防标准 的选 择必须慎重考虑 ， 严格执行 国家规范规 定。 2 ． 2 洪水计算 尾 矿库 洪 水 计算 是 要确 定 设 计 洪水 的 洪峰 流 量 、 洪水总量和洪水过 程线， 以供 尾矿库 排洪设计使 用。尾矿库设计 洪水频 率 应根据 尾矿库 的 等别 ， 综 合考虑库容 、 坝高 、 使用年限及对 下游 可能造成的危 害等 因素确 定。 由于矿 山排 洪大多是 汇水 面积 不大 的小流域 ， 暴雨往往是 点暴雨 控制 、 2 4小时设 计 暴雨 控 制、 洪 峰流量控 制。洪峰流量及 洪水 总量数值的大小和精 度， 直接 影响到工 程建设 投资 。 过 去这 一 问题 未得 到应有 的重 视， 认为 各省都 有水文手 册 ， 套 用 几 个 经验 公 式 就 可 以解 决 问题。 实际上， 水文 手册 特别是 省水文手册 ， 有它的代表性 和局域性 ， 对小 流域 汇水面 积 洪水计 算一 般 不能套 用。例如 在 金堆城露天矿排洪水文计算 时， 曾用 了 陕西 省水文 手册与 商洛地 区、 渭南地 区水 文手 册计 算同一区域的水文 参数 ， 发 现 用商 洛地 区水文 手册 计算 洪峰流 量 比用渭 南地 区水文 手册 公 式 大 5 ％， 用省水文 手 册 公式 比用 商洛 地 区水文 手 册 公式 大 5 0 ％， 而用水 科院推 理公式 、 铁路 科学院 、 公 路科学 院小汇 水面积公式计 算 则相 差 不大 ， 但推 理公 式 及 其他小汇水面积公 式 却 比省水 文手册 大一 倍左 右。 经现 场踏 勘与参证 附近 流域 工 程， 证 明水科 院推 理 公式较符 合实际 。 由此 可 见， 应 用 水文 手册 时也 应 具体分 析。特别是 目前 各 省都 在新编 水文 手册 ， 但 部分 省 、 市尚未完成 更新 出版 ， 仍在使 用 7 0年 代 编 制的水文手册 ， 采 用这 些水 文手 册时 更应 慎重 。7 0 年代编制 的手册 ， 一般小流域 收集的点据少， 水 文系 列短， 工 作深度不够 ， 仅对 几十及上百平方公里 以上 汇水面积有代表性 和适 应性 ， 小流 域汇 水面 积 洪水 计算偏差较大 。所 以矿 山水文 水利计 算 ， 应该 是 水 文手册公式 、 小流域汇水面 积公 式、 历史 洪水调 查平 衡取值较合适 。 2 ． 3 排水构筑物结构形式 及流 态 在 尾矿库 的生产 运行 中， 为 了使尾 矿澄清 水及 暴雨洪水 有计划、 安 全地 排出坝外 ， 必须设置排水构 筑物 ， 减少库 内水 量， 降低 坝体 浸润 线， 这对 确保 坝 体和 尾矿库 的安全运行起着决 定性 的作用。 尾矿库 的 防洪能力 依据暴雨 的来 水量 、 排 水构 筑物的泄 流 能 力和 调 洪 库 容 而 定。正 确 的 洪水 计 算 、 有保证的排水 构筑 物泄 流能 力和 一 定的调 洪库 容 ， 是确保尾矿库安 全运行 的必要条件 。 2 ． 3 ． 1 调 洪 演 算 尾矿 库调 洪演算 的 目的是根据 既定的排水 系统 确 定所 需的调洪库容及泄 洪流量。对一定 的来水过 程线 ， 排水构筑物 愈 小， 所需调 洪 库容 就愈 大 ， 坝 也 就 愈高。设计 中应通过确 定各种 标准下的几种不 同 尺寸的排水 系统 的调 洪 演算 结果 ， 合理地 确 定坝 高 及排水构 筑物的尺寸 ， 以便使整个工程造 价最小。 尾 矿库调 洪演算的方法主要有数 解法与图解法 维普资讯 第 5期 时炜 浅议 尾矿库排洪系统设计 4 5 两种 。一般都是根 据来水过程 线和排水构筑物 的泄 流量与尾矿库 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。 也可 以将洪水过 程线 概化 为三 角形 ， 排水 过程 线近 似为直 线， 进行简单 计 算， 由于计算 方 法简单 ， 所需 计算参数少 ， 速度快 ， 所 以 目前 矿山尾矿库 调洪演算 大 多采用这 种方法。其具体计算 公式 如下 g Q 一 V t 式 中 q 所需排 水构筑 物的泄流量， m3 ／ s ； Q 设 计洪水频率 P的洪峰流量， m3 ／ s ； 某坝高 时的调 洪库容， m3 ； 频 率为 P的一次洪水总量， m3 。 2． 3． 2排 水 构 筑 物 尾矿库 排水 系统进 水构筑 物的 布置， 应满 足排 水 系统 在使 用过程 中任何时候均 能澄清 尾矿水的要 求 。排水构筑物 的排 水能 力取 决于 洪水 、 调 洪库 容 和排水 构筑 物 的形 式 及 尺 寸。 常用 的 形式 有排 水 井 、 排 水斜 槽 、 排 水 管 、 隧洞 、 溢 洪 道及 山坡截 洪沟 等 。排水系统形式的选择 ， 应根据排水量大小 、 尾矿 库地形地质条件 、 使 用 要求及 施工 条 件等 多方面 因 素， 经技术经济 比较确 定。 小流量 多采用 排水管 ， 中等流 量的排 水可 采用 排水管或 隧洞， 大 流量 的排 水则宜 采用 隧 洞或溢 洪 道。对于大、 中型工程， 隧洞排洪通常比排水管经济 可靠 ， 如果地形地质条 件允许， 应 优先选 用。隧洞和 排水管 的进 水头部采用排水井 或排水斜 槽。排水井 有 井圈叠装式 、 窗 口式 、 框架挡板式和砌块 式等。前 二者适 用于 小流量的排水 ， 后二者适用于大 、 中流量 的排水 。排 水斜 槽则适用于 中、 小流量 的排水 。 有色金属 矿 山尾矿库排洪 ， 采用排洪 隧洞较 多。 但 以往矿 山排水 构筑 物进 水 口头部 、 隧洞体 形及 水 流流 态未被重 视， 认 为 只要能 泄水就 行 。实际 用水 工模型 实验验证 ， 流态 紊乱 ， 明满 流交 替， 产生 了负 压、 吞气等现象 ， 容易造成水工构筑物结构 的破坏。 排 洪隧洞是 排洪工程的命脉 。在流 态设 计上可 以设计为压力 流， 也可 以设 计 为无 压流。 一般情 况 下， 由于有压洞需要承受很 大的 内水压力， 对 地质条 件及衬砌要求 高， 而采用较 少。而无压洞正好相反 ， 但需要的断面较 大 。采用 压流还 是 无压 流， 应根 据 矿 区水文特征及要 求、 地质条件 、 施工条件分析 比较 后确定。如太钢 峨 口铁 矿 尾矿库 采 用高塔 井 、 隧洞 排洪 系统 ， 设计为压 力流。金堆城西川河排洪隧洞 。 设计为无 压流。 当设 计 为压 力流 时， 隧洞 出 口必须 设置平 压设 施或 闸门控 制 。对 于矿 山而 言 ， 山区洪 水暴涨暴落 ， 排洪 隧洞 长时 间持续 大 流量 泄洪 机会 较少 ， 多为常年小 流量 排水 ， 为管理 方便 ， 一般 采用 无 压流较好 。 当排 洪工 程需借助拦洪坝 在洞 口形成一定水头 排 洪时， 就有一个 排 洪 隧洞头 部的 体形 问题 。本 文 推荐采用 水科院章福仪等 同志 1 9 7 8年研制 的“ 明流 短进 口体形” 。 明流 短进 口的优 点是 口短 、 流量 系数大 、 施工方 便 。典型布置是进 口段 后 紧接 闸 门段 工 作门与 检 修 门， 一般根据要求可设可 不设 。当不布置闸门段 时 ， 可设置压坡段 ， 然后 与 突然 扩大 的主 洞相 接， 一 般进 口段长度 小于一倍 孔 高， 进 口段 的顶 部 曲线 采 用椭 圆曲线 ， 椭圆 的长半 轴 约等于 进 口段未 端 的孔 高 ， 短半轴为长半轴的 0 ． 3到 0 ． 3 3 3 ， 压坡 段与椭 圆 曲线的切线相联 ， 坡度一般 为 1 5 1 4 。高水头 大 排洪隧洞时 ， 坡 度 宜 采 用 1 4 ， 小水 头 小 排 洪 隧 洞 时 ， 宜采用 1 5 。水 流在进 口段 、 压坡 段 为 压 力流 。 其后为 明流 ， 流量公式如下 Q A √ 2 g H1 一 d 1 2 式 中 Q泄流量 ， m3 ／ s ； 流量系数， 一般 0 ． 8 8 --0． 9 0 3 ； H1 以洞底高 程为基准的库水头 ， m； ￡ 水流 出压坡段后 的水流收缩 系数 ； A控制 断面处的断面积 ， m2 ； d 压坡段末端孔高 ， m。 无压洞 断面一般设 计为城 门洞型 。拱顶是 用割 圆拱 ， 还是半 圆拱， 应根 据地质条件 、 受力情况， 施工 力量等综合 比较后 确定 。一般情 况下 ， 为 了减小 无 压洞断面 ， 宜尽量加大隧洞纵坡 。 由于坡度大， 排洪 隧洞 内流速 高 ， 长 洞 中的水 面 曲线 均属 b I I 型降 水 曲线 ， 断面设 计按 明渠均匀流确 定， 即 Q C甜 3 式 中 Q 泄流量 ， m3 ／ s ； C谢 才系数 ； c c J 过水断面面积 ， m2 ； R过水 断面的水力半径， m； 隧洞纵波 。 由式 2 、 3 知 排洪 隧洞断面与拦洪坝高度相 关， 一定的坝 高对应着一定的隧洞 断面和工 程造价。 最经济的工 程 造 价对 应着 最 经济 的 坝 高 和隧 洞 断 维普资讯 4 6 有色矿 山 2 0 0 2年 第 3 1 卷 面 。这就是 “ 经济 隧洞 ” 的方案 比较 工作。 对于高 流速 排洪隧洞 流速大于 7 m／ s ， 进 口还 应设置通气孔 。洞 内有水 流掺 气及 冲击 波 问题， 出 口有 消能问题。所以大型排洪工 程应通过 水工模型 试验验证 ， 以便 随时修正设计 。 2 ． 4 综 合利用 一 般 中小型 水 利工 程， 都 具 有发 电、 灌溉 、 养 鱼 等综合效益 。某 些有 色矿 山排 洪系 统设 有拦 洪坝， 形成的拦洪库有 一定 的调 洪库容 ， 但却 不便 直接 将 调洪库容作为兴 利库 容使 用， 原 因是 山区河 流坡 度 陡， 流速 急， 汇流 时间短 。若 将调 洪库容 蓄水使 用， 汛期 一旦洪水来 临， 来 不及 将调 洪库 容 内的蓄 水排 出， 极有 可能导致洪水漫坝 ， 危及下游安全 。尽管可 以通 过加高坝顶标高使 其增 加一部分库容作为兴利 库 容， 但 由于工程量 加大 ， 是 否可行 ， 需经 过技 术经 济 比较才能确定 。 在某些管理有序 、 水文预报及时 的单位 ， 可 以在 非汛期 利用调 洪库 容蓄 水作为 矿 山的调 节水 源， 也 可 以进行农业 灌 溉、 养鱼 等。例 如云 南省水 利勘 测 设计院给 易门铜 矿三 家 厂排洪 设计 拦洪 库 时， 在 库 内进水 口头部设 置 了 闸门， 规 定 每年十 一 月至 翌年 五月蓄水 ， 五月 以后 闸门全 开 ； 金堆 城钼业 公 司， 在 西川河隧洞 出 口筑低 坝拦 水 引至二选 厂 生产 用水 ， 解决 了近两年 因陕西 省干旱 缺水 的大 问题 ； 黑 龙江 松江铜矿 ， 在采 区排洪洞进 口引水 渠处， 开挖 了一大 鱼塘养鱼 ， 使矿 区职工生活得 以改 善， 这一切都是综 合利用 的事例 。 大部分无拦洪坝 的排水 系统， 除非有特殊要 求， 多将洪水与尾矿澄 清水 合用 一个 排水 系统排 放， 节 省基建投资 。 3结 束语 在城镇 、 工矿 建设 日益发展的形势下， 排洪工程 愈来 愈多， 随着人 们对 环境保 护及 水土 保持 认识 水 平 的不断提 高， 矿 山排 洪工程受到重视， 在进 行有色 金属矿 山排洪工 程设计 时， 应 依据 国家 及各 部委 的 相关规 范规 程， 结合 行业 特 点， 设计 出经 济合理 、 符 合 实际、 流态 良好 、 体形 良好 、 并 尽 可能 综合 利用 的 水工构筑物 ， 满足建设要求 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ] 北 京 有色 冶金 设 计 研 究 总 院 ． 尾 矿设 施设 计 参 考 资 料 [ M] ． 北京 冶金 工业 出版 社 。 1 9 8 0 ． [ 2 ] 左 东 启等 ． 水 工设 计手 册 第 一卷 、 第 六卷 [ M] ． 北 京 水 利 电力 出版社 。 1 9 8 7 ． [ 3 ] 赵辉 ． 尾 矿 工 程 [ M] ． 冶 金工 业 部 长 春 黄 金 设 计 院 ． 】 9 86． 上接 第 3 2页 十分可观 。 5 ． 2 社会效 益 采用此 技术 完全 利用废弃 的矿 石和废 石， 增加 了矿 山资源的利用率 ， 延长 了矿 山的服务年 限。 制 液系统 不需 要 人工操作 运行 ， 布液 与集 液均 在巷道 内自动运行， 与传统采矿方法相 比， 不需要进 行二次 破碎， 处理大块 等危险作业， 安全性提 高。 另外， 生产工艺全 部采用闭路循环 ， 无废 弃物排 放 ， 对环境无危 害。 6 结 语 1 原地溶 浸是 回收难采难选 低品位 矿石 的先 进技术 。在 国 内成 功的应 用 尚属首 次， 具 有显著 的 社 会效 益和经济效益。 2 该项 目取 得 了较 先进 的技术 经济 指 标， 每 吨电铜成本 为 8 3 0 0元 ， 是 常规 采选 冶 成 本 的一 半 左 右 。 3 地 下溶浸技术能够 回收常规采矿 技术不 能 开采和用常规采 矿技 术开 采不 经济 的矿 产资源 ， 从 而大大提高 了矿 产资源 的利用率。该技术在工艺上 采用 闭路循环 ， 可减少矿石 、 废石 、 矿 坑水 、 溶浸剂等 对环境的污染 。 4 生产 中还需进 一步完善 防渗 、 净化浸 出液 、 处理 第三相等 问题 。 l 维普资讯