尾矿库排洪系统水力计算研究

尾矿库排洪系统水力计算研究 文章编号,1003-2843(2007)03-0613-05 尾矿库排洪系统水力计算研究 李斌华, 刁明军, 杨海波 (四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 成都 610065) 摘 要,尾矿库的排洪系统具有进水口多,水流流态复杂等特点,其水流形态与常见的水利工程泄水建筑物过流有较 大的差别. 本文采用传统的水力学方法对某工程尾矿库的排洪系统的泄洪能力进行计算,确定尾矿库的水位与下泄流量 关系曲线,然后根据水量平衡方程进行调洪演算,确定排洪系统所需的调洪库容和调洪水位,从而为尾矿排洪系统设 计提供可靠的依据. 关键词,尾矿; 竖井; 排洪系统; 泄洪能力; 水力计算 中图分类号: TV873 文献标识码: A 选矿厂选别矿石后产生的大量脉石“废渣”(尾矿)和火电厂燃煤后产生大量的粉煤灰,通常以矿浆及灰水 状态排出到尾矿库或者灰场,通过排水系统将水排走,矿渣或煤灰则沉积在库内贮存. 尾矿排洪系统通常由进 水建筑物和排水建筑物组成. 进水构筑物有排水竖井和排水斜槽等之分. 排水竖井有井圈叠装式(叠圈式)、窗口 式、框架挡板式和砌块式等,排水构筑物有排水管、隧洞、溢洪道等形式. 尾矿排洪系统的既要满足平常 [1]排矿浆或灰水的要求,也要考虑渲泄库内所集洪水的情况. 尾矿排洪系统的工作方式1 尾矿库的排洪系统与一般水库排洪系统有所不同,尾矿库的排洪系统不仅要安全及时地排出库区的澄清水 和洪水,而且要确保不让矿砂从排洪系统排出 (俗称“跑浑”、“跑黑”),即排水不排砂. 进水建筑物最大的特 点是随着尾矿坝堆积的不断升高,向库后延长及抬升,不断调整进水口高程或进水平面位置,保证库内的澄清距离,不让矿砂从排洪系统排出. 当尾矿库使用至中、后期,进水建筑物的大部分被尾矿砂掩埋,上覆堆积尾 矿砂少则几十米,多则上百米. 尾矿堆积坝这种独特的筑坝方式决定了尾矿库的排洪系统对于尾矿库的安全性 具有十分重要的作用,一旦排洪系统出现故障或洪水排泄不顺畅,对尾矿库造成的危害非常大,甚至会产生灾 [2][4] 难性的后果. 主要表现为,漫坝溃坝,坝坡滑坡失稳,泄露矿砂等. 尾矿排洪系统的泄流能力计算2 本文主要对井管式排水系统进行讨论,且排水竖井为框架式竖井. 由于卧管内水流流态复杂,对于管内是 否为自由泄流、半压力出流、压力出流很难准确判定,因此分别计算三种流态下的泄流能力,选取计算结果中 的小流量作为该水位的泄洪流量,这样对工程设计是偏于安全的. 排洪系统在三种流态下的泄洪能力计算公式 各不相同,各阶段分别如下, 2.1 自由泄流 当库水位相对较低,排水竖井进水水位低于最低工作窗口的下缘,此时竖井为多孔堰流入流,此阶段的计 算公式如下, [1] a、框架式排水竖井自由泄流未淹没圈梁时泄流能力计算公式 1.5 Q=nmε, cc2g H y b c 收稿日期,2007-03-06 式中,n、m、ε、b、H分别为同一个横断面面上的排水孔个数、堰流量系数、侧向收缩系数、一个ccy 排 的宽度(m)、堰上泄流水头(m). [1] b、框架式排水竖井自由泄流淹没圈梁时泄流能力计算公式 1.5 Q=1.8nεb+2.7n ω dcc c c H ,H ? i 0 2式中,H、ω、H分别为最上层未淹没工作窗口的泄流水头(m)、一个窗口的面积(m)、第 i 层全淹没工作 0ci 的泄流计算水头(m). 2.2 半压力流 当水头增大,井内被水充满,但排水管内未呈现管流,泄洪量受竖井的入口控制,此时为半压力流阶 称明满流交替阶段),此阶段的计算公式如下, [1] c、框架式排水竖井半压力流泄流能力计算公式 Q=ψF 2gH s FFF1 Fx s s s 其中,ψ=f= , f= , f= , f= F、H 分 ; 1247; sωω ω ω l l 2 2 2 2 jj1 + f + ζ + ζ f+ ζ f+ ζ f λ j 2 2 3 1 4 1 5 7d 2排水管入口水流收缩断面面积(m)、计算水头(m)、d分别为井沿程水头损失系数、井内径、局,λ、ζj 22部 损失系数,F、ω、ω、ω分别为排水关下游出口断面面积(m)、井中水深范围内的窗口总面积(m)、排 xjl 22井筒横断面面积(m)、框架立柱和圈粱之间的过水净空总面积(m). 2.3 压力流 当水头继续增大,排水管呈满管流,即压力流,泄洪量受卧管控制,此阶段的泄洪能力计算公式如下 [1]d、框架排水竖井压力流泄流能力计算公式 2gHz Q=μ Fx FFF1 x x x 其中, μ;f= ,f= ,f= 358ω ωF=L jl g2 2 2 2 2 21 + λf ζf ζ f ζ f ζ f ζ f+ + + + + ? 3 2 9 3 3 4 55 8? g 3 D 式中,H、λ、L 分别为计算水头(m)、排水管沿程损失系数、排管计算长zg 度. 调洪演算3 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. 调洪演算依据水量平衡方程计算 1 1 , (Q+ Q)?t ? (Q + Q)?t = V? V F FP P RP R2 2 33其中,Q、Q——时段初、末的洪水流量,m/s,Q、Q——卧管时段初、末的泄洪流量,m/s,V、 FFPPR 3 —时段初、末水库蓄水量,m,Δt——时间间隔,s. 工程应用4 本文以某火电厂灰场排洪系统为例进行计算与研究. 整个灰场洪水流量及总量均很大,排洪竖井深, 及排洪卧管管线长,卧管内流态变化大,流速大,消能难度大. 该灰场的灰坝及排洪系统按 2%洪水频率 0.5%洪水频率校核. 615第 3期 李斌华 等,尾矿库 排洪系统水 力计算研究__________________ 4.1 基本资料 排洪系统为井管式排洪系统(见图 1).竖井结构图见图 2,1) 图 1 灰场的排洪系统 图 2 框架式竖井的结构图 初步设计对该灰场进 行分期使用 (主要为初期 坝时期(坝顶标高 282.00m),一级子 坝时期(坝顶标高2) 287.00m),二级子坝时期(坝顶标高 292.00m)), 3) 安全超高,参考《火力发电厂水工设计 DL/T 5339—2006》,取设计工况坝顶安全超高 0.70m,校核 [5]工况安全超高 0.50m, 4) 区间库容特征曲线, 5) 灰场的洪水过程线. 4.2 设计计算 设计方案的排洪卧管管径 D=3.0m,框架式竖井的内径 D=9.0m. 1) 排水竖井泄洪能力计算 由于灰场的三个阶段的初始调洪库容都很大,灰场能够安全运行,初步估计灰场 每阶段需要 2.0m 的调节水 深,因此,在此只对标高 280.00m~282.00m、标高 285.00m~287.00m、标高 290.00m~292.00m 进行泻洪能力计 算(泄洪流量关系见图 3~图 5),然后进行调洪演算. 图 3 初期坝时期 Q~H 曲线 图 4 一级子坝时期 Q~H 曲线 图 5 二级子坝时期 Q~H 曲线 从图 3~图 5 可看出各使用时期,排洪卧管主要为自由流和压力流,各泄洪曲线为图中 aod 曲线,压力流过 渡水位分别为 281.20m、286.80m、291.20m. 在限制堆灰标高逐渐上升(放水口位置上移),卧管压力出流时,流 量变得更大,排洪卧管内压力流现象出现得更晚. 2) 调洪计算 表 1 原方案 灰场调洪计算结果 33需要调洪库容 V(m) 最大泄流量 q(m/s) 使用阶段 洪水频率(%) 最高水位(m) 0.5(校核) 281.423 999486.1 49.42 初期坝(放水口标高 280.00m) 2(设计) 281.187 833803.5 42.83 0.5(校核) 286.504 1222194.8 38.85 一级子坝期坝(放水口标高 285.00m) 2(设计) 286.299 1058134.6 29.34 0.5(校核) 291.206 1117998.2 44.26 二级子坝坝(放水口标高 290.00m) 2(设计) 291.02 945388.9 35.04 考虑灰场坝安全超高要求,三个阶段都能安全运行,但第三阶段灰场剩余调洪库容过大,为了更合理 经济的利用灰场,现将二级子坝限制堆灰标高调整为 290.20m. 根据前面进行的泄洪能力、调洪演算计算 重新计算二级子坝运行阶段情况,分析排洪系统的安全性. 计算结果见表 2. 表 2 限制堆灰标高为 290.20m 时，灰场调洪计算结果 33需要调洪库容 V(m) 最大泄流量 q(m/s) 使用阶段 洪水频率(%) 最高水位(m) 初期坝(放水口标高 0.5(校核) 291.328 1045705.9 55.42 2(设计) 290.20m) 291.215 940968.2 37.14 从计算结果可看出,灰场剩余调洪库容大大减小,灰场能安全运行,且增大了灰场的堆灰能力,因此 级子坝限制堆灰标高定为 290.20m 是合适的. 为了更好地优化排洪系统的布置方案,达到更高经济指标和更安全的运行库区和排洪系统,本次数值 提出了另外两套排洪系统方案(即修改方案一和修改方案二). 相对于排洪系统内卧管建筑物工程量,灰场 井、斜槽等进水建筑物的工程量非常小的,因此,两套比较方案主要从改变卧管管径尺寸来论证最终采用 的安全性和经济性. 4.3 比较方案一计算 比较方案一排洪卧管管径调整为 D=3.5m,框架式竖井的内径仍然为 D=9.0m. 根据原方案的计算过程,对修改方案一进行泄洪能力计算,然后进行调洪演算,计算结果见表 3. 表 3 比较方案一 灰场调洪计算结果 33需要调洪库容 V(m) 最大泄流量 q(m/s) 使用阶段 洪水频率(%) 最高水位(m) 初期坝(放水口标高 0.5(校核 281.347 945953.7 60.44 2(设计) 281.187 833803.5 42.83 280.00m) 一级子坝期 0.5(校核) 286.504 1222194.8 38.85 坝(放水口 标高 2(设计) 286.299 978533.45 29.34 285.00m) 初期坝(放水 0.5(校核) 291.357 1072602.8 49.15 口标高 2(设计) 291.216 942247.2 36.58 290.20m) 4.4 比较方案二计算 比较方案二将排洪卧管的管径调整为 D=2.8m,框架式竖井的内径仍然为 D=9.0m. . 根据原方案的计算过程,对修改方案一进行泄洪能力计算,然后进行调洪演算,计算结果见表 4. 表 4 比较方案二 灰场调洪计算结果 33 需要调洪库容 V(m) 最大泄流量 q(m/s) 使用阶段 洪水频率(%) 最高水位(m) 281.491 1047002.6 42.75 初期坝(放水口标高 0.5(校核) 281.264 888007.2 42.59 2(设计)280.00m) 一级子坝期坝 286.504 1222194.8 38.85 0.5(校核)(放水口标 高 285.00m) 286.299 978533.5 29.34 2(设计)初期坝(放水口标高 291.357 1125421.9 49.15 0.5(校核)290.20m) 291.216 945388.9 36.58 2(设计) 617第 3期 李斌华 等,尾矿库 排洪系统水 力计算研究__________________ 通过计算结果比较,比较方案二系统的泄流能力和库区调洪都能满足要求,且工程量较另外两个布置方案 小,可以节约投资,因此本数值计算将修改方案二作为推荐方案. 建议将灰场初期坝、一级子坝和二级子坝对 应的限制堆灰标高确定为 280.00m、285.00m 和 290.20m. 比较方案二在渲泄设计频率洪水时,分区调洪初期坝、一级子坝、二级子坝时,坝前水位分别为 281.264m、 33 3286.299m 和 291.216m,需要的调节库容对应为 88.80×104m、105.81×104 m及 94.54×104 m,在渲泄校核频率 洪水时,分区调洪初期坝、一级子坝、二级子坝时,坝前水位分别为 281.491m、286.504m 和 291.357m,需要 33 3的调节库容对应为 104.70×104 m、122.22×104m及 112.54×104 m. 修改方案的泄流能力和对应的调节库容略有富余,但鉴于排洪系统的水流流态相对复杂,水力学计算与排 洪系统的实际泄流存在一定误差,因此,有必要在设计是将排洪系统的过流能力留有一定富余. 结论5 1) 在进行尾矿排洪系统工程设计时,首先应根据相关的规范,结合工程的实际情况,进行尾矿排洪系统的 水力计算,拟订经济合理、体形良好、流态良好并能满足综合利用要求的排洪系统, 2) 排洪卧管水流为明流,排洪系统的泄流能力主要由竖井控制,当来流较大,卧管水流呈有压流状态,排 洪系统的泄流能力主要由卧管控制, 3) 当排洪系统泄洪能力过剩时, 如需进行方案优化,应主要从调整卧管尺寸来考虑, 竖井的优化对工程量 的影响不大, 4) 由于排洪系统水流流态复杂, 水力学计算与排洪系统的实际泄流存在一定误差, 因此, 有必要在设计时 将排洪系统的过流能力留有一定富余. 参考文献: [1] 《尾矿设施设计参考资料》编写组, 尾矿设施设计参考资料[M]. 冶金工业出版社, 1980: 319-340. 沈楼燕. 关于尾矿库排洪系统设计中的问探讨[J]. 有色全属(矿山部分), 2003(5): 39-40. [2] 时炜. 浅议尾矿库排洪系统设计[J]. 有色矿山, 2002(10): 43-45. [3] 宋毅. 尾矿库排洪系统中泄流能力和溢流流态的分析探讨[J]. 大连水产学院学报, 1989(6): 52-58. [4] DL/T5339-2006. 火力发电厂水工设计规范, 中华人民共和国电力行业[S]. [5] Hydraulic calculation of drainage system of tailing ponds LI Bin-hua, DIAO Ming-jun, YANG Hai-bo ( State Key Laboratory of Hydraulics & Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P. R. C. ) Abstract:Tailing pond drainage system has characteristics of many infalls,complicated current form which has greater difference from the familiar water conservancy discharge constructions ,and so on. The text adopts traditional hydraulics method to calculate the flood discharge capacity of certain tailing pond drainage system, fix on the relationship curve between the water level of the tailing pond and the discharge, then process reservoir flood routing according to the water-balance equation, at last choose the appropriate flood regulating capacity and level which drainage system needs. All the above provide dependable basis for the design of tailing pond drainage system.. Key words: tailing pond; shaft well; drainage system; discharge capacity; hydraulic calculation