（水力学及河流动力学专业论文）本钢歪头山尾矿库泄水系统安全稳定分析.pdf

戈莲翌f 天导萄! 学篮营丈摘要 摘要 我因现有国有矿山8 8 4 0 多座，年尾矿排放量达3 亿吨以上，尾矿库约 l5 0 0 座。而且多数尾矿库的地理位置十分重要，选址时很难避丌生态敏感 区或人川密集区。有的位于大江、大湖、重要水源地上游，有的位于重要公 交设施上游，有的在密集的居民区上游。因此，在我国尾矿库的安全性显得 史加重要。本文针对本钢歪头山铁矿小西沟尾矿库加高增容：1 一程，采用水力 模型试验辅以数值分析的方法，分析研究其防洪安全性和排水系统的泄流稳 定性。 通过水力模型试验实测排水系统堰流和管流的流量系数以及版流和管 流的分界水头，采用实测参数进行体凋洪演算，计算结果表明尾矿库防洪安 全性比设汁值更高。通过布设压强传感器实测排水系统的压强，结果表i 刿排 水系统不会发生气蚀。通过排水系统水力模型的消能实验研究，得出经济合 理的消力井深度为1 5 m 。水力模型试验和数值模拟结果均表明排水系统在 泄流时不会发生共振，而且数值模拟结果表刚j 排水系统溢水塔的最大拉应力 和压应力都较小，不会因强度不足而发生破坏。 父键词：尾矿库；排水系统：溢水塔；水力模型试验：数值模拟 戈迁取天 邑氍： 屿篮咎之a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em o r et h a n8 8 4 0m i n e sa n d15 0 0 t a i l i n gr e s e r v o i r si no u rc o u n t r y , a n da n n u a ld i s c h a r g ei sm o r et h a n0 3b i l l i o nt o n s m o r e o v e r , t h eg e o g r a p h i c a l l o c a t i o no fm o s t t a i l i n gr e s e r v o i r s i sv e r yi m p o r t a n t i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt a i l i n g s i t e st oa v o i de c o l o g ys e n s i t i v ea n dp o p u l a t i o nd e n s e n e s sd i s t r i c t s o m et a i l i n g r e s e r v o i r sl o c a t ei nt h eu p s t r e a mo fr i v e r s ，l a k e so ri m p o r t a n tw a t e rs o u r c e s ， s o m ei nt h eu p s t r e a mo f i m p o r t a n tp u b l i cf a c i l i t i e s ，a n ds o m ei nt h eu p s t r e a mo f r e s i d e n t i a la r e a s ot h es a f e t yo ft a i l i n gr e s e r v o i r si sm o r ei m p o r t a n ti no u r c o u n t r y t h r o u l g hh y d r a u l i c m o d e l e x p e r i m e n t a n d c o m p u t e r n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sf l o o dc o n t r o ls a f e t ya n do u t f l o ws t a b i l i t yo f d i s c h a r g es y s t e m o fx i a o x i g o u t a i l i n g r e s e r v o i ro fw a i t o u s h a ni r o nm i n e b e l o n g i n g t ob e n x ii r o nc o m p a n y t h r o u g hh y d r a u l i cm o d e le x p e r i m e n ti t m e a s u r e st h ef l o wc o e f f i c i e n to f w e i ra n dp i p ef l o wa n dt h e i rd i v i d i n gw a t e rh e a d a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e d p a r a m e t e r si tr e g u l a t e st h ed e s i g nf l o o d t h ec o m p u t a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e f l o o dc o n t r o ls a f e t yo ft a i l i n gr e s e r v o i ri s h i g h e rt h a nd e s i g ns t a n d a r d t h e e x p e r i m e n tl a y sp r e s s u r es e n s o r s t om e a s u r et h ep r e s s u r eo f t h e d i s c h a r g es y s t e m ， a n dt h em e a s u r er e s u l t ss h o wt h a tc a v i t a t i o ne r o s i o nw i l ln e v e rh a p p e nd u r i n g o u t f l o w t h er e s u l t so fe n e r g yd i s s i p a t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ee c o n o m i c a n df e a s i b l e d e p t ho fe n e r g yd i s s i l c a t i o n w e l li s1 5m e t e r t h er e s u l t so f h y d r a u l i cm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w t h a ts y m p a t h e t i cv i b r a t i o n d o e s n t h a p p e nd u r i n go u t f l o w , m o r e o v e rt h e m a x i m u mt e n s i o ns t r e s sa n d c o m p r e s s i o ns t r e s si sv e r ys m a l li nd i s c h a r g et o w e r t h ed i s c h a r g et o w e rd o e s n t b e d e s t r o y e do w i n g t oi n t e n s i t ys h o r t a g e k e yw o r d s ：t a i l i n gr e s e r v o i r ；d i s c h a r g es y s t e m ；d i s c h a r g et o w e r ；h y d r a u l i cm o d e l e x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 盎：耋三筌兰些坚芏= 兰竺兰 第一章绪论 尾矿库是用来堆存矿山选矿厂从矿石选出有用矿物后所剩下的矿渣的， 它和水库由很多相似之处，只不过水库是用来蓄水的。但是尾矿坝溃坝破坏 时，其危害程度比水坝溃坝严重得多。尾矿坝溃坝时尾矿往往立即液化，扩 大坝的缺口，沿山谷往下游倾泄，水流夹带尾矿对建筑物的破坏程度更严重， 对环境造成的负面影响也更深远。美国克拉克大学公害评定小组的研究表 明，尾矿库事故的危害，在世界9 3 种事故、公害的隐患中，名列第1 8 位。 它仅次于核爆炸、神经毒气、核幅射等灾害，而比航空失事、火灾等其他 6 0 种灾害严重，直接引起百人以上死亡的尾矿库事故并不罕见【1 1 。 国际大坝委员会在1 9 8 4 年组建了国际大坝委员会矿山和工业尾矿坝分 会，这个分会目前已经独立出来。针对全世界日益增多的尾矿库制定一系列 安全方面的方针，交流各国对尾矿库安全工作的法规资料和技术经验，促进 尾矿库安全技术的发展【1 1 。2 0 0 1 年国际大坝委员会( i c o l d ) 和联合国环境 计划署以尾矿坝：发生危险的可能性及从实践经验中吸取的教训为题联 合发布公告。公告总结了过去5 0 年中发生的约2 3 0 起尾矿坝事故，列举了 事故对人类的生命财产和生态环境所造成的巨大损失【2 l 。我国现有国有矿山 8 8 4 0 多座，年尾矿排放量达3 亿吨以上，尾矿库约1 5 0 0 座。在我国及世界 上发生的尾矿库重大事故中，由于溢水塔、排水隧洞等构筑物破坏和洪水漫 顶等原因而造成溃坝的占有很大的比重。因此，尾矿设施的安全稳定运行至 关重要。对尾矿设施进行洪水调节计算，并通过水力模型试验研究，验证其 排水系统在不同工况下的排水能力，研究溢水塔消力井的消能效率，观测排 水系统中水流流态及压强分布，以及对溢水塔水流的脉动特性进行分析，就 成为非常紧迫而有现实意义的工作。 七莓里，巴学讵均略酣更第一章绪论 1 1 选题背景 本钢歪头山铁矿小西沟尾矿库加高增容工程由本钢歪头山铁矿、鞍山冶 金设计研究院委托大连理工大学土木水利学院水力学教研室进行排水系统 水力模型的试验研究。 本钢歪头山铁矿选矿厂小西沟尾矿库于1 9 7 0 年设计，并于1 9 7 0 年投产。 该尾矿库位于选厂南2 ，5 k m 的小西沟，三面环山，一面筑坝，除南面的一豁 口外，高程均在2 8 0 m 以上。初期坝采用风化砂混合料，初期坝底标高为 1 8 0 m ，坝高1 1 9 m ，原设计最终堆积坝顶标高为2 7 0 m ，最终堆积坝高9 0 m ， 相应的总库容为6 7 5 6 万m 3 。堆积至原设计最终堆积标高2 7 0 m 时，有效库 容为5 3 4 0 万m 3 。截止到2 0 0 0 年7 月末，尾矿堆积坝顶高程为2 5 5 m ，按选 矿厂年处理原矿规模4 5 0 万t ( 入磨量) ，尾矿产率6 5 ，年排放尾矿量为 1 9 5 万m 3 ，尾矿堆积干容重1 5 f f m 3 计，算得尾矿库尚能服务8 ，8 年。按设 计产量，截止1 9 9 9 年末，本钢歪头山铁矿，境界内尚有矿量6 8 5 9 9 7 万t ， 本钢马耳岭铁矿，境界内尚有矿量2 3 1 5 万t ，两矿山合计尚有矿量9 1 2 5 6 5 月t ，经选矿后可产出尾矿量为5 9 6 4 1 7 万t ( 3 9 7 6 1 2 万m 3 ) 。按年排放尾 矿量1 9 5 力m 3 ，尾矿库至少还应有2 0 4 年服务年限方可满足矿山生产要求。 从中可见。小西沟尾矿库按原有最终设计堆积标高2 7 0 m 剩余的8 8 年服务 年限，已不能满足最终排放尾矿量的要求。考虑尾矿库的设计、施工周期， 选择新的尾矿堆积方案已是当务之急。 经多方案技术与经济比较论证，设计采用小西沟尾矿库加高增容方案。 即将尾矿堆积标高增加到2 8 0 m 高程，同时在原副坝处进行分散放矿来弥补 地形标高不足。这样即可基本上满足排放尾矿的要求。原排水系统回水塔塔 顶高程为2 7 0 5 m ，排水塔塔顶高程为2 6 9 5 m ，已不能满足加高增容后尾矿 库的运行。为解决后期回水和排水的需要，设计新建回水塔、排水塔各一座， 塔顶高程均为2 8 0 o m 。 由本项目的设计单位鞍山冶金设计研究院提供的排水系统的数据如下： 排水系统由溢水塔、塔座、竖井、消力井、主隧洞、支隧洞组成，见图( 1 1 ) 。 戈趣红大乎与辱f 学酋营之第一章绪论 排洪塔为钢筋混凝土框架式溢水塔，塔身高1 2 m ，塔座深8 m ，直径2 5 m ， 分4 层每层高度3 m ，层与层之间圈梁高度o 3 5 m ，有8 孔进流，分孔竖 梁宽度0 4 m 。塔座高3 m ，直径1 5 m ，壁厚l m ，竖井高2 6 6 5 m ，壁厚o 3 m 。 溢水塔底部没有消力井，为钢筋混凝土衬砌。设计中其深度为1 5 m ，为取 得最佳的消能效果，要通过实验确定消力井深度。主隧洞断面为城门洞形， 下部高1 0 5 m 的直墙、上部直径为o 7 5 m 的半圆，内设直径为0 8 2 m 的回水 管，主隧洞包括新建隧洞9 8 8 m ，原有隧洞5 8 6 4 6 6 m ，底坡i = o 0 0 6 。竖井 和主隧洞采用支隧洞连接，其断面尺寸同主隧洞，底坡i = o 1 5 。隧洞局部为 钢筋混凝土衬砌，大部分为喷射砂浆衬砌。排水系统总体布置及各部分断面 形式和尺寸见图( 1 一1 ) i 蓦t ( 1 3 ) 。 目 斗拣随h汁憾幂十磐转孵；亡 精，悻罐毒 囫1-1。幕*淤龄蔷岫圃姆高fm_) fi叩一_1thn_range导ont墨ap ofdin，arg。q_tn墨 f 2 5 0 0 1 1 mn 1 一砥口”口t 圹门厂 2 i i 【 i2 i i f 一 l f i i 一 l l 3 j 3 f n i4 j l | 彳 l ii al i 。 l il ： l l 图1 - 2 ：溢水塔断面图单位( m m ) f i g 1 - 2 ：t h es e c t i o n a ld r a w i n g o f d r a i nt o w e r 5 乇连堡z 走学砸垮锰畦j 亡第一章绪论 图l - 3 ：溢水塔及主隧洞断面图单位( m m ) f i g 1 - 3 ：t h es e c t i o n a ld r a w i n go f d i s c h a r g et o w e r a n dm a i nt u n n e l 1 2 尾矿设施的特点与现状 1 2 1 尾矿设施概述 尾矿是矿山选矿厂从矿石选出有用矿物后所剩下的矿渣。通常它是以矿 浆的形式排出。尾矿的堆存通常是利用有利地形，围筑堤坝。形成一定的容 积，将尾矿排入，这种设施称为尾矿库。为此而修筑的用尾矿堆积而成坝体 称为尾矿坝。通常所说得尾矿设施主要包括水力输送系统、尾矿库和回水系 统三个部分，见图( 1 4 ) 。水力输送系统把选矿厂排出的尾矿浆，通过流槽或 砂泵、管道送往尾矿库( 有的尾矿先经厂区浓缩回水再送尾矿库) 。尾矿坝 山初期坝和堆积坝组成。初期坝一般由毛石堆砌，堆积坝则是随着尾矿的增 加，用沉积的粗粒尾矿堆积而成。这种坝体的结构含有大面积的厚层细泥夹 层，使坝体具有不稳定性。在发生洪涝灾害，或受到人为破坏时，坝坡会出 现圆弧形滑动面造成溃坝。为及时宣泄汛期洪水及排出库内积水，尾矿库均 设有排水构筑物，常用的基本形式有排水管、隧洞、溢洪道及山坡截洪沟等。 对于大、中流量的尾矿库，通常采用由溢水塔、竖井和排水隧洞等组成的排 水构筑物。溢水塔通常是框架结构，随着尾矿的堆积、堆积坝的逐渐升高， 从下往上逐步提高溢水塔进水高程，避免尾矿从排水系统排出。为充分而有 效的利用水资源，尾矿库通常设有回水系统，收集库内部分澄清水。供选矿 j 一内冷却或洗矿等用水，多余的部分则通过排水系统排往下游河道。当排放 的澄清水中含有害成分，且超过废水排放标准和卫生标准时，则设净化构筑 物对废水进行净化处理。 3 1 一选矿厂，2 第一砂泵站，3 尾矿管道；4 一第二砂泵站，5 一初期坝， 6 一堆积坝，7 尾矿床，8 排水系统，9 结合井，l o 隧洞，1 1 回水泵站， 1 2 回水管道，1 3 贮水池 图1 - 4 ：尾矿设施平面示意图 f i g 1 - 4 ：p l a n es k e t c hm 印o f t a i l i n g f a c i l i t i e s 1 2 2 尾矿库现状与特点 我国黑色、有色、黄金、化工、核工业、建材等行业的矿山，每年产出 尾矿约3 1 0 8 t ，基本上堆存在大约1 5 0 0 座尾矿库内，其中8 0 属于黑色、 盎兰筌誊鉴耋皇鍪兰= ：竺竺 有色冶金矿山，其它行业只占2 0 。这些库中最大设计坝高2 6 0 m ，超过1 0 0 m 的有2 6 座，库容大于3 1 0 8 m 3 的有1 0 座，最大的是江西德兴铜矿的4 号 尾矿库，库容达8 3 1 0 8 m 3 。但是2 0 的大、中型库的库容却占了总设计库 容的8 0 。各行业主要企业的尾矿库统计结果见表1 1 1 3 1 。 表1 1 ：国内主要矿山企业尾矿库数量统计 t a b l e1 1 ：t a i l i n gr e s e r v o i rs t a t i s t i c so f m a i nd o m e s t i cm i n e e n t e r p r i s e s 总数坝高( m ： 行业病险坝( ) ( 座) 6 03 0 6 0 0 0 5 时。采用前峰为三角形， 小时的双峰概化过程线。 ( 东部i i 、i i i 、区) ( 西部v 、区) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 主峰为以 作为参数、总历时为7 2 ( 1 ) 主峰洪水过程线：由附表1 0 查出相应水文分区咋值的f q ，啡， 将q 鳞值乘以绯并加上基流珐= 訾，即得主峰洪水过程线。 ( 2 ) 前峰洪水过程线：东部各区为涨水9 小时，落水1 2 小时的三角形， 当嘶i 一。) ， 2 1 6 q 2 。时，前峰最大流量( 或第9 小时流量) 按下式计算 珐= g = 鲁一缸 9珐= g = 等一睦，( 2 - ) 当；一“) ，2 1 6 q 2 ，时，前峰过程线是一个最大流量为q 2 、底宽为t ( f ：堕三二韭) 的三角形。 0 1 5 鲮 西部各区为涨水6 小时，落水1 4 小时的三角形，当啊= 一“) ， 2 5 2 q ：。时， 最大流量( 或第6 小时流量) 按下式计算 q 6 = 绋= 警一缸( 2 - 1 0 2 - 1 0 ) q 6 = 绋= j 手孚一去q 2 0 ) 当啊；。k 2 5 2 q 2 。时，前锋过程线是一个最大流量为q 2 0 、底宽为t ( 扛竺童韭) 的垂直三角形。 0 1 8 咋 0 0 5 时。采用以设计洪峰流量q p 为最大流量，按公式( 2 1 1 ) 计算， 为洪水总量。公式( 2 一1 2 ) 计算洪水历时为t 的简化三角形过程线。 p = o 6 7 w 2 , p + o 1 2 q e f ( 万m 3 ) ( 2 一1 1 ) 主重型耋銮：兰i 坚至三主墨：生釜查盐墨圭塑量鎏差 丁：鲨坚( 小时) ( 2 - 1 2 ) 婢 实际计算时，可不绘制过程线，只需要按上式计算出不同频率下参与调洪的 洪量，代入简化调洪公式外= 砩 1 。苦j 即可调洗 2 2 4 洪水计算成果及分析 由于小西沟尾矿库原设计尾矿坝最终堆积标高为v 2 7 0 o m ，排水系统采 用的是原设计的排水系统，而加高增容工程的尾矿坝最终堆积标高为v 2 8 0 o m ，并且重新设计了排水系统和尾矿放置方案。另外，尾矿库的汇水面 积在不同的堆积高程也不相同。因此，论文分别对v 2 7 0 o m 和v 2 8 0 0 m 高 程进行洪水计算，分别计算相应高程的设计洪峰流量、洪水总量和设计洪水 过程线。洪水计算结果如表2 2 、表2 - 3 及图2 - 1 、图2 2 所示。 表2 - 2 ：尾矿坝最终标高为2 7 0 0 m 的洪水计算结果 t a b l e2 - 2 ：f l o o dc o m p u t a t i o nr e s u l t si na l t i t u d e2 7 0 0 mo f t a i l i n gr e s e r v o i r p ( ) 乓p ( m m ) k p匕p ( m m )砗圪p ( m m ) o 23 9 6 73 4 83 3 0 63 4 81 9 4 7 k ， 只p ( m m ) k p日，岛只4 ，n i p 3 1 4 1 2 1 83 4 80 6 2 60 5 8 90 7 3 6 n 2 pr ( h )名( m m )( m m h ) 妒p 口三p 0 6 1 90 5 7 81 0 5 01 8 1 60 8 6 00 7 3 0 a ( j 一2 “ o p ( m 3 s )( 7 m 3 )4 p ( 万m 3 )嘶= _ 2 4 j p ( 万m ) q 0 ( m 3 ，s ) 0 2 9 07 4 74 9 84 6 53 _ 3o 1 0 盘型兰兰：耋兰坚芏三主墨：曼量坐盐兰主塑兰鎏兰 表2 3 ：尾矿坝最终标高为2 8 0 0 m 的洪水计算结果 t a b l e2 - 3 ：f l o o dc o m p u t a t i o nr e s u l t si na l t i t u d e2 8 0 0 mo f t a i l i n gr e s e r v o i r p ( ) p 三p ( m m )k p气p ( m m )k p最，( r a m ) o 14 3 0 93 7 83 5 9 13 7 82 1 0 8 足。 鼻p ( m m )k p名只，最p 另4 pl i p 3 4 0 1 3 2 33 7 80 6 2 80 5 8 70 7 3 8 n 2 pf ( h )岛( m m ) i p ( m m h )伊p o e e p 0 6 1 70 5 6 81 1 4 3 1 9 7 70 8 6 00 7 5 0 电三- 2 4 k 绯( m 3 s )辟o ( 万m 3 )4 ，( 万m 3 ) i - 2 4 ) ，( 万m 3 ) q 0 ( m 3 s ) 0 、3 7 07 3 75 0 44 6 34 10 1 0 注：表中变量含义见本章公式。 图2 ，l ：尾矿坝最终标高为2 7 0 o m 的设计洪水过程线 f i g 2 - ht h ed e s i g nf l o o d c o u l s ei na l t i t u d e2 7 0 0 mo f t a i l i n gr e s e r v o i r 。2 i - 苎登詈三苎耋笙耋2 ：誊譬芏三圭墨芏主量查盐兰兰塑苎茎墨 图2 - 2 ：尾矿坝最终标高为2 8 0 0 m 的设计洪水过程线 f i g 2 - 2 ：t h ed e s i g nf l o o d c o u r s ei na l t i t u d e2 8 0 0 m o f t a i l i n gr e s e r v o i r 2 3 调洪演算 调洪演算是指尾矿库及其排水系统在设计洪水过程线作用下，从正常生 产水位开始，计算来洪过程中的尾矿库水位和库容历时曲线、排水系统泄流 量历时曲线，从而得出过程线中的最高洪水位、最大泄流量( 设计流量) 和 调洪库容验证尾矿库的防洪安全性。 和洪水计算一样，调洪演算也分尾矿坝最终堆积高程为v 2 7 0 0 m 和v 2 8 0 ，0 m 两种不同情况分别进行。在小西沟尾矿库加高增容工程设计中，排 水系统的流量系数在堰流和管流时分别取o 3 2 和0 6 1 。而通过排水系统的 水力模型试验，实测堰流和管流的流量系数分别为0 5 1 0 和o 6 0 5 ，堰流和 管流的分界水头为e ，= 1 1 2 m 。采用实测排水系统流量系数等数据，应用 加高增容工程的有关设计资料，重新进行调洪演算，计算在设计洪水过程线 作用下尾矿库的最高洪水位以及排水系统的泄流过程线和最大泄流量，从而 第二章尾矿库洪水计算与调洪演算 重新验证加高增容工程防洪安全性。 2 3 1 调洪演算公式 根据来水过程线和排水构筑物的泄水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0 3 1 。 尾矿库内任一时段r 的水量平衡方程如公式( 2 1 3 ) 所示 要( ( ) 2 + q i ) f 一妻( g ：十g ) f ；砭一巧( 2 - 1 3 ) 式中：妨、q 2 时段初、终尾矿库的来洪流量，m 3 s ； q 、q 2 时段初、终尾矿库的泄洪流量，m 3 s ； “、时段初、终尾矿库的蓄洪量，m 3 。 小西沟尾矿库溢水塔采用框架式结构，其泄流量公式为 当为堰流时 q k = l - 小2 9 日”2( 2 - 1 4 ) 式中：q 堰堰流流量，m 3 s ； 溢水前沿宽度，m ； m 堰流流量系数： 堰上水头，m 。 当为管流时 q 管= f 2 9 h “2( 2 - 1 5 ) 式中：纵管流流量，m 3 s ； f 进水口面积，i n 2 ； 牟管流流量系数： 何堰上水头，m 。 堰流和管流分界水头为 h = 竽 ( 2 1 6 ) 2 3 。2 调洪演算结果 戈苎里酞孝氍与镫丈第二章尾矿库洪水计算与调洪演算 为了进行尾矿库洪水调节计算，建立了调洪程序( f l o o dc o m p u t a t i o n p r o g r a m ，f c p ) 。通过调洪演算程序的计算，得出小西沟尾矿库加高增容工程 设计阶段洪水调节计算结果如表2 4 所示。通过水力模型试验实测，应用修 正后流量系数等数据进行洪水调节计算所得的结果如表2 ，5 所示。 表2 - 4 ：设计阶段调洪结果 t a b l e2 - 4 ：t h ef l o o dc o m p u t a t i o nr e s u l t si nd e s i g n s t a g e 坝顶高程起调标高最大泄流量调洪库容最高洪水位 ( m )( i n )( m 3 s )( 7 i m 3 )( m ) 2 7 0 02 6 8 02 5 63 3 0 22 6 8 5 3 2 8 0 02 7 8 02 9 43 2 8 62 7 8 5 8 表2 5 ：实测流量系数后的调洪结果 t a b l e2 - 4 ：t h ef l o o dc o m p u t a t i o nr e s u l t sa f t e r m o d i f y i n g f l o wc o e f f i c i e n t s i 坝项高程起调标高最大泄流量调洪库容最高洪水位 ( m )( m )( m 3 s )( 万m 3 )( m ) 2 8 0 02 7 8 05 0 43 0 2 42 7 8 4 5 2 4 尾矿库回水计算 尾矿库中的澄清水要进行回收，到选矿厂进行重复利用。尾矿库回水量 计算需要考虑天然径流、尾矿来水、水面蒸发以及渗漏损失等因素。 2 4 1 径流量 尾矿库在最终堆积标高为v 2 8 0 0 m 时的汇水面积为f = 1 5 6 k m 2 ，其中 水面面积取e = 0 7 5 k m 2 ，径流系数口= o 3 4 ，径流总量按公式( 2 1 7 ) 计 算 纾0 = 1 0 0 0 h p ( f 一只) 瑾+ e 】 ( 2 1 7 ) 式中：彬，设计保证率的年径流总量，m 3 ； 。保证率为p 的年降水量，r a m ； f 尾矿库汇水面积，k m 2 ； 走芭型【走学氍均篼蛩t第二章尾矿库洪水计算与调洪演算 f 尾矿库水面面积，k m 2 ； 口径流系数。 经汁算各种回水保证率时的年径流量见表2 - 6 所示。 表2 - 6 ：不同回水保证率年径流总量 t a b l e2 - 6 ：t h ea n n u a lt o t a lr u n o f f r e s p o n d i n gt og u a r a n t e er a t e so fd i s c h a r g e 尸2 0 5 0 7 5 9 0 9 5 9 9 足。1 1 60 9 9o 8 6o 7 5o 7 0 0 5 9 h j ， 8 5 87 3 36 3 65 5 55 1 84 3 7 睨( 力ii l l 3 ) 8 9 - 27 6 16 6 15 7 75 3 84 5 4 2 4 2 尾矿来水量 尾矿来水量：按年处理原矿4 5 0 万t ，年尾矿量2 9 2 5 万t ，浓度为2 5 时，进入尾矿库的年平均水量为1 0 3 3 万m 3 。 2 4 3 蒸发量 年蒸发损失按公式( 2 1 8 ) 计算 h 菰= k z x y ) ( 2 - 1 8 ) 式中：h 蒸年水面蒸发高度，m m ； k 大水体蒸发折减系数； z 多年平均水面蒸发量，m m ； x 多年平均降雨量，m m ； y 多年平均径流深，m m 。 经计算，h 蒸= 3 7 2 m m ，保证率为l o 的年蒸发损失量为3 7 2 万i n 3 。 2 4 4 渗漏损失量 年渗漏损失水深为0 7 5 m ，经计算年渗漏损失为5 5 5 万m 3 。 2 4 5 回水量计算 经计算，当回水保证率为9 0 时，输送浓度为2 5 ，回水保证率为 9 3 6 ，年回水总量为9 0 8 万m 3 。 2 5 本章小结 本章第一部分主要就尾矿库洪水计算、调洪演算以及尾矿库回水所需的 资料进行了阐述。第二部分使用收集到的资料对小西沟尾矿库加高增容工程 进行了洪水计算和调洪演算。调洪演算采用自己编制的调洪程序f c p 分别 对尾矿坝最终堆积标高分别为v 2 7 0 o m 和v 2 8 0 o m 两种情况以及采用修 正的堰流和管流的流量系数及分界堰上水头进行洪水调节计算。最后进行了 尾矿库回水量平衡计算。通过本章计算和分析得到了如下结果和结论： 1 、小西沟尾矿库加高增容工程尾矿坝最终堆积标高分别为v 2 7 0 o m 和 v 2 8 0 o m 两种情况下的设计洪峰流量、洪水总量以及设计洪水过程线。 2 、洪水调节计算程序f c p 。 3 、流量系数取规范规定值计算的最高洪水位、最大泄流量和调洪库容； 采用水力模型试验实测流量系数及分界堰上水头，计算得到的最高洪水位、 最大泄流量和调洪库容。 4 、尾矿库回水量平衡计算结果表明，尾矿库设施的设计能保证回水保 证率为9 3 6 ，年回水量为9 0 8 万m 3 。 走莲舀荜走喾礤均澄j 亡第三章尾矿库排水系统模型设计 第三章尾矿库排水系统模型设计 前言：物理模型有着公认的实际意义和科学价值，通常按重力相似定律设计的 水工模型，可以预演和重演工程中各种复杂的三元水流运动现象，检验设计方 案的可靠性和准确性，优化工程布置和体型实践表明，我国建国以来，不少 工程水工模型试验结果已在工程设计、施工和运行中发挥了重要的指导作用， 并取得了显著的经济效益和社会效益”】 3 1 水力模型试验概述 3 1 1 水力模型试验的意义 水流运动是一种非常复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们 发展的规律，至今还没能很好的掌握。设计水利工程时通常不是用数学分析 的方法，就是应用经验公式。这两种方法都由一定的局限性。比如为了解决 数学分析的困难，再推导理论方程之前需加上各种假设进行简化；在方程求 解过程中，对高次项往往加以省略。因此，根据理论公式设计后，还要经过 水工模型试验的验证才能付诸实施，以保证工程的安全。其次，应用经验公 式虽较可靠，但其系数有一定的使用条件和范围，不能任意推广应用。事实 上天然河道中水工建筑物的边界条件各不相同，且非常复杂，须经过水工模 型试验的分析研究，方可切合实际；还可进一步提高理论，指导实践。因此， 可以说水工模型试验是流体力学理论和实际水利工程的中间媒介，直受到 工程界的重视，在工程界占有很高的地位【1 5 】。 目前研究水力学问题的另一种广泛应用的方法是计算机数值模拟，但是 计算机数值模拟实质上是利用流体运动的数学方程，在给定的初始条件和边 界条件下，利用计算机的高速运算及图形显示功能，模拟水流运动的一种软 件，其本质仍然是数学分析和经验公式。水工模型按照研究的任务不同，分 土芭旺七瓤臼峻r 雀之第三章尾矿库排水系统模型设计 为整体模型、断面模型和半整体模型。 3 1 2 水力模型试验发展简史 关于相似现象的学说，早在1 6 8 6 年在牛顿( i n e w t o n ) 的著作中已有 阐述。但直到1 8 4 8 年，别尔特兰( j b e r t r a n d ) 才首先确定了相似现象的基 本性质，并提出尺度分析的方法。1 8 7 0 年左右，佛汝德( wf r o u d e ) 进行船 舶模型试验，提出了著名的佛汝德数，奠定了重力相似律的基础。1 8 8 5 年 雷诺( o r e y n o l d ) 第一令应用佛汝德数进行摩塞( m e r s e y ) 河模型试验， 研究潮汐河口的水流现象。次年，费弄一哈哥特( v e r o n - - h a r c o u r t ) 又进行 了莱因河口模型试验。1 8 9 8 年恩格思( h e n g e l s ) 在德国首创河工实验室， 从事天然河流的模型试验。不久，费礼门( j r f r e e m a n ) 创设美国标准 局水工实验室，从事水工建筑物的模型试验。此后，欧美各国水工试验室的 兴建蔚然成风。 在学理研究方面，普朗德( l p r a n d t l ) 、泰勃( g 1 t a y l o r ) 和卡门 ( t v k a r m a n ) 等人均有很大的成就，尤以紊流及边界层的研究著称。此 外，爱斯纳( f e i s n e r ) 、巴甫洛夫斯基( h h ab j iobckhn ) 、 基尔皮契夫( m b khpnhn eb ) 和尼古拉兹( n i k u r a d z e ) 等人，在 相似理论和实验技术方面都作出了贡献。 目前国外规模较大的著名水工试验室有：美国陆军工程兵团水道实验站 ( w e s ) ，原苏联全苏水工科学研究所( bh hn r ) ，法国夏都( c h a t o u ) 国 家水力学试验室，荷兰台尔夫特( d e l f t ) 水力研究所以及印度中央水利水电 研究站( c w p r s ) 等。 我国举办水工试验，始于1 9 3 3 年天津第水工试验所。随后，1 9 3 5 年 在南京筹建中央水工实验所，即现在南京水利科学研究院的前身。建国以来， 由于大规模水利水电建设的需要水工试验机构得到很大的发展。1 9 5 6 年 原水利部、电力工业部和中国科学院在北京成立了水利水电科学研究院，成 为全国水利科学研究的中心。其余规模较大的水工试验机构有：西北水利科 学研究所、黄河水利科学研究所、长江水利水电科学研究院等。此外，水利 电力部所属各工程局( 或勘测设计院) ，以及高等院校水利系均设有水工试 戈苗竖工走筝瞩吲往裣建第三章尾矿库排水系统模型设计 验室，并具有一定的规模。目前，全国水工试验室总数已达5 0 余个( 包括 各省、市、自治区属水工试验室) 【1 5 j 。 3 2 排水系统水力模型设计 近代流体力学的基础是理论分析和实验观测相结合。对复杂的水流运动 现象，由于种种原因尚无法用数学描述和预见，而工程技术人员需要得到可 靠的实际成果时，必须考虑实验的数据。模拟制造的工程、结构或机械称为 模型，该原工程、结构或机械称为原型。水工模型试验中原型和模型存在相 似性，必须根据水工模型定律即水力相似性原理来进行模型的设计、制作和 安装。 3 2 1 模型设计理论基础 模型和原型两个液流系统的同名物理量( 流速、压强、作用力等) 在所 有相应点上都具有同一比例关系( 对不同物理量比例常数不一定相同) ，则 这两个流动为相似流动。保持流动相似要求模型与原型之问具有几何相似、 运动相似和动力相似，模型和原型的初始条件和边界条件也应保持相似。 一、几何相似性 几何相似指模型与原型几何形状和边界条件的相似，即模型与原型问相 应长度的比例l 为一定值。根据定义得 每吐 ( 3 - 1 ) 相应的面积比例4 及体积比例为 妻= 4 ( 3 - 2 ) 争= 砟 ( 3 - 3 ) 上三式中工、一、y 长度、面积及体积； 走曲啦天掌酶臼啦敬第三章尾矿库排水系统模型设计 p 、m 及r 原型、模型及比例。 模型比例上，的倒数1 习惯上称为模型缩尺。 在水工模型制造中必须遵守的基本法则为：尽可能在工艺上保证一定的 j l 何相似性。由于某一方面无法达到完全相似而导致水流运动的某种程度的 变态必须心中有数，以免发生未能预知的误差。 二、运动相似性 运动相似性是指模型与原型中水流质点运动的流线几何相似，这要求原 型与模型问流速比例v ，为一定值，故运动相似的必要条件为 主：v ，：晏：l r t r 。( 3 - 4 ) 玉：q ：当：i 一2 口m l r ( 3 - 5 1 蚤毋磊以。 ( 3 - s ) 式中t 、v 、口和q 时间、流速、加速度及流量。 三、动力相似性 动力相似是指作用于液流相应点各同名力均维持一定的比例关系。换句话 说，原型与模型液流中任何对应点上作用着同名力，各同名力互相平 行且具有同一比值，则称该两液流为动力相似。即 生：鱼：坠：血：鳖：篮：f ( 3 - 7 ) 咯力。滞力。赡力mf 弹性力。吩阃张力m厢力m 。 以上三种相似是相互联系的，几何相似是运动相似和动力相似的前提和 依据，动力相似是决定两个水流运动相似的主导因素，运动相似则是几何相 似与动力相似的表现。 水工模型试验根据引起流体运动的原因不同，有不同的相似准则这些 相似准则简述如下。 走i 塞型工走学览坤铀蛩之第三章尾矿库排水系统模型设计 一、佛汝德( f r o u d e ) 模型定律( 重力相似定律) 原型与模型之间促成运动的主要作用力为重力，将次要影响力略去不 计，则重力比例为 ( l = 以l 3 p g 艺= 以譬 ( 3 8 ) 按原型与模型重力相似的必要条件，惯性力比例与作用力比例相等，即 n e r j 2 = 以p ，故得重力相似定律 w t f , j i ：h f f l 霉= ( g ，y “( 3 一 流速比例 v 。= g ，2( 3 - 1 0 ) 其它各量的比例均可从上两式推导得出 流量比例 q = 爿，v ，= l 2 , 2 = e ” 力的比例 c = 所e r - 2 = p ，三4 ，- = p ，c 若尸，= l ，贝0f r = e 从v f 的比例关系可得 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) v ，g r ，= ( f r ) ，= 1( 3 1 4 ) 式中f r 表示水流重力特性的参数( 佛汝德数) ，考虑重力为主要作用力 而设计模型时，其相似条件即原型与模型的佛汝德数f r 必须相等。 二、柯西模型定律( 弹性力相似定律) 当弹性力支配流体运动时，原型与模型间弹性力的比例为 e = e , a ，= e e ，e 为弹性模量。根据动力相似的必要条件p ，髟4 ，- 2 = t e ， 则 i = l , 1 4 ( - g t 万, ( 3 1 5 ) 运动弹性率口= e i p 。得 时间比例 = p j ”2( 3 - 1 6 ) 流速比例 v ，= 0 r , = 8 ：“( 3 1 7 ) 流速比例v ，可改写成 盎兰兰2 竺翟兰：兰：坚苎三主兰：兰苎查至兰垫：堡盐 v ，e = ( m a ) r = l1 或b ：e l = ( c a ) r ：1 j p 。8 式中m a 及c a 为两种表示弹性力的参数，m a 为马赫数，c a 为柯西 ( c a u c h y ) 数，进行弹性力模型试验时，动力相似的条件即柯西数c a ( 或m a 数) 必须保持与原型值相等。 三、雷诺模型定律( 粘滞力相似定律) 当运动中的流体粘滞力为主要作用力时，原型与模型的粘滞力的比例为 眈i = 以l r 2 巧1 ( 3 - 1 9 ) 按原型与模型动力相似的必要条件，粘滞力比例与惯性力比例相等，即 仃口f 2 = 以髟2 - ，- ，故得 时间比例 e = 口嵋 ( 3 - 2 0 ) 流速比例 叶= c 1 v r( 3 - 2 1 ) 式中p 流体的运动粘滞率，v = p 。 由流速比例可得 v ，v r = 【r c ) ，= l 式中r e 雷诺数，为表示流体粘滞性运动的参数。 从上式可知，当粘滞力支配运动时，流体运动的相似条件为原型与模型 的r e 必须相等。 四、紊流阻力相似定律 如果液体粘性引起的阻力起主要作用时，为了使原、模型水流相似必须 做到粘滞力作用相似，即要求原、模型上雷诺数相等，所以在原、模型都是 层流情况下，必须考虑这一点。对于阻力平方区的紊流，液体粘性引起的阻 力微不足道，原、模型都能保证在阻力平方区紊流状态下工作，则满足重力 相似准则，即( f r ) ，= l 且粗糙系数间成一定比例关系就能保证原、模型水流 相似。设h 为单位边界面对水流的剪力，z 为湿周，为流程长度则对水 流产生作用的阻力为 戈为翌【土筝碾臼镪乏第三章尾矿库排水系统模型设计 只= f o