刘明生 王睿齐，2

（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650504）

排洪系统是确保尾矿库安全运行的主要设施。环保对金矿尾矿库清污分流的要求较高，对于汇水面积较大的尾矿库多采取库外挡水坝+排水隧洞的方式，尽量截排上游清水，减少洪水入库形成的污水量，减轻库内排水设施的泄洪压力及尾矿回水的处理量。排水隧洞布置受库型条件限制，高差较大时，常需采用竖井连接。竖井式排水系统广泛运用于尾矿库工程中，设计者对此进行了大量研究［1-3］，竖井落差大，进水水流为激流，只有控制上部进水流速和流态才能有效减缓水流对构筑物的冲刷破坏，减轻底部消能压力，使消能后的水流平稳地与下游排水设施妥善衔接。

1 工程概况

工程区地处亚热带高原季风气候类型，属金沙江水系。多年平均气温13.6℃，降水集中，多年平均降雨量1 054.7 mm。平均海拔2 080 m。某金矿选厂的工艺流程中不涉及氰化物，尾矿属一般固废Ⅱ类，库区采用防渗膜全防渗。尾矿粒径较细，-200目占80.32%，上游式尾矿堆坝，初期坝为堆石坝，尾矿坝总坝高94 m，总库容2 181万m3，属三等库。

尾矿库所在山间沟谷长约4 km，沟型呈“V”型发育，沟壁岸坡较陡，坡度4～50°，地形西高东低，库区占用沟谷长约2.1 km。该地区抗震设防烈度为8度。初期坝址以上汇水面积为17.80 km2。排洪系统由库外和库内排洪设施构成。库内排洪设施由3座框架式排水井+支洞+排水隧洞（库内）组成，控制汇水面积5.27 km2；库外排洪设施由挡水坝+排水隧洞+竖井组成，控制汇水面积12.53 km2。

库内库外排洪系统的出口均在尾矿库所在沟谷下游，两者相距700 m。库内排洪系统的污水不外排，进入回水池，扬送至污水处理站。经处理后返回至选厂生产使用。

尾矿库下游12 km范围内无村庄、工矿企业及重要设施。

2 库外排水系统设计

尾矿库为三等库，防洪标准取三等库上限，洪水重现期500 a（P=0.2%）。经水文计算，库外排洪系统需满足24 h最大洪峰Qm=93.80 m3/s的下泄流量要求。

库外排洪系统的地表设施受地形及林地限制，要求进口标高1 946～1 952 m之间，出口标高在1 740～1 746 m之间。隧洞线路较长，根据工程地质勘察结果，为避免隧洞全线均处于强风化较破碎的灰岩地层（Ⅴ类围岩），以减少隧洞支护难度节约投资，提高施工安全性。通过技术经济比较，沿隧洞线路，设置一高91.4 m的竖井，使隧洞洞身Ⅱ段布置在较稳固坚硬的中风化板岩内（Ⅲ类围岩）。同时也减缓了隧洞底坡，减小长距离下产生的加速流，简化了出口消能设施。库外排洪系统布置见图1。

2.1 进、出口段及洞身Ⅰ段

进口段设置在挡水坝上游地表，开敞式宽顶堰型式，利于水流顺利导入隧洞。长L1=15 m，宽B1=4 m，边墙高H1=6.5 m，C30钢筋混凝土矩形结构。出口段设置在洞身Ⅰ段尾部，长L3=18 m，B3×H3=4 m×8 m。

洞身Ⅰ段位于强风化的灰岩地层，长L2=262.0 m，城门洞型断面B2×H2=4 m×4.15 m，纵坡i=0.15，C30钢筋混凝土全衬砌厚0.6 m，设计为无压流。经计算，500 a一遇洪水标准，下泄流量为93.80 m3/s时，出口段（竖井进口）流速达21.22m/s，沿程水面线3.10～2.27 m，基本满足高流速无压隧洞洞内掺气水面以上的空间宜为断面面积15%～25%的《GB 50863-2013尾矿设施设计规范》要求。

2.2 竖井段

受自然环境条件限制，竖井深度主要以隧洞出口标高反推，并考虑洞身Ⅱ段均处于中风化板岩内。经计算确定竖井深度Hs=91.4 m。竖井采用圆形断面，C30钢筋混凝土结构衬砌，井壁厚0.5 m，竖井段沿竖直方向每隔12 m设置井壁拖座，拖座深入井壁围岩1 m。竖井直径D由下式确定［4-5］：

式中，Qm为最大设计下泄流量，m3/s；g为重力加速度，取9.81m/s2。

相应最大下泄流量93.80 m3/s时，D=3.90 m，设计时直径取4.0 m。

竖井下接的消力坑，直径取B4=6.0 m，深度按1.4B4估算，结合类似工程经验，最后取深度为10.0 m。

2.3 洞身Ⅱ段及消力池

洞身Ⅱ段长L5=2 897.2 m，起点（进口）为竖井底部，地表出口与消力池相接。洞身段均位于较稳固坚硬的弱～中风化板岩内，围岩类别Ⅲ类。除进口段外均采用喷射混凝土永久支护，极大地节约了洞身的衬砌及支护费用，提高了施工安全性。

洞身Ⅱ段城门洞型断面B5×H5=4 m×（6～4.15）m，纵坡i=0.02，起点进口段长18 m，净高由6.0 m渐变为4.15 m，该段为C30钢筋混凝土结构。进口段后洞身的净高均为4.15 m。

洞身坡度缓、沿程长，其泄流能力按明渠均匀流考虑，其中糙率n分别按0.014（进口段）和0.025取值，经计算，进口段后水深3.33 m时，流量94.50 m3/s，流速为14.68 m/s，过流能力均大于所需下泄洪峰Qm=93.80 m3/s。此时，隧洞净空高0.82 m，满足无压隧洞掺气净空要求。

洞身Ⅱ段出口接地表下挖式消力池进行底流消能。消力池底宽由B6=4 m渐扩为8 m、边墙高H6=5 m，池长L6=22.5 m，采用C30钢筋混凝土矩形断面结构型式。

3 竖井段的优化

由于库外排水系统的设施较复杂，对该系统开展了水工模型试验。通过试验研究隧洞水流流态、水面线、流速、动水压力，综合评价排洪系统布置和构筑物结构合理性，为设计提供优化方案的基础数据。

3.1 水工模型试验

试验模型由挡水坝外上游库区、库外排水隧洞组成。按重力相似准则设计［6］，上游库区采用水泥砂浆按原地形敷设抹面，排洪设施采用有机玻璃制作，尺寸严格控制在规范允许的误差之内。实测了20、50、100、200、500 a一遇洪水标准下，排洪系统沿线水流特性及水流空化气蚀、偏转水流等问题和可能出现洞内明满交替现象进行分析。试验重点是洞身Ⅰ段出口、竖井段及洞身Ⅱ段进口，分为三等库防洪标准下限200 a（P=0.5%）和上限 500 a（P=0.2%）的工况。其流速和水面线见图2。

试验结果表明，原设计方案布置基本合理，库外排水隧洞过流能力满足设计要求。各工况下水面基本平稳，堰前、控制段流态合理，洞身Ⅰ段为无压流，流态正常，断面形式、尺寸合理。入井水流为淹没射流，井身段内水流为掺气附壁流，竖井下部水流形成高强度的“水—气泡”剪切流，消能效果较好，竖井下部消能深度合理。洞身Ⅱ段水流流态基本正常，断面形式、尺寸合理，下泄200、500 a一遇洪水时，洞身Ⅱ上段为有压流。洞身Ⅰ段、洞身Ⅱ段时均动水压力合理正常。洞身Ⅰ下段空化数σ均大于0.3，不具备发生空化的条件。

存在的主要问题是：竖井段上部入井水流流速达V1=21.22 m/s，受水流冲击形成较高的水浪，冲击水浪跌落与洞身Ⅰ段的水流相互作用造成水流脉动、回流和卷吸气体，入井水流为淹没射流。洞身Ⅱ段水流流态基本正常，水流脉冲水浪的浪高沿程衰减，流速V2=14.68～13.04 m/s。

3.2 方案优化［7］

综合考虑采用改变水流入井条件的方式，减少水流直接冲击井壁的范围，降低水流冲击竖井井壁造成的水浪高度。经多方案选择，拟在竖井进口处设置分流墩。使水流呈对称两侧向入井，明显降低水流冲击竖井井壁造成的水浪高度，改善水流对竖井的脉冲，提高竖井消能，降低洞身Ⅱ段出现脉冲水浪的高度。优化方案的流速和水面线见图3。

优化方案竖井上部冲击浪高度比原方案的低，P=0.2%工况下竖井上部冲击浪高度比原方案低4.05 m。P=0.5%工况下比原方案低2.45 m。竖井下部消能水深也总体降低，说明竖井段消能率得到一定的提高，从而降低了竖井出口的竖向流速，竖井出口流态得到改善。

经多次分流墩体型试验修改，选择主要试验数据相对较优的分流墩位置和体型，最终确定分流墩设置位置及体型尺寸详见图4。

优化方案的水工试验表明：设置分流墩并适当提高竖井顶部高度后，库外排水隧洞各实测位置未出现负压，时均动水压强值正常，分布合理。水流空化数均大于0.3，不具备发生空化的条件。入井流速V3=19.87 m/s，竖井进口上部受水流冲击形成较高的水浪，冲击水浪跌落与洞身Ⅰ段的水流相互作用造成水流脉动、回流和卷吸气体。洞身Ⅱ段水流流态基本正常，脉冲水浪浪高沿程衰减，流速V4=13.47～12.49 m/s。洞身Ⅱ段进口为有压流，其后均为无压流，符合设计预期效果。

4 结语

金矿尾矿库因堆存尾矿的粒径较细，形成干滩坡度缓，造成库内调洪库容较小。库外的排洪设施对尾矿库的安全运行起到决定性的作用。排洪系统线路落差较大时，工程设计尤其要重视在自身结构中较小的空间和较短的距离内，安全地泄散水流的势能和动能，避免发生空蚀破坏，减轻对构筑物的损坏，使排洪系统内上下游水流得到妥善衔接，减缓水流排出隧洞后对岸坡及河床造成危害，减少出口消能设施的工程量。利于沟谷下游的环境保护和水土保持。