浅谈铜街大沟尾矿库中后期调洪演算及排洪系统洞内消能工的设计应用
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浅谈铜街大沟尾矿库中后期调洪演算及排洪系统洞内消能工的设计应用1.设计洪水1.1项目概述铜街大沟尾矿库位于文山州马关县都龙镇，库区水系属红河流域支系，沟谷、冲沟或降雨水流均汇入铜街大沟流经曼家寨大沟、南加河，在南东面进入南北河，最后在越南汇入红河。
铜街大沟为该区大气降水和地下水的排泄通道，区内降水比较丰富，侵蚀切割作用较强，枝状沟谷发育，沟谷源头接近分水岭，并出露泉水，均为下降泉，呈片状渗流及股流渗出。
经在1/2.5万地形图量算，铜街大沟尾矿库现状初期坝前控制流域面积16.57km2，主河道长7.6km，主河道平均比降为21%。
根据铜街大沟尾矿库的使用现状及后期规划，铜街大沟尾矿库中期防洪标准为200年～1000年一遇。
1.2中、后期设计洪水计算由于铜街大沟尾矿库流域内无水文气象观测资料，属无资料地区，而邻近的水文站控制流域面积与铜街大沟尾矿库控制流域面积相比均太大，故不宜由流量资料计算设计洪水。
设计铜街尾矿库的洪水计算方法选用计算结果相对准确的《云南省暴雨径流查算图表》按推求洪水过程线的方法进行计算。
其计算设计洪水结果（见下表1）及汇水过程线（见下图1）。
表1铜街尾矿库洪水计算过程表图1铜街大沟尾矿库设计洪水过程线2.尾矿库现有排洪设施排洪能力计算及新增排洪设施设置2.1尾矿库现有排洪设施排洪能力目前铜街大沟尾矿库建有一条主排洪隧洞，其施工净断面为B×H=2.4m×2.2m，顶拱中心角120°，底坡9%；库内建有四座框架式排水井，其中1#、2#排水井高21.0m，3#、4#排水井高18.0m。
排水井外径为D=3.5m，配套排水设施设计为排水隧洞，隧洞断面为B×H=2.0m×2.0m，顶拱中心角120°，排水井的配套排水隧洞与主隧洞相连。
目前排洪主隧洞的施工净断面为B×H=2.4m×2.2m，顶拱中心角120°，底坡9%，主隧洞进口标高1080.0m，主隧洞挡水坝高4.0m，由于尾矿库使用初期在1035.0m标高以下，堰高为4.0m，隧洞为自由出流，隧洞平均糙率0.02，底坡为9%，根据水力计算目前主排洪隧洞最大排泄洪水量为65.91m3/s，不能满足安全排泄库区上游16.57 km2汇水面积汇集的洪水，因此铜街大沟尾矿库必须新建排洪设施以满足尾矿库不同设防洪水频率的排洪要求，以保证尾矿库汛期安全泄洪。
2.2新建永久排洪系统设置2.2.1尾矿库调洪库容根据库区地形设计拟在尾矿库左岸1042m、1060m、1078m、1096m、1114m 标高处各设置两座外径均为4.5m，高21m的排水井（共计10座）与新建主排洪隧洞相连排泄入库洪水。
根据各排水井位置，各标高排水井的调洪水深及相对应尾矿库调洪库容见表-2。
表-2 各标高排水井的调洪水深及相对应尾矿库调洪库表2.2.2调洪演算及新建排洪设施排泄流量的确定由洪水计算过程得知铜街尾矿库在200年~1000年一遇洪水标准的洪水过程线为单峰陡涨陡落型可概化为三角形，其排水构筑物排泄的流量按下式计算：q=Qp(1-Vt/Wp)式中：q—所需排水构筑物的泄流量，m3/sQp—设计频率P的洪峰流量，m3/sVt—某坝高时的调洪库容，m3WP—频率为P的一次洪水总量，m3根据库区地形及新建排水井的布设情况，目前尾矿库已建的排洪主隧洞及库内排水井+隧洞排洪设施的最大排泄流量仅为65.91m3/s，经调洪计算尾矿库库内新建永久排洪设施所需的排泄流量见表-3。
表-3 尾矿库库内新建永久排洪设施所需的排泄流量表2.2.3尾矿库新建排洪系统设施排泄能力计算1）库内新建排洪系统断面设计及排泄能力计算设计根据库区地形拟在尾矿库左岸1042m、1060m、1078m、1096m、1114m 标高处各设置两座外径均为4.5m，高21m的排水井（共计10座）与新建主排洪隧洞相连排泄入库洪水。
两座排水井经一渐变段汇流后通过一排水支隧洞将库内积水排主排洪隧洞排向尾矿库下游，排水支隧洞断面为B×H=3.8m×4.1m，顶拱中心角120°，支隧洞最小底坡为4.5%。
设计排水井外径4.5m的八柱框架式排水井，排水井周长为14.13m，八框架柱总宽为3.2m，则每座排水井进水口长为10.93m。
排水井进口流堰为薄壁堰，设计按薄壁堰堰进行泄流计算，水力计算公式为：Q= m•B•(2g)1/2•H3/2式中：Q—泄流量(m3/s)m—流量系数H—堰上作用水头(m)g—重力加速度(m/s2)B—溢流堰净宽(m)经水力计算各排水井的排泄流量见表-4。
表-4 各排水井及配套排水支隧洞的排泄流量表表-5新建排洪系统排水井配套排水支隧洞排泄流量表由表-5计算结果知当新建永久排洪系统排水井配套排水支隧洞内水深达3.6m时，其排水井配套排水隧洞的相应排泄水量为131.84m3/s大于经调洪后所需的最大排泄流量128.48m3/s，排水井配套排水隧洞设计高4.1m，留有0.5m的安全超高满足安全排泄库区200年~1000年一遇洪水标准的泄洪要求。
2）库外新建排洪系统断面设计及排泄能力计算根据设计在尾矿库左岸1042m、1060m、1078m、1096m、1114m标高排水井布设位置，设计拟在尾矿库左岸布设一条排洪主隧洞，尾矿库左岸各排水井配套排水支隧洞与新建排洪主隧洞相连，为减小入库洪水，降低汛期尾矿库的防洪压力，设计结合公司北部排土场排洪要求，于公司北部排土场上游修建一挡水坝，通过一条排洪隧洞与尾矿库新建排洪主隧洞相连，将公司北部排土场上游约3.25km2汇水面积汇集的洪水直接通过排洪主隧洞排泄下游不进入尾矿库。
设计排土场至尾矿库新建永久排洪主隧洞间隧洞断面为B×H=3.0m×3.6m，顶拱中心角120°，最小底坡6%，隧洞均为自由出流，隧洞平均糙率0.03；尾矿库新建永久排洪主隧洞断面为B×H=4.2m×4.6m，顶拱中心角120°，底坡最小底坡5%，隧洞均为自由出流，隧洞平均糙率0.025。
其隧洞自由出流水力计算公式与库内排洪支隧洞相同，经水力计算库外新建排洪设施排泄流量见表-6。
表-6库外新建排洪设施排泄流量表/由表-6计算结果知当库外新建排洪主隧洞内水深达3.8m时，其相应排泄水量为179.59m3/s大于经调洪后所需的最大排泄流量128.48+46.31=174.79m3/s，新建排洪主隧洞设计高4.6m，留有0.8m的安全超高满足安全排泄库区200年~1000年一遇洪水标准的泄洪要求；当新排土场排洪隧洞内水深达2.5m时，其相应排泄水量为53.55m3/s大于公司北部排土场上游1000年一遇到洪水标准所需排泄的最大洪峰流量46.31m3/s，新排土场排洪隧洞设计高3.6m，留有1.1m 的安全超高满足安全泄洪要求。
3.中后期新建永久排洪工程设计及洞内消能工的设计由于目前尾矿库排洪能力不足需新建一套排洪设施与现有排洪系统一起排泄库区上游洪水，保证尾矿库安全泄洪要求。
根据公司对铜街大沟尾矿库中线法废石筑坝加高扩建规划，设计考虑在尾矿库左岸布设铜街大沟尾矿库中后期永久排洪系统。
具体为在尾矿库左岸布设一条排洪主隧洞，在库左岸1042m、1060m、1078m、1096m、1114m标高山体上两座各设置两座排水井，尾矿库左岸各标高排水井配套设置一条排水支隧洞与新建排洪主隧洞相连，为减小入库洪水，降低汛期尾矿库的防洪压力，设计结合公司北部排土场排洪要求，于公司北部排土场上游修建一挡水坝，通过一条排洪隧洞与尾矿库新建排洪主隧洞相连，将公司北部排土场上游约 3.25km2汇水面积汇集的洪水直接通过排洪主隧洞排泄下游不进入尾矿库。
目前铜街大沟尾矿库现有已建排洪隧洞其平均底坡为9%，其间经多次库区强降雨洪水冲刷，发现人工衬砌支护带水流冲刷破坏较大，而无人工衬砌支护地带由于微风化花岗岩抗冲刷性好，且岩石整体性好，该段隧洞未受较大破坏，运行正常。
根据工勘资料及现状地形条件，尾矿库上游北部排土场隧道及主隧道均有大部分地段穿越微风化花岗岩，且隧道上部微风化花岗岩覆盖层厚度较大。
针对中后期排洪隧洞较长、洞底坡较大，洞内水流对人工衬砌支护体冲刷破坏较大，而完整性较好、坚硬的微风化花岗岩则抗冲刷性好，高速水流对其破坏较小的特点，设计为控制隧洞过Ⅳ类、Ⅲ类围岩段高速水流对人工衬砌支护体的破坏，采用洞内设置跌坎消能措施控制隧洞过Ⅳ类、Ⅲ类围岩段底坡的，以便控制洞内水流流速，以保护工衬砌支护体的安全运行。
具体设计为①根据排土场排洪隧洞的布设位置及与尾矿库排洪主隧洞连接点高程，设计在排土场隧洞过微风化花岗岩体、且围岩覆盖层较厚地段设置两段洞内消能跌坎，每段跌坎共设置50级台阶，每台台阶高1m，台阶宽2m，在每段跌坎末端设置一消能池，消能池宽4m，池深2m，池长10m。
通过在洞内设置两段消能跌坎控制排土场排洪隧洞底坡为6%，尾矿库上游排土场排洪隧洞设计长实为1767.9m，较传统设计方案缩短了1597.1m。
②根据中后期排洪隧洞布设及中后期排水井的布设位置及标高，设计在1042m排水井及配套排洪支洞与主隧洞交汇点下游过微风化花岗岩体、且围岩覆盖层较厚地段设置两段洞内消能跌坎，每段跌坎共设置50级台阶，每台台阶高1m，台阶宽2m，在每段跌坎末端设置一消能池，消能池宽4m，池深2m，池长10m。
通过在洞内设置两段消能跌坎控制尾矿库排洪主隧洞底坡为5%。
，尾矿库主隧道设计长实为2931.2m，较传统设计方案缩短了1944.9m该设计方案是利用微风化Ⅱ类围岩段岩石完整性好，洞身整体稳定较好，同时该段岩的抗冲刷性好，在极端洪水情况下发生水流对洞壁的局部冲刷，但不会对该段洞身造成较大破坏致使隧洞坍塌堵塞而使尾矿库排洪能力下降，尾矿坝洪水漫坝而形成严重的溃坝事故。
洞内设置消能跌坎设计方案的优越性在于在隧洞穿越微风化Ⅱ类围岩段时设置洞内效能陡坡跌坎进行消能处理，这样即减小了人工衬砌段隧洞内的流速，又大大的缩短了尾矿库排洪隧洞的整体长度，极大的减小尾矿库排洪设施的投资。
本项目尾矿库排洪采用传统设计方案直接投资达1亿元人民币，而采用洞内消能措施后其本直接投资不到4500万元人民币，不到传统设计方案的一半，其洞内消能设施的优越性是极大的。
６.存在问题及建议（1）本次调洪演算的前提是：施工期临时排洪系统按上游法堆坝，尾矿干滩坡比按1% 进行的调洪演算；尾矿库中后期排洪系统按废石中线法堆坝，尾矿干滩坡比按1% 进行的调洪演算；如果这两项主要条件发生变化、特别是堆坝方式有较大改变时，则应重新进行调洪演算。
