尾矿库排水系统水力计算软件的开发与应用
【摘要】 尾矿库是矿山三大基础性工程之一，是矿山企业生产过程中不可或缺的辅助设施，而排水系统是尾矿库的重要组成部分，对尾矿库的安全运行起着至关重要的作用。通过对排水系统进行水力计算，可确定最终排水系统的断面尺寸、布置方式及各项安全指标，同时为尾矿库的管理提供可靠的依据，确保坝体安全。尾矿库排水系统型式多样，水力计算过程复杂、数据繁多，目前没有一款专门针对尾矿库排水系统的通用计算软件，这为尾矿库的设计管理带来了诸多不便。因此，本文基于MATLAB软件平台，开发专门针对尾矿库排水系统的水力计算软件，主要进行了以下四个方面的研究工作：(1)介绍了尾矿库排水系统的概况以及排水系统的水力计算方法，以此作为程序编写的理论依据。(2)基于MATLAB软件平台以编写M文件的方式编写软件计算程序，通过构建人机交互的图形用户界面，实现数据输入与输出的可视化，并详细介绍了软件的使用方法。(3)以《尾矿设施设计参考资料》中的相关算例为模型，应用所开发软件对其进行水力计算，验证软件计算结果的准确性。(4)选取尾矿库工程实例，应用本文开发的软件对其排水系统进行水力计算，根据计算结果，结合尾矿库相关规范，评定其排水系统能否满足防洪要求，以此检验软件的实用性。本文所开发的软件界面简洁易懂、美观实用，软件计算结果具有较高的准确性，能够为尾矿库排水系统的设计管理提供大量参考数据，具有较高的使用价值，可以应用于实际工程中。
第一章 绪 论
1.1 研究背景
我国疆域辽阔，矿产丰富，是世界上矿产资源最丰富、矿种齐全的少数几个国家之一。矿产资源的开采和利用带动了我国经济的腾飞，近年来随着矿产的开发，尾矿库工程的建造数量不断增加，据统计[1]，我国现有尾矿库也达到12 000 多座，堆放尾矿总计 150 多亿 t，其库容、坝高及数量在世界上都是罕见的，同时，由于对尾矿库的相关研究起步较晚，并且尾矿库的设计和管理也不够完善，导致尾矿库发生事故的频率较高，造成的损失也相对较大。统计资料表明[2]，国内目前只有不到 70%的尾矿库能够正常运行，个别行业处于险、病、超期运行状态的尾矿库接近 50%，这是一个重大的安全隐患。尾矿库一般由初期坝、堆积坝、尾矿输送系统、排水设施组成，库内存有大量的尾矿料和相当量的废水，使尾矿库构成特殊的水工建筑物，是具有高势能的人造泥石流危险源，所以一旦发生溃决，尾矿堆积体将形成泥石流涌出，后果不堪设想。所以它的运行状况好坏，直接关系到矿山和下游人民生命财产的安全[3]。尾矿库在生产运行过程中影响其安全稳定的危险因素有气象因素、地质条件、设计施工及管理等，其中水文气象条件对尾矿库的正常使用有很大影响。降雨会提高库内的水位，导致浸润线升高，甚至坝面含水饱和，降低堆积坝的抗滑稳定性，许多滑塌事故均与降雨有关。同时雨水还会引起坝面的冲刷，破坏并降低坝体的稳定性，甚至在坝面冲成大沟，不少尾矿库均出现过这类情况。大暴雨还可以使山洪暴发形成洪水，若洪水漫顶将会造成严重事故，据相关资料显示[4-8]，在尾矿库溃坝事故中，洪水漫顶导致的溃坝事故占 55%，库水位过高致子坝破坏进而溃坝的占 20%。
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1.2 尾矿库排水系统研究现状
选矿厂筛选矿石后会产生大量“废渣”，即尾矿。尾矿通常与水混合以矿浆状态排至尾矿库，经过一定时间沉淀，排水系统将澄清后的水排走，剩余尾矿沉积在库内贮存。尾矿库排水系统的主要功能一是将库区的尾矿澄清水排到坝外的集水池中，再由泵站进行回水；二是排出集水面积上的洪水，防止洪水漫坝从而导致的溃坝事故发生[10]。在尾矿库排水系统设计时，通常会拟定多种方案，通过对各方案进行水力计算，综合比较后确定最终排水系统的型式、断面尺寸、布置方式等；同时，对尾矿库排水系统的水力计算也为尾矿库的管理提供可靠的依据，管理人员可根据排水设施的泄流量和调洪库容的大小及来水量，做出相应的防护措施，确保坝体安全。所以尾矿库排水系统的水力计算是尾矿库设计中非常重要的内容。尾矿库的排水系统主要由进水构筑物、输水构筑物和消能衔接部分组成。其应用较多的型式为井—管式、斜槽式等。尾矿库排水系统的水力计算需以水动力学理论为基础，涉及孔口出流、堰流、有压管路、明渠水流等水力现象[11-14]。我国对尾矿库的研究起步比较晚，1986 年由《尾矿设施设计参考资料》编写组编写的《尾矿设施设计参考资料》中对尾矿库排水系统的水力计算进行了详细介绍[15]。虽然尾矿库排水系统的水力计算理论比较成熟，但排水构筑物的型式众多，涉及到的水力计算较为复杂，靠设计人员通过手算，则计算量大，工作效率低，容易出错，且计算不够精确。
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第二章 尾矿库排水系统概况及其水力计算基础
2.1 尾矿库及其排水系统简介
尾矿是指矿石经过选矿厂将矿石破碎、磨细、选取有用成分后，剩下的矿渣，也就是矿石提取出精矿后剩余的固体废料，通常是以矿浆状态排出，如不妥善处理,就会大面积地覆没农田污染水系，对周边环境造成严重的危害；同时，尾矿中往往还含有目前尚不能回收的贵重、稀有金属，也不允许随意丢弃，尾矿库就是为科学解决上述问题而建造的各种构筑物的联合系统[18-19]。根据尾矿库所处地形条件的不同，尾矿坝大体上可分为 4 种类型，包括山谷型尾矿坝、傍山型尾矿坝、平地型尾矿坝。按照尾矿排放方式，有干排和湿排之分，目前，国内普遍采用湿排法。按照尾矿堆积方式的不同，可分为：上游法、中线法、下游法、高浓度尾矿堆积法和水库式尾矿堆积法等多种。其中使用上游式堆坝法的尾矿库(如图 2-1)占我国尾矿库的 60%左右，其筑坝工艺简单，便于管理，故被广泛采用[20-21]。纵观尾矿库发生的安全事故，几乎都与库内存水有关，这是因为尾矿库是既储存尾矿又储存水的水工建筑物，水的存在使尾矿库工程的岩土力学问题更加复杂化。影响尾矿库稳定性的主要因素有：初期坝及堆积坝的物质组成及其物理力学性质；坝体的几何参数如：坝内外坡比、坝高、库内水位、干滩长度等。除初期坝的物质组成、堆积坝外坡比参数由设计明确规定外，其他因素均是随着坝体的加高、矿浆的排放等动态变化的，而且这种变化均与水的作用有关，例如：尾矿坝的干滩坡度是由矿浆的浓度和流量决定的，导致不同的地层分布具有不同的物理力学性质；库内的水位随着大气降水、堆积坝的升高、矿浆排放量的变化而改变，并导致库内浸润线位置及堆积尾矿的物理力学性质发生变化，进而影响整个坝体的变形和稳定性；处于浸润线水位线附近的饱和砂土、粉土在地震作用下将会液化，从而导致坝体失稳[22]。由此可见，水是影响坝体变形与稳定性的关键因素，所以必须控制得当，才能保证尾矿库的安全运行。
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2.2 排水系统的水力计算
尾矿库的防洪能力通常是由洪水的来水量、排水系统的泄流能力和尾矿库调洪库容决定的。当尾矿库的调洪库容足够大，可以容纳下一场暴雨的洪水总量时，，排水构筑物可做得较小；当尾矿库没有足够的调洪库容时，排水构筑物要做得较大，工程投资费用较高，需要通过对排水系统进行水力计算，才能准确判断尾矿库的防洪能力，合理的确定排水构筑物的型式、布置方式、断面尺寸等。水力计算的任务及步骤一般如下：
(1)洪水计算。根据我国现行的设计规范确定尾矿库的防洪标准，由尾矿库所在地的水文手册选取适当计算公式，并查取相关水文参数，求出尾矿库不同高程汇水面积的洪峰流量、洪水总量以及洪水过程线，此过程称为洪水计算[31]。
(2)泄流量的计算。排水系统的泄流能力计算是尾矿库工程设计的重要内容。在尾矿库排水系统设计时，需要掌握其泄流特征及泄流能力，为尾矿库排水系统的设计提供相关参考。此计算过程需要根据拟定的尾矿库排水系统方案和水力学计算公式，查取相关参数，分别计算出尾矿库排水系统在不同流态下，各个库水位的泄流量，供尾矿库调洪演算使用。
(3)调洪演算。尾矿库调洪演算的目的是判断所拟定的排水系统是否满足规范要求，以确定排水系统的最终设计方案。首先根据尾矿沉积滩堆放的坡度以及尾矿库周围山体实际地形求出不同高程的调洪库容。由洪水计算及泄流量计算的结果，依据水量平衡公式进行库内调洪演算。
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第三章 软件的开发.......22
3.1 概述 ....22
3.1.1 软件开发的目的 .......22
3.1.2 软件开发的语言及环境 .......223
.1.3 软件的计算流程 .......23
3.2 软件程序的编写 ........24
3.3 软件界面制作 ......29
3.4 软件的使用方法 ........33
3.5 本章小结 ........40
第四章 软件验证.....41
4.1 井—管式排水系统泄流量算例 ........41
4.2 斜槽式排水系统泄流量算例 ......54
4.3 调洪演算算例 ......59
4.3.1 《尾矿设施设计参考资料》中的计算结果 .....60
4.3.2 软件计算结果 .....63
4.4 本章小结 ........67
第五章 工程应用.....68
5.1 井—管式排水系统 ....68
5.2 斜槽式排水系统 ........75
5.3 本章小结 ........81
第五章 工程应用
5.1 井—管式排水系统的应用
某尾矿库位于河北省承德市某沟谷内，为一山谷型尾矿库。设计总坝高为160 m，总库容 4 431.1 万 m3，等别为二等。现状尾矿坝滩顶标高约为 583.35 m，总坝高为 93.35 m，等别为三等。现状库内水位标高为 570.46 m，滩长最短 239 m，对应沉积滩平均坡度约为 5.4%。图 5-1 为该尾矿库地形图。排水系统采用井—管式。沿纵向沟谷布设 4 座窗口式排水井，1～3 号排水井的井身高度为 21.0 m，4 号排水井的井身高度为 11.0 m，排水井的井筒直径均为 2.25 m，每排 12 个直径 0.25 m 进水窗口，窗口中心垂直间距 0.5 m。井与井之间通过内径 1.4 m 的现浇钢筋混凝土排水管连通，管长 1 736 m。管线转点设7 座转流井。排水管出口处设置 15 m×5 m×3 m 消力池和集水池各一座，集水池旁设回水泵站。排水系统平面布置如图 5-1 所示，纵向布置如图 5-2 所示。目前该尾矿库使用 4 号排水井进行排水，图 5-3 为排水井结构示意图。
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结论
尾矿库的排水系统对于尾矿库的安全运行十分重要，设计人员在设计排水系统时需要对其进行水力计算，以最终确定最终排洪系统的布置方式、形状尺寸。而排水系统的水力计算是一个繁琐复杂的计算过程，到目前为止，还没有一款专门针对的尾矿库排水系统的水力计算软件，本文从根本上解决了这一问题，开发研制出了尾矿库排水系统水力计算软件，其界面布局合理、美观实用。本文主要工作包括：
(1)理论介绍。介绍了尾矿库排水系统的类别型式，搜集尾矿库排水系统水力计算的相关资料，整理计算公式，系统介绍了尾矿库排水系统水力计算方法，并对相关参数进行了优化处理。
(2)开发软件。基于 MATLAB 软件平台，开发尾矿库排水系统水力计算软件，实现水力计算的智能化。采用面向对象的程序设计思路,构建人机交互的图形用户界面，将所编程序构建为一个系统，实现软件的可视化，并详细介绍软件可实现的功能及使用方法。
(3)模型验证。选取《尾矿设施设计参考资料》中的相关算例作为模型，应用所开发的软件，对其排水系统进行水力计算。通过对比《尾矿设施设计参考资料》的计算结果与软件的计算结果，验证了利用所开发软件进行水力计算的准确性。
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本文编号：11819
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