高尾矿坝塔式进口竖井排洪道的泄流能力

金 属 矿 山 总 第 期 ’ 年 第 期 高尾矿坝塔式进 口 竖井排洪道的泄流能力 河海大学 王世夏 介绍了用于高尾矿坝的具有圆形框架式进水塔的竖井排洪道泄流能力模型试验研究 。 基于大量试 验实测资料 , 考查了影响泄流能力的几何边界条件和水力因素 , 给出了这种排洪道以环形堰流 、孔流 、孔 堰多层流以及有压管流等各种流态运行时泄流能力计算公式 。 关键词 高尾矿坝 竖井排洪道 团形框架式进水塔 泄流能 力 毛 , , , , 一 , · 作为高尾矿坝的泄洪设施 , 我国冶金矿 山 目前多采用一种具有框架塔式进 口 的竖者排洪 道 。 这种高水头泄水建筑物一般 由圆形框架式 进水塔 、 带喇叭 口 的圆断面竖井和 圆断面出水 隧洞三部分组成 。 这种排洪道与水利工程中传 统的竖井溢洪道相比 , 在建筑物的轮廓形态 、运 行方式和泄流特性等方面都有很大区别 传统 的竖并溢洪道进 口有固定的坎顶高程 , 无论是 用曲线实用堰或斜面宽顶堰 , 无论堰上是否设 闸门 , 都以环形堰方式进水 。而高尾矿坝的竖井 排洪道的进水塔是由一系列轴对称分布的立柱 和不等高间距分布的水平圈梁所构成 , 梁柱交 错围成的多层 、 多孔分布于不同高程 , 并随着尾 矿坝的升高不断封堵下层孔 , 启用上层孔而改 变着进水坎顶高程 。 传统的竖井溢洪道泄流特 性一般以环形堰流控制泄流能力作为正常设计 工况 , 并以 自进 口 至 出 口 的全程有压流作为最 大泄流能力的校核工况 , 而高尾坝的竖井排洪 道 , 随运行水位和进水坎顶高程的不同 , 仅就进 塔水流流态而言 , 即有环形堰流 、 孔流 、 孔堰双 层流 、 多层流之分 , 井洞 内流态则既可为有压 流 , 更多为无压流 , 后者还常伴有强烈掺气 , 从 而有抗空蚀的效果 。 由于上述竖井排洪道流态的复杂性 , 以往 又无成熟的研究成果 , 故工程单位建设这种排 洪道主要靠经验 , 缺乏一套水力设计方法可循 。 本研究以太钢峨 口铁矿尾矿坝泄洪系统中上述 型式的排洪道为典型 图 , 对其运行流态 、泄 流能力 、 压强分布与空蚀可能以及井下消能情 况进行了全面 、 系统的模型试验研究 。 该排洪道 自进水塔顶至隧洞 出 口 的最大工作水头超过 , 模型几何比例尺选为 , 用有机玻 璃精工制成 , 同时满足了水流重力相似和阻力 相似的要求 。模型研究成果不仅用于峨 口铁矿 , 基于大量实测资料分析所得水力特性定量规 律 , 对其它类似工程也具普遍实用意义 。 运行工况与实测成果 通常情况下高尾矿坝的竖井排洪道都由进 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总 第 期 金 属 矿 山 年 第 期 排洪道在上述三类工况下的泄流能力特性 , 以 原型流量与库水位关系 或流量与进 口坎顶水头关系 一 表示的实测成果 , 共包括 组样本数据 , 反映在图 一 中 。 这些丰富的资料包含了环形堰流 、孔流 、孔 堰双层流 、 多层流以及受井 、 洞控制的有压管流 等各种泄流方式 。 根据上述资料作数据处理和 回归分析 , 以求得普遍实用的泄流能力计算公 式 。分析将按流态的不同情况 , 先从高位单纯环 形薄壁堰溢流进行分析 , 获得其堰流流量系数 公式 , 进而考虑低位进水时的堰高修正 、 堰顶尺 寸相对水头不符合薄壁堰条件时的堰型修正 堰流规律掌握后 , 再 由孔堰双层流实测资料分 析得孔流部分泄流能力与流量系数 , 从而以塔 本身控制泄流为前提的各种情况下泄流能力公 ,曰月电人 履履履腮腮叼叼叼叼 加加加心心份份呵呵皿皿鱿鱿尽尽叨叨叨叨叨叨兀兀兀兀 叨叨丑丑」」可可可可可可可可 邻邻邻邻邻邻邻邻邻邻 守守 鄂鄂鄂,, 无无无无无无无 」」」亡亡亡 口口口口口 力力力力 ‘ ’’’’’ 一 柱截面矩形 。 。 一 剖面 图 峨 口 铁矿尾矿坝的竖井排洪道形态 口框架塔控制其泄流能力 。 但随着尾矿坝的上 升 、 库水位的抬高 以及塔身各层孔 自下而上的 封堵和启用 , 还可划分三类典型控制工况 低位工况 。 即以塔周最下层孔 口底坎 竖井喇叭 口 上 口 为进水坎顶 图 中坎顶高 程为 , 且该坎顶 以上各层孔 口 均不封 堵的各种水头运行工况 。 高位工况 。 以最上层孔 口 底坎为进水 坎顶 图 中其高 程 为 的运 行工 况 。 堵板顶过水工况 。 堵板封孔过程中 , 某 层孔 口 尚未完全封闭而来洪 , 不得不以堵板顶 为进水坎顶 的运行工况 峨 口 铁矿排洪道试验 中典型过水堵板顶高程为 。 根据大量试验观测 , 峨 口 铁矿尾矿坝竖井 八 进水塔低水位运行时实测泄流能力曲线 卜 ⋯ ﹄匕︸阴图 顺毗髓 进水塔高水位运行时实测泄流能力曲线 书呀旧泞比托飞︸ © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总第 期 年 第 期 衬 。 有关 材 一 华 一 。 。 华 乙 按实测样本数据回归分析得 。 、 · , 故高位环形薄壁堰流量系数为 材洲 · 二吞竺“ 曰 ” 人 ’ “ ”“ ‘ “ 低位工况的流量系数较高位工况的流量系 数大 , 这是 由于前者水流径向汇落竖井所受的 阻力较小 。在相同 占和 。 条件下 , 将两者对比 , 后 者 减 前 者 之 差 设 为 么 户, 则 。麟 尸 口 , 根据实测资料进行多项式回归得 巨僵 。﹃ 图 进水塔堵板顶过水运行时实测泄流能力曲线 式都可得到 。对于泄流 已转变为受竖井 、 隧洞控 制的有压管流情况 , 也可据实测资料 图 求 取流量系数和水头损头系数 , 用 以估计这种排 洪道的极限泄流能力 。 进水塔控制的泄流能力 进水塔环形堰堰流 进 水塔环 形 堰 自由堰 流公 式 可 一 般 写 成 , 〕 一 材‘ 了乏万 。 材白 二尺 一 了豆诬万。 , ‘, 式中 。 —环形堰溢流量。 —库水位与堰顶之间的水头 —净溢流长度 , 二 一 —进水塔外缘半径 —立柱个数 —立柱环向厚度 —重力加速度材曰 —环形堰综合流量系数对于本研究塔型 , 不妨写下列函数 尸 尸 一 艺 , 下下一 , 尸 似 , 一 八了 , 瓦 ’ 瓦 式中 尸 —堰高 , 即进水坎顶与塔基的高程 差 占 —堰顶径向尺寸已有的试验研究成果表明 , 堰高 对 材‘ 的影响发生在 尸 较小时 , 同时 , 作为薄壁堰 运行的条件是 创 。 , 〕, 这样 , 材‘仅与 一 。 · 。。 ‘最, ‘ , ‘ 、 , 尸 , , 、 , 。 、 令 乙 , 一 , 解关于分 的方程得正根为可 一‘ ‘’ ” ’ 盯 尸 、 。 目 夕 一 ’、 一 ‘卜 , 它反映了框架式进水塔环形堰流计算公 式须考虑堰高影响的最大范围 , 即对于 , 的低位环形堰 , 流量系数可由高位环形 堰 流 量 系 数 加 上 式 的 。入‘ 得 到 对 于 , 的环形堰 , 则取 乙材尸 。 式 对 尸 , 求导并令其为零 , 可知当 尸 。 一 时 得 乙材户 的 最 大 值 为 , 表 明 使 环 形 堰 运 行 于 尸 。 附近 , 将能得到最大的流量系数 ‘ 对 浏 。 的环形薄壁堰 已作 出分 析 , 对 创 。 时的流量系数应计及刃 。 的影响 。 因此 , 实测流量系数与式 或式 、 计算所得流量系数之差设为 乙材公, 则应有 。从 一 了 占 。 一 。根据实测资料进行非 线性 回归分析得 △从 一 。 。 。 具 一 。 。· 。 一‘ 。 , · “ ”“ ‘ “ “ 。 所 以 , 表征框架塔环形堰 自由溢流能力的 综合流量系数可统一概括为 风 一 。 华 丈 乙材尸 乙材云 乃材 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总 第 期 金 属 矿 山 年 第 期 , 尸 、 尸 勺 十 艺 , 仁丁厂 一 , 〔 , ‘了 , 才 叨 尸 。 。 一 。 习 , 风 丫厄万 , 十 习丙 、 厂之、 , 。、 一 一 舟‘ 了酥瓜 山 一 。 。。。 弃 一 。 。· , , , ‘ “ ’ “ ‘ “ 、 二 “ ‘ “ ‘ 产 占 。 占 。 环形堰的任何 自由堰流情况 , 根据其几何 尺寸与运行水头 , 可用式 、 求得流量 。 进水塔环形孔孔流和孔堰多层流 进水塔除以单纯环形堰流方式过水外 , 还 以孔流 、孔堰双层流乃至多层流过水 。 后者流量 不妨视为堰流与一层孔流或多层孔流的叠加 。 根据水力学理论 , 进塔孔流过 流能 力及流 量系数应写成下列形式‘, 二 式中 习 ‘ 一 各层孔流流量之和 沁 —第 层孔流流量系数‘ —第 层孔 口垂直净高‘ —第 层孔 口 中心水头竖井和隧洞控制的有压管流泄流能力 对受井 、洞控制的有压管流泄流情况 , 实测 结果见图 。有压管流泄流能力可写成 。 一 产 。 了菇面二 勺 式 中 又 。、 里 又 黑 竺一 叭 一 七 八 田 。 一 , 丫舀藏 、 一 , “ · 氏 式中 —孔 口垂直净高 , 即过水坎顶与 其上圈梁底面之高差 。 —孔 口 高度中点 尸 处承受 的水头 。 —孔流流量产。 —流量系数、 —待定系数取低位工况和堵板顶过水工况的双层流实 测资料 图 、 进行分析 , 总 流量 一 。 。 , 而 。 可按式 和 算出 、则 。 一 。 。 —出 口 断面积 一进 口 上游水位至 出 口 断面 中心的总水头 自由出流 产。 —流量系数泞‘ —某一局部水头损失系数、 —某一流段长度叭 —断面积、 —水力半径‘ —谢才系数 、产、、户六匕了、了、 。 。 了丽万 由此整理 出 产。 与 。 回 归 分 析 求 得 一 , 从而 的对应样本数组 , 进行 一 、 、 一 一 弄 所以 , 环形孔堰多层流的流量计算公式为 峨 口铁矿尾矿坝水头 , 应取上游库水位 减 去隧洞 出 口 断面 中心高程 之 差 , 。 为隧洞 出 口 断面积 , 根据水 位 一 又 即 , 一 的典型有压流实测资料 , 可求得 产 , 一 , 对 应 流 量 一 。 在图 所示型式的竖井排洪道中 , 可将竖井 等截面顶端高程 以上作为进 口段 , 水 流经框架塔和喇叭 口 的全部水头损失作为进 口 损失 , 以该顶端断面流速水头的比例数表示 , 定 义为进 口 水头损失系数 泞。 。 另外一个局部水头 损失发生在竖井与隧洞交接处 , 该处竖井下部 戈下转第 页 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总第 期 金 属 矿 山 年 第 期 下 , 力争提高精矿产量 。 小型磁选厂一般为一段或两段磨矿 、选别 流程 , 这样的流程也可以生产高品位铁精矿 , 但 要处理好质量和产量关系 按较高品位组织生 产不一定获得高效益 , 按较低品位组织生产也 不一定获得高效益 , 特别是不要通过一段细磨 来生产较高品位的精矿 。 结 语 地方铁矿 , 尤其是地方小铁矿选矿厂的设 计 、建设与生产有其 自身的特点 , 邯邢矿 山局设 计研究院在放马峪选矿厂设计 、 建设与生产中 , 深化了对上述几个间题的认识 。 破碎 、 筛分作业 作为磨矿作业的前序作业 , 对保证磨矿 、选别作 业的生产有很大关系 , 多碎少磨要通过尽量少 的投资和营运费用来实现 。 过滤系统的配套不 仅有技术上的需要 , 在经济上也证明是可行的 。 在组织生产过程 中 , 要处理好质量与产量的关 系 , 质量高不一定效益最好 , 放马峪选厂生产实 践表明 , 当精矿 品位大于 “ 时 , 会使尾矿品 位 升高 , 回收 率 降低 , 所 以 放马 峪选 厂 根 据 “ 写的精矿 品位组织生产 , 通过提高产量来提 高经济效益 。 收稿 日期 召召妞召越弓屯公召公召各屯召忿冬越心召召召 屯心移写屯召吕 移忿习召弓 哎召健召习召 习住之召召召之召名写越召忿召赵心召召忿召屯召妞召赵弓名弓召召感容召召弓心弓召健召弓侣毯召屯召习曰 上接第 页 还有消力井 , 可定义此交接段局部水头损失系 数为 乞 。 由于竖井以及隧洞各断面都为与隧洞 出口断面相同的圆断面 , 故各断 面 。‘ 。 , ‘ 。 按曼宁糙率 , 可求各个 ‘ 一 或阻 力系数 又一 口 , 式 可写成 产 , 式中 久 , 七, 七, 十 一丁 王 —竖井全高 —隧洞全长上式也可改写成局部水头损失系数之和的 表达式 心, 十 叮 甲飞 产户 几 一 一 一下 十 “ 在本项研究中 产。 , , 可得 妥, 泞, , 几 , , 不同公式计算 , 笼统采用环形堰流公式和单一 的流量系数是不妥的 。 类似图 所示型式的竖井排洪道的合 理运行流态应当是 泄流能力控制于进水塔环 形堰 自由堰流或 自由孔堰多层流 塔内水冠不 达进水坎顶高程 竖井内为掺气无压流或掺气 满流 通过竖井下部消力井的消能以及竖井与 隧洞交接处近 锐缘转折的强烈偏流作用 , 隧洞内流态成为有 自由水面的掺气无压流 。 为 保证发生上述流态 , 按本项试验研究 , 对塔 、井 、 洞轮廓尺寸设计以及建成后运行方式 , 建议进 水塔半径大致与竖井 、 隧洞的直径相等 井 、 洞 同直径 , 相交近垂直 , 但洞内纵坡仍应大于临界 坡 消力井可设计成竖井的下延段 , 深度不小于 排洪道泄流运行时应使进水坎顶 以上水 头小于进水塔半径 。 参 考 文 献 平均值为 , 这就是说 , 以有压管流方式 泄水 时 局 部 水 头 损 失 系数 之 和 可 近 似 取 , 相应 产 , 平均值为 。 结 语 目前多为冶金矿 山高尾矿坝泄洪系统 采取的框架式进水塔的竖井排洪道有多种运行 工况和过水流态 , 不同状态下的泄流能力应按 斯里斯基 高水头水工建筑物的水力计算 北京 水 利电力出版社 , 武汉 水利 电力学院 · 水力计算手册 北京 水利 出版社 , 华东水利学院 水工设计手册 , 第六卷 北京 水利 电力 出版社 , , 收稿 日期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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