張樹茂

（礦冶科技集團(tuán)有限公司）

金屬和非金屬礦山開采出的礦石經(jīng)過選礦后產(chǎn)生的尾礦需排放至尾礦庫(kù)進(jìn)行堆存。隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，尾礦庫(kù)的堆壩高度越來越高，匯水面積越來越大，尾礦庫(kù)繼而形成了一個(gè)高位泥石流危險(xiǎn)源，尤其是在雨季，庫(kù)區(qū)水位上漲，如果不能滿足調(diào)洪演算的要求，尾礦庫(kù)將面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)潰壩［1-3］。因此，對(duì)尾礦庫(kù)開展洪水計(jì)算及調(diào)洪演算至關(guān)重要，而傳統(tǒng)算法計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，精度相對(duì)較低。為此，本文采用Visual Basic語(yǔ)言［4］，自主開發(fā)了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的調(diào)洪演算計(jì)算程序，利用曲線插值、反復(fù)迭代的算法，實(shí)現(xiàn)了洪峰計(jì)算、洪水過程線推算、小流域、h差精細(xì)調(diào)洪演算的功能，且應(yīng)用前景廣闊。

1 計(jì)算原理介紹

1.1 洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50863—2013）［5］的規(guī)定，尾礦庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)見表1。

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1.2 洪水計(jì)算

該程序洪峰流量采用概化推理公式計(jì)算，即

式中，Qp為設(shè)計(jì)頻率p的洪峰流量，m3/s；Sp為頻率為p的暴雨雨量，mm；F為壩址以上的匯水面積，km2；L為由壩址至分水嶺的主河槽長(zhǎng)度，km；m為匯流參數(shù)；J為主河槽的平均坡降；μ為產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)流域平均入滲率，mm/h；A、B、C、D為最大洪峰流量計(jì)算指數(shù)；τ為流域匯流歷時(shí)，h；n為暴雨遞減指數(shù)（當(dāng)τ≤1時(shí)，n=n1；當(dāng)τ＞1時(shí)，n=n2）。

洪水總量按下式進(jìn)行計(jì)算

式中，W24p為歷時(shí)24 h頻率p的洪水總量，m3；a24p為與歷時(shí)24 h相對(duì)應(yīng)的洪峰徑流系數(shù)；H24p為歷時(shí)24 h頻率p的降雨量，mm；F為流域匯流面積，km2。

1.3 洪水過程線推算

小流域的設(shè)計(jì)洪水過程線多簡(jiǎn)化為某種形式［6］，常用的有三角形概化過程線和五點(diǎn)概化過程線。三角形概化過程線計(jì)算簡(jiǎn)便，但洪峰過分集中可能脫離實(shí)際情況。該程序采用五點(diǎn)概化過程線進(jìn)行推算，計(jì)算原理見圖1。

計(jì)算公式如下：

式中，tA為主峰概化過程線的起點(diǎn)時(shí)程坐標(biāo)；tF、to、tG分別為Qa、Qp、Qb的時(shí)程坐標(biāo)；tB為主峰概化過程線的終點(diǎn)時(shí)程坐標(biāo)；Ka、Kb、KT、Kw為過程線的形狀特征系數(shù)。

1.4 泄流能力計(jì)算

對(duì)于排水井+排水隧洞型式，泄流能力計(jì)算公式如下。

自由泄流：

式中，Q為泄流量，m3/s；nc為同一個(gè)橫斷面上排水口的個(gè)數(shù)；m為堰流量系數(shù)；ε為側(cè)向收縮系數(shù)；bc為一個(gè)排水口的寬度，m；Hy為溢流堰泄流水頭，m。

水位淹沒井口：

式中，Q為泄流量，m3/s；φ為孔口流量系數(shù)；ωs為井口水流收縮斷面面積，m2；Hj為井口泄流水頭，m。

半壓力流：

式中，Q為泄流量，m3/s；Fs為排水管入口水流收縮斷面面積，m2；H為計(jì)算水頭，m；λj為排水井沿程水頭損失系數(shù)；L為排水井內(nèi)管頂以上的水深，m；d為排水井內(nèi)徑，m；ξ2為排水管入口局部水頭損失系數(shù)；ξ3為排水井中水流轉(zhuǎn)向局部水頭損失系數(shù)；ξ4為排水井進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)；ξ5為框架局部水頭損失系數(shù)；。

壓力流:

式中，Q為泄流量，m3/s；Fx為排水管下游出口斷面面積，m2；Hz為計(jì)算水頭，m；λg為排水管沿程水頭損失系數(shù)；L為排水管計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m；D為排水管計(jì)算管段的內(nèi)徑，m；ξ為排水管線上的局部水頭損失系數(shù)；ξ2為排水管入口局部水頭損失系數(shù)；ξ3為排水井中水流轉(zhuǎn)向局部水頭損失系數(shù)；ξ4為排水井進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)；ξ5為框架局部水頭損失系數(shù)；；。

明渠流：

式中，A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；C為謝才系數(shù)。

1.5 水量平衡計(jì)算

尾礦庫(kù)調(diào)洪演算依據(jù)洪水過程線、排水構(gòu)筑物的泄水量以及調(diào)洪庫(kù)容關(guān)系曲線，通過水量平衡計(jì)算求得。尾礦庫(kù)內(nèi)任一時(shí)段△t的水量平衡方程式為：

式中，Qs、Qz為時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的來洪流量，m3/s；qs、qz為時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的泄洪流量，m3/s；Vs、Vz為時(shí)段始、終尾礦庫(kù)的蓄流量，m3。

2 程序運(yùn)行界面

該程序依托Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，采用Windows界面輸入，十分方便直觀，只需輸入一些簡(jiǎn)單的參數(shù)，便可快速輸出結(jié)果。結(jié)果視圖可平移、縮放、復(fù)原，并可將計(jì)算結(jié)果以數(shù)據(jù)文件形式進(jìn)行保存，方便查看，具有輸入、輸出可視化，界面友好，計(jì)算速度快，精度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)。洪水計(jì)算和調(diào)洪演算運(yùn)行界面見圖2。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

某尾礦庫(kù)匯水面積5 km2，主河槽的平均坡降0.08，主河槽長(zhǎng)4.2 km，24 h平均降雨量120 mm，n1=0.55，n2=0.75，Cv=0.55，Cs=3.5Cv，排洪系統(tǒng)采用排水井+隧洞形式，排洪系統(tǒng)泄流能力曲線見圖3，調(diào)洪庫(kù)容曲線見圖4。

結(jié)合已知參數(shù)，在程序界面簡(jiǎn)單輸入，即可快速完成計(jì)算并實(shí)時(shí)輸出結(jié)果，計(jì)算及結(jié)果輸出過程見圖5。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的調(diào)洪演算計(jì)算方法每一時(shí)段都需要經(jīng)過大量的假定、試算、反復(fù)迭代過程，計(jì)算工作量很大，最后還要整理計(jì)算結(jié)果并繪制相關(guān)曲線，工作量大，效率較低。該程序基于Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，提供了簡(jiǎn)捷的操作界面并可實(shí)時(shí)輸出結(jié)果圖形及數(shù)據(jù)文件，使用計(jì)算機(jī)即可完成上述繁瑣復(fù)雜的洪水計(jì)算及調(diào)洪演算工作，具有輸入、輸出可視化，界面友好，計(jì)算速度快，精度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)，節(jié)省了大量的人力，具有較好的應(yīng)用前景。