尾矿库排水构筑物的设计

尾矿库排水构筑物设计
一、排水构筑物的类型
（一）、排水构筑物的类型及布置
1、井-涵洞（隧洞）式排水系统
2、斜槽-涵洞（隧洞）式排水系统
3、开敞式溢流道
4、分洪截洪式
（二）进水口形式
1、塔式
2、斜槽式
3、开敞式
（三）、输水部分形式
1、隧洞式
2、涵洞管式
3、陡坡明渠
（四）、出口形式
1、挑流式
2、底流消能
二、排水构筑物的布置
排水构筑物的布置的一般原则：
（1）选择良好的地形条件和地质条件，以节省处理费用；
（2）应以长度最短为宜；
（3）应按排水流量和跌差区分流速范围，当高流速时，应满足高流速的相应要求；
（4）交通方便，有利施工和管理；
（5）出口布置应有利于环保要求，便于水质处理。

一般应位于工业、民用水的下游；
（6）应考虑沟道的行洪能力，且和下游河道衔接简单可靠。

进水口位置选择：
进水口位置应能满足尾矿库不同使用阶段的防洪安全和水质澄清要求。

它和堆积坝（包括主坝和付坝）之间的距离、高差应能满足滩长（规范要求的最短距离）、安全超高（规范要求的最小超高）、澄清距离、调洪库容、调蓄库容等的要求。

三、排水构筑物的水力计算
（一）排水井的水力计算
1、框架式排水井的水力计算
（1）泄洪能力计算
堰流：Q=ML（2g）1/2H1.5
孔流：Q=2/3μb（2g）1/2（H21.5-H11.5）
Q-流量系数；
H-进口水头；
L-溢流长度；
μ-流量系数（对孔流）；
b-孔口宽度；
H1，H2-孔口顶部和底部的水头。

各种不同情况的流量系数
a、圈梁与拱板齐（堰流状态）：
L=πd－tn
d-进水圈直径；
t-立柱宽度；
n-立柱个数。

B、拱板在圈梁之上0.9m处（拱板高度0.3m，圈梁间距3m）（堰流状态）L=πd－tn
d、t、n各值有可能改变。

C、拱板在圈梁之上2.1m处
水头较低时：拱板顶溢流同b；
水头增加一定时：圈梁与拱板间为孔流；
水头再增加时：圈梁顶部也进水，为孔流与堰流混合。

D、塔顶全部周长溢流
此时溢流长度L=πd
2、窗口式排水井的水力计算
（1）全淹没窗口井自由流泄流量公式
Q=2.7n cωc∑（H i）0.5
N c-同一横断面上的窗口数；
ωc-一个排水窗口的面积；
H i-全淹没窗口的计算水头。

（2）非淹没窗口井自由流泄流量公式
Q=n c AD c2.5
A-圆孔堰流系数，以H/D C值查表，取最大值为1.5；
D C-排水窗口直径。

注：以上为赵景程提供的公式。

3、砌块式排水井的水力计算
排水塔进水流量公式的选择
塔径及井径的确定
塔径及井径按以下公式确定：
H/R＜0.9
Q=0.5d2(2g×0.9H2)0.5
Q-泄流量；
H-堰上水头；
R-塔径；
d-断面直径；
H2-上游水头至所论断面间的高差；
其中0.9H2表示为入射流收缩、摩阻、纵向变形损失之和。

（二）消力井（池）的水力计算
消力井计算无合适公式，可按直落式跌水的经验公式估算，也可参照以成工程的经验确定。

1、落差100m，流量22m3/s，消力井深4.8m；
2、落差142m，流量22m3/s，消力井深6.0m；
3、落差21.5m，流量57m3/s，消力井深1.63m；
4、落差14m，流量20m3/s，消力井深1.00m；
（三）涵（隧）洞的水力计算
隧洞流态设计
按明流隧洞设计，进口呈宽顶堰流态，洞身比降按陡坡设计，即隧洞比降i＞i k（临界坡降），进口水深为h k（临界水深），洞后为正常水深h0，通过推算水面线由h k变为h0的长度约为60m（从水工试验得出）。

1、正常水深h0
按明渠公式计算，
Q=C（Ri）0.5
C=1/n×R y
y可取1/6；
n-粗糙率；
R-水力半径，W/X，W为断面积，X为湿周，即过水边界周长；
i-隧洞坡降；
通过计算得出R值，由R值计算出X值，进而算出h0。

2、临界水深h k
按下式计算临界水深h k
（αQ2）/g=(W K)3/B K
式中，α- 动能系数，一般取1.05~1.1
对矩形断面
h k=（αq2/g）1/3
q-单宽流量，q=Q/B K
X K=B K+2 h k
W K= B K h k
R K= W K/ X K
加下标k表示临界水深时对应的各参数。

（四）排水斜槽的水力计算
1、排水斜槽的形状
斜槽多为矩形，槽顶为一活动盖板，随着尾矿滩面和水位的上升，盖板逐一盖上，库内尾矿面低于最上一块盖板高程，泄洪时水位高程高于盖板高程。

2、排水斜槽进水流态
进水时，既有盖板顶部的进流，又有二边侧墙变水头的进流，流态十分复杂，水流互相干扰，根据广东石人嶂钨矿梅坑尾矿库斜槽进水水工模型试验的结果，斜槽泄流的流态主要分为堰流、堰孔过渡、孔流三种流态，各种流态的界限和流量经验公式见下表。

1、堰流：
当H/D＜0.795时，斜槽泄流的流态表现为堰流，流量经验公式为：
Q=0.196（g）H03/1.2
当0.795＜H/D＜0. 95时
Q=57（H0/D）5.6
2、堰孔过渡：
当0. 95＜H/D＜1.198时
Q=3.656H01.78
3、半有压孔流：
H/D≥1.198
Q=13.655H00.927
Q=mφ（2g（H0-10.708-2i D））0.5
式中，mφ-孔流流量系数，查mφ-H/D的关系曲线；
D-涵洞高度，m；
W-涵洞断面积，m2；
H-从涵洞底算起的水头；
H0-从涵洞低部高程算起的水头，包括行进水头。

3、排水斜槽进口进水能力计算
（1）进口进水能力计算
当H/D≤1.0时，采用侧堰公式，
Q=mb(2g)0.5H11.5
式中，H1-从侧墙算起的水头，一般不考虑行进流速；
m-流量系数，取0.19；
b-进水前沿长度，b=iH
当H/D≥1.2时，半有压孔流，采用半有压洞的流量公式，
Q=μW(2g（H0-ηD）)0.5
式中，μ=0.576，η=0.715
应当指出，由于堰孔过渡无合适计算公式，按孔流和堰流分界值计算内插。

（五）溢洪道的水力计算
（六）压力洞的水力计算
四、排水构筑物结构设计
（一）设计的一般规定
1、材料
2、基本计算规定
（二）排水塔结构设计
1、排水塔的形式
2、荷载及其组合
荷载的种类
作用于排水井的荷载分为基本荷载和特殊荷载二类。

基本荷载：风载、自重、尾矿、澄清水的压力和浮力；
特殊荷载：地震荷载。

组合
（1）排水井已建但未投产使用时
1）风荷载+自重；
2）25%风荷载+自重+地震惯性力
（2）排水井已建且井周无尾矿，但井外蓄满水时
1）井露出水面部分的风荷载+自重+水重+水的浮托力；
2）25%露出水面部分的风荷载+自重+地震惯性力+地震动水压力+水的浮托力+水重。

（3）排水井四周已放满尾矿，井周围为饱和尾矿
1）井露出水面部分的风荷载+自重+饱和尾矿重+水的浮托力+饱和尾矿的水平压力；
2）25%露出水面部分的风荷载+自重+地震惯性力+液化后尾矿的动压力+水的浮托力；
3）25%露出水面部分的风荷载+自重+地震惯性力+液化后尾矿的动压力+水的浮托力+高出尾矿面的水压力及地震动水压力。

荷载计算
（1）风荷载计算
W=βK f K z W0
式中，W0-基本风压值，查建筑设计荷载规范；
K z-风压高度变化系数，查风压高度变化系数表；
K f-风载体型系数，体型为：圆形截面取0.6
正方形或多边形取1.3
框架式支承梁、柱取1.3
β-风震系数，根据构筑物的自振周期从风震系数-β表中查取；
构筑物的自振周期：
a、钢筋混凝土窗口式排水井
T=0.45+0.0011（H2/D）
b、砖石排水井
T=0.26+0.0024（H2/D）
C、框架式排水井
T=0.35+0.039（H/B1/3）
式中，T-构筑物自振周期，s；
H-构筑物（排水井）的总高度（从基础顶面算起），m；
D-井筒平均外径，m；
B-为验算方向的宽度，m。

注：山区的基本风压可以根据邻近地区的风压乘调整系数确定：山间盆地、谷地等闭塞地区，取0.75~0.85；
与大风方向一致的谷口、山口，取1.2~1.4；
但最小风压不低于25Kgf/m2
（2）地震惯性力计算
地震惯性力按拟静力法计算。

P i=K H C Zαi W i
式中，P i-沿构筑物高度各质点的地震惯性力；
K H-水平地震系数，0.1（7级），0.2（8级），0.4（9级）…..；
C Z-综合影响系数，一般取0.25；
αi-地震加速度沿高度分布系数，3.0（H≤10~30m），2.0（＞30m）；
W i-集中在i的质量。

(3) 地震动水压力
a、进水塔（井）周围有水时：
b、刚性建筑物，如紧靠河岸的深埋进水口建筑物：
（4）尾矿的动土压力
水平向地震作用下的总土压力E，包括静土压力和动土压力，可按下式计算：E=（1±k H C Z C C tanφ）E0
式中，“+”、“—”号分别对应于主动和被动土压力；
C C-地震动土压力系数，查地震动土压力系数C C表；
E0-静土压力；
φ-土的内摩擦角。

（5）尾矿及澄清水压力
当尾矿堆至井（塔）时，需在井座（顶）上加盖封闭，井的使用即告终止。

但井（塔）座和封井盖板仍承受尾矿的荷载直到终期。

1）水平压力：
a、井筒所受压力：沿外周分布，其强度按下式计算：
q=(1-sinψ0)γf H+γ0H
3、结构设计
（1）窗口式排水井结构设计
（2）框架挡板式排水井结构设计
排水井的位置及窗口的封堵
排水井的位置是根据尾矿水澄清距离和建井处标高而定。

一般来说，相邻二排水井至少有一层溢水口重合。

溢水口的封堵应用混凝土等永久性材料。

排水井的消能
排水井下部需设消力池。

池深按泄流量和水头落差大小而定，但目前还没有成熟的计算方法，对于中小排水井设计中可取1~2m，最小不小于0.6m。

排水井的材料、配筋及其他要求
井身采用200~250号水工混凝土；
基础垫层采用75~100号水工混凝土；
采用Ⅰ级或Ⅱ极钢筋；
受力筋φ≥12mm；
箍筋φ≥6mm；
井身纵向构造钢筋φ≥12mm；
井身混凝土保护层厚≥25mm；
底板有垫层时，保护层厚≥30mm，无垫层时，保护层厚≥60mm；
钢筋间距≤200mm；
井径≥1.2m；
井高常见10~12m，目前最高大50m；
井高≤15m时，井身内力较小，壁厚按构造确定，≥120mm；
钢筋按按构造配置，钢筋截面积≥截面积的0.2%（指3号钢）；
排水井内外壁上应设置爬梯(只在内壁设置就可以了？)。

（三）隧洞结构设计。