【摘要】 尾礦庫是礦山三大基礎(chǔ)性工程之一，是礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的輔助設(shè)施，而排水系統(tǒng)是尾礦庫的重要組成部分，對尾礦庫的安全運行起著至關(guān)重要的作用。通過對排水系統(tǒng)進行水力計算，可確定最終排水系統(tǒng)的斷面尺寸、布置方式及各項安全指標，同時為尾礦庫的管理提供可靠的依據(jù)，確保壩體安全。尾礦庫排水系統(tǒng)型式多樣，水力計算過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)繁多，目前沒有一款專門針對尾礦庫排水系統(tǒng)的通用計算軟件，這為尾礦庫的設(shè)計管理帶來了諸多不便。因此，本文基于MATLAB軟件平臺，開發(fā)專門針對尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算軟件，主要進行了以下四個方面的研究工作：(1)介紹了尾礦庫排水系統(tǒng)的概況以及排水系統(tǒng)的水力計算方法，以此作為程序編寫的理論依據(jù)。(2)基于MATLAB軟件平臺以編寫M文件的方式編寫軟件計算程序，通過構(gòu)建人機交互的圖形用戶界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與輸出的可視化，并詳細介紹了軟件的使用方法。(3)以《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中的相關(guān)算例為模型，應(yīng)用所開發(fā)軟件對其進行水力計算，驗證軟件計算結(jié)果的準確性。(4)選取尾礦庫工程實例，應(yīng)用本文開發(fā)的軟件對其排水系統(tǒng)進行水力計算，根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合尾礦庫相關(guān)規(guī)范，評定其排水系統(tǒng)能否滿足防洪要求，以此檢驗軟件的實用性。本文所開發(fā)的軟件界面簡潔易懂、美觀實用，軟件計算結(jié)果具有較高的準確性，能夠為尾礦庫排水系統(tǒng)的設(shè)計管理提供大量參考數(shù)據(jù)，具有較高的使用價值，可以應(yīng)用于實際工程中。 

第一章 緒 論

1.1 研究背景
我國疆域遼闊，礦產(chǎn)豐富，是世界上礦產(chǎn)資源最豐富、礦種齊全的少數(shù)幾個國家之一。礦產(chǎn)資源的開采和利用帶動了我國經(jīng)濟的騰飛，近年來隨著礦產(chǎn)的開發(fā)，尾礦庫工程的建造數(shù)量不斷增加，據(jù)統(tǒng)計[1]，我國現(xiàn)有尾礦庫也達到12 000 多座，堆放尾礦總計 150 多億 t，其庫容、壩高及數(shù)量在世界上都是罕見的，同時，由于對尾礦庫的相關(guān)研究起步較晚，并且尾礦庫的設(shè)計和管理也不夠完善，導(dǎo)致尾礦庫發(fā)生事故的頻率較高，造成的損失也相對較大。統(tǒng)計資料表明[2]，國內(nèi)目前只有不到 70%的尾礦庫能夠正常運行，個別行業(yè)處于險、病、超期運行狀態(tài)的尾礦庫接近 50%，這是一個重大的安全隱患。尾礦庫一般由初期壩、堆積壩、尾礦輸送系統(tǒng)、排水設(shè)施組成，庫內(nèi)存有大量的尾礦料和相當量的廢水，使尾礦庫構(gòu)成特殊的水工建筑物，是具有高勢能的人造泥石流危險源，所以一旦發(fā)生潰決，尾礦堆積體將形成泥石流涌出，后果不堪設(shè)想。所以它的運行狀況好壞，直接關(guān)系到礦山和下游人民生命財產(chǎn)的安全[3]。尾礦庫在生產(chǎn)運行過程中影響其安全穩(wěn)定的危險因素有氣象因素、地質(zhì)條件、設(shè)計施工及管理等，其中水文氣象條件對尾礦庫的正常使用有很大影響。降雨會提高庫內(nèi)的水位，導(dǎo)致浸潤線升高，甚至壩面含水飽和，降低堆積壩的抗滑穩(wěn)定性，許多滑塌事故均與降雨有關(guān)。同時雨水還會引起壩面的沖刷，破壞并降低壩體的穩(wěn)定性，甚至在壩面沖成大溝，不少尾礦庫均出現(xiàn)過這類情況。大暴雨還可以使山洪暴發(fā)形成洪水，若洪水漫頂將會造成嚴重事故，據(jù)相關(guān)資料顯示[4-8]，在尾礦庫潰壩事故中，洪水漫頂導(dǎo)致的潰壩事故占 55%，庫水位過高致子壩破壞進而潰壩的占 20%。
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1.2 尾礦庫排水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
選礦廠篩選礦石后會產(chǎn)生大量“廢渣”，即尾礦。尾礦通常與水混合以礦漿狀態(tài)排至尾礦庫，經(jīng)過一定時間沉淀，排水系統(tǒng)將澄清后的水排走，剩余尾礦沉積在庫內(nèi)貯存。尾礦庫排水系統(tǒng)的主要功能一是將庫區(qū)的尾礦澄清水排到壩外的集水池中，再由泵站進行回水；二是排出集水面積上的洪水，防止洪水漫壩從而導(dǎo)致的潰壩事故發(fā)生[10]。在尾礦庫排水系統(tǒng)設(shè)計時，通常會擬定多種方案，通過對各方案進行水力計算，綜合比較后確定最終排水系統(tǒng)的型式、斷面尺寸、布置方式等；同時，對尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算也為尾礦庫的管理提供可靠的依據(jù)，管理人員可根據(jù)排水設(shè)施的泄流量和調(diào)洪庫容的大小及來水量，做出相應(yīng)的防護措施，確保壩體安全。所以尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算是尾礦庫設(shè)計中非常重要的內(nèi)容。尾礦庫的排水系統(tǒng)主要由進水構(gòu)筑物、輸水構(gòu)筑物和消能銜接部分組成。其應(yīng)用較多的型式為井—管式、斜槽式等。尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算需以水動力學理論為基礎(chǔ)，涉及孔口出流、堰流、有壓管路、明渠水流等水力現(xiàn)象[11-14]。我國對尾礦庫的研究起步比較晚，1986 年由《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》編寫組編寫的《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中對尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算進行了詳細介紹[15]。雖然尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算理論比較成熟，但排水構(gòu)筑物的型式眾多，涉及到的水力計算較為復(fù)雜，靠設(shè)計人員通過手算，則計算量大，工作效率低，容易出錯，且計算不夠精確。
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第二章 尾礦庫排水系統(tǒng)概況及其水力計算基礎(chǔ)

2.1 尾礦庫及其排水系統(tǒng)簡介
尾礦是指礦石經(jīng)過選礦廠將礦石破碎、磨細、選取有用成分后，剩下的礦渣，也就是礦石提取出精礦后剩余的固體廢料，通常是以礦漿狀態(tài)排出，如不妥善處理,就會大面積地覆沒農(nóng)田污染水系，對周邊環(huán)境造成嚴重的危害；同時，尾礦中往往還含有目前尚不能回收的貴重、稀有金屬，也不允許隨意丟棄，尾礦庫就是為科學解決上述問題而建造的各種構(gòu)筑物的聯(lián)合系統(tǒng)[18-19]。根據(jù)尾礦庫所處地形條件的不同，尾礦壩大體上可分為 4 種類型，包括山谷型尾礦壩、傍山型尾礦壩、平地型尾礦壩。按照尾礦排放方式，有干排和濕排之分，目前，國內(nèi)普遍采用濕排法。按照尾礦堆積方式的不同，可分為：上游法、中線法、下游法、高濃度尾礦堆積法和水庫式尾礦堆積法等多種。其中使用上游式堆壩法的尾礦庫(如圖 2-1)占我國尾礦庫的 60%左右，其筑壩工藝簡單，便于管理，故被廣泛采用[20-21]�？v觀尾礦庫發(fā)生的安全事故，幾乎都與庫內(nèi)存水有關(guān)，這是因為尾礦庫是既儲存尾礦又儲存水的水工建筑物，水的存在使尾礦庫工程的巖土力學問題更加復(fù)雜化。影響尾礦庫穩(wěn)定性的主要因素有：初期壩及堆積壩的物質(zhì)組成及其物理力學性質(zhì)；壩體的幾何參數(shù)如：壩內(nèi)外坡比、壩高、庫內(nèi)水位、干灘長度等。除初期壩的物質(zhì)組成、堆積壩外坡比參數(shù)由設(shè)計明確規(guī)定外，其他因素均是隨著壩體的加高、礦漿的排放等動態(tài)變化的，而且這種變化均與水的作用有關(guān)，例如：尾礦壩的干灘坡度是由礦漿的濃度和流量決定的，導(dǎo)致不同的地層分布具有不同的物理力學性質(zhì)；庫內(nèi)的水位隨著大氣降水、堆積壩的升高、礦漿排放量的變化而改變，并導(dǎo)致庫內(nèi)浸潤線位置及堆積尾礦的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響整個壩體的變形和穩(wěn)定性；處于浸潤線水位線附近的飽和砂土、粉土在地震作用下將會液化，從而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)[22]。由此可見，水是影響壩體變形與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，所以必須控制得當，才能保證尾礦庫的安全運行。
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2.2 排水系統(tǒng)的水力計算
尾礦庫的防洪能力通常是由洪水的來水量、排水系統(tǒng)的泄流能力和尾礦庫調(diào)洪庫容決定的。當尾礦庫的調(diào)洪庫容足夠大，可以容納下一場暴雨的洪水總量時，，排水構(gòu)筑物可做得較��；當尾礦庫沒有足夠的調(diào)洪庫容時，排水構(gòu)筑物要做得較大，工程投資費用較高，需要通過對排水系統(tǒng)進行水力計算，才能準確判斷尾礦庫的防洪能力，合理的確定排水構(gòu)筑物的型式、布置方式、斷面尺寸等。水力計算的任務(wù)及步驟一般如下：
(1)洪水計算。根據(jù)我國現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范確定尾礦庫的防洪標準，由尾礦庫所在地的水文手冊選取適當計算公式，并查取相關(guān)水文參數(shù)，求出尾礦庫不同高程匯水面積的洪峰流量、洪水總量以及洪水過程線，此過程稱為洪水計算[31]。
(2)泄流量的計算。排水系統(tǒng)的泄流能力計算是尾礦庫工程設(shè)計的重要內(nèi)容。在尾礦庫排水系統(tǒng)設(shè)計時，需要掌握其泄流特征及泄流能力，為尾礦庫排水系統(tǒng)的設(shè)計提供相關(guān)參考。此計算過程需要根據(jù)擬定的尾礦庫排水系統(tǒng)方案和水力學計算公式，查取相關(guān)參數(shù)，分別計算出尾礦庫排水系統(tǒng)在不同流態(tài)下，各個庫水位的泄流量，供尾礦庫調(diào)洪演算使用。
(3)調(diào)洪演算。尾礦庫調(diào)洪演算的目的是判斷所擬定的排水系統(tǒng)是否滿足規(guī)范要求，以確定排水系統(tǒng)的最終設(shè)計方案。首先根據(jù)尾礦沉積灘堆放的坡度以及尾礦庫周圍山體實際地形求出不同高程的調(diào)洪庫容。由洪水計算及泄流量計算的結(jié)果，依據(jù)水量平衡公式進行庫內(nèi)調(diào)洪演算。
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第三章 軟件的開發(fā).......22
3.1 概述 ....22
3.1.1 軟件開發(fā)的目的 .......22
3.1.2 軟件開發(fā)的語言及環(huán)境 .......223
.1.3 軟件的計算流程 .......23
3.2 軟件程序的編寫 ........24
3.3 軟件界面制作 ......29
3.4 軟件的使用方法 ........33
3.5 本章小結(jié) ........40
第四章 軟件驗證.....41
4.1 井—管式排水系統(tǒng)泄流量算例 ........41
4.2 斜槽式排水系統(tǒng)泄流量算例 ......54
4.3 調(diào)洪演算算例 ......59
4.3.1 《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中的計算結(jié)果 .....60
4.3.2 軟件計算結(jié)果 .....63
4.4 本章小結(jié) ........67
第五章 工程應(yīng)用.....68
5.1 井—管式排水系統(tǒng) ....68
5.2 斜槽式排水系統(tǒng) ........75
5.3 本章小結(jié) ........81

第五章 工程應(yīng)用

5.1 井—管式排水系統(tǒng)的應(yīng)用
某尾礦庫位于河北省承德市某溝谷內(nèi)，為一山谷型尾礦庫。設(shè)計總壩高為160 m，總庫容 4 431.1 萬 m3，等別為二等。現(xiàn)狀尾礦壩灘頂標高約為 583.35 m，總壩高為 93.35 m，等別為三等�，F(xiàn)狀庫內(nèi)水位標高為 570.46 m，灘長最短 239 m，對應(yīng)沉積灘平均坡度約為 5.4%。圖 5-1 為該尾礦庫地形圖。排水系統(tǒng)采用井—管式。沿縱向溝谷布設(shè) 4 座窗口式排水井，1～3 號排水井的井身高度為 21.0 m，4 號排水井的井身高度為 11.0 m，排水井的井筒直徑均為 2.25 m，每排 12 個直徑 0.25 m 進水窗口，窗口中心垂直間距 0.5 m。井與井之間通過內(nèi)徑 1.4 m 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土排水管連通，管長 1 736 m。管線轉(zhuǎn)點設(shè)7 座轉(zhuǎn)流井。排水管出口處設(shè)置 15 m×5 m×3 m 消力池和集水池各一座，集水池旁設(shè)回水泵站。排水系統(tǒng)平面布置如圖 5-1 所示，縱向布置如圖 5-2 所示。目前該尾礦庫使用 4 號排水井進行排水，圖 5-3 為排水井結(jié)構(gòu)示意圖。

 

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結(jié)論

尾礦庫的排水系統(tǒng)對于尾礦庫的安全運行十分重要，設(shè)計人員在設(shè)計排水系統(tǒng)時需要對其進行水力計算，以最終確定最終排洪系統(tǒng)的布置方式、形狀尺寸。而排水系統(tǒng)的水力計算是一個繁瑣復(fù)雜的計算過程，到目前為止，還沒有一款專門針對的尾礦庫排水系統(tǒng)的水力計算軟件，本文從根本上解決了這一問題，開發(fā)研制出了尾礦庫排水系統(tǒng)水力計算軟件，其界面布局合理、美觀實用。本文主要工作包括：
(1)理論介紹。介紹了尾礦庫排水系統(tǒng)的類別型式，搜集尾礦庫排水系統(tǒng)水力計算的相關(guān)資料，整理計算公式，系統(tǒng)介紹了尾礦庫排水系統(tǒng)水力計算方法，并對相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化處理。
(2)開發(fā)軟件�；� MATLAB 軟件平臺，開發(fā)尾礦庫排水系統(tǒng)水力計算軟件，實現(xiàn)水力計算的智能化。采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思路,構(gòu)建人機交互的圖形用戶界面，將所編程序構(gòu)建為一個系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件的可視化，并詳細介紹軟件可實現(xiàn)的功能及使用方法。
(3)模型驗證。選取《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》中的相關(guān)算例作為模型，應(yīng)用所開發(fā)的軟件，對其排水系統(tǒng)進行水力計算。通過對比《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》的計算結(jié)果與軟件的計算結(jié)果，驗證了利用所開發(fā)軟件進行水力計算的準確性。
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本文編號：11819