【摘要】 尾礦庫(kù)是礦山三大基礎(chǔ)性工程之一，是礦山企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的輔助設(shè)施，而排水系統(tǒng)是尾礦庫(kù)的重要組成部分，對(duì)尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，可確定最終排水系統(tǒng)的斷面尺寸、布置方式及各項(xiàng)安全指標(biāo)，同時(shí)為尾礦庫(kù)的管理提供可靠的依據(jù)，確保壩體安全。尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)型式多樣，水力計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)繁多，目前沒(méi)有一款專門針對(duì)尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的通用計(jì)算軟件，這為尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)管理帶來(lái)了諸多不便。因此，本文基于MATLAB軟件平臺(tái)，開發(fā)專門針對(duì)尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算軟件，主要進(jìn)行了以下四個(gè)方面的研究工作：(1)介紹了尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的概況以及排水系統(tǒng)的水力計(jì)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(tái)以編寫M文件的方式編寫軟件計(jì)算程序，通過(guò)構(gòu)建人機(jī)交互的圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與輸出的可視化，并詳細(xì)介紹了軟件的使用方法。(3)以《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》中的相關(guān)算例為模型，應(yīng)用所開發(fā)軟件對(duì)其進(jìn)行水力計(jì)算，驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。(4)選取尾礦庫(kù)工程實(shí)例，應(yīng)用本文開發(fā)的軟件對(duì)其排水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合尾礦庫(kù)相關(guān)規(guī)范，評(píng)定其排水系統(tǒng)能否滿足防洪要求，以此檢驗(yàn)軟件的實(shí)用性。本文所開發(fā)的軟件界面簡(jiǎn)潔易懂、美觀實(shí)用，軟件計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)槲驳V庫(kù)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理提供大量參考數(shù)據(jù)，具有較高的使用價(jià)值，可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。 

第一章 緒 論

1.1 研究背景
我國(guó)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(gè)國(guó)家之一。礦產(chǎn)資源的開采和利用帶動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，近年來(lái)隨著礦產(chǎn)的開發(fā)，尾礦庫(kù)工程的建造數(shù)量不斷增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)也達(dá)到12 000 多座，堆放尾礦總計(jì) 150 多億 t，其庫(kù)容、壩高及數(shù)量在世界上都是罕見的，同時(shí)，由于對(duì)尾礦庫(kù)的相關(guān)研究起步較晚，并且尾礦庫(kù)的設(shè)計(jì)和管理也不夠完善，導(dǎo)致尾礦庫(kù)發(fā)生事故的頻率較高，造成的損失也相對(duì)較大。統(tǒng)計(jì)資料表明[2]，國(guó)內(nèi)目前只有不到 70%的尾礦庫(kù)能夠正常運(yùn)行，個(gè)別行業(yè)處于險(xiǎn)、病、超期運(yùn)行狀態(tài)的尾礦庫(kù)接近 50%，這是一個(gè)重大的安全隱患。尾礦庫(kù)一般由初期壩、堆積壩、尾礦輸送系統(tǒng)、排水設(shè)施組成，庫(kù)內(nèi)存有大量的尾礦料和相當(dāng)量的廢水，使尾礦庫(kù)構(gòu)成特殊的水工建筑物，是具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)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(yùn)行狀況好壞，直接關(guān)系到礦山和下游人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[3]。尾礦庫(kù)在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中影響其安全穩(wěn)定的危險(xiǎn)因素有氣象因素、地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)施工及管理等，其中水文氣象條件對(duì)尾礦庫(kù)的正常使用有很大影響。降雨會(huì)提高庫(kù)內(nèi)的水位，導(dǎo)致浸潤(rùn)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(shí)雨水還會(huì)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(kù)均出現(xiàn)過(guò)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(huì)造成嚴(yán)重事故，據(jù)相關(guān)資料顯示[4-8]，在尾礦庫(kù)潰壩事故中，洪水漫頂導(dǎo)致的潰壩事故占 55%，庫(kù)水位過(guò)高致子壩破壞進(jìn)而潰壩的占 20%。
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1.2 尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
選礦廠篩選礦石后會(huì)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(kù)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間沉淀，排水系統(tǒng)將澄清后的水排走，剩余尾礦沉積在庫(kù)內(nèi)貯存。尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的主要功能一是將庫(kù)區(qū)的尾礦澄清水排到壩外的集水池中，再由泵站進(jìn)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(kù)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)擬定多種方案，通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行水力計(jì)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(shí)，對(duì)尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算也為尾礦庫(kù)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(kù)容的大小及來(lái)水量，做出相應(yīng)的防護(hù)措施，確保壩體安全。所以尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算是尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)中非常重要的內(nèi)容。尾礦庫(kù)的排水系統(tǒng)主要由進(jìn)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(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算需以水動(dòng)力學(xué)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(guó)對(duì)尾礦庫(kù)的研究起步比較晚，1986 年由《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫組編寫的《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》中對(duì)尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)介紹[15]。雖然尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)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(jì)算較為復(fù)雜，靠設(shè)計(jì)人員通過(guò)手算，則計(jì)算量大，工作效率低，容易出錯(cuò)，且計(jì)算不夠精確。
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第二章 尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)概況及其水力計(jì)算基礎(chǔ)

2.1 尾礦庫(kù)及其排水系統(tǒng)簡(jiǎn)介
尾礦是指礦石經(jīng)過(guò)選礦廠將礦石破碎、磨細(xì)、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(huì)大面積地覆沒(méi)農(nóng)田污染水系，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的危害；同時(shí)，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(kù)就是為科學(xué)解決上述問(wèn)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(kù)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(guó)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(kù)式尾礦堆積法等多種。其中使用上游式堆壩法的尾礦庫(kù)(如圖 2-1)占我國(guó)尾礦庫(kù)的 60%左右，其筑壩工藝簡(jiǎn)單，便于管理，故被廣泛采用[20-21]�？v觀尾礦庫(kù)發(fā)生的安全事故，幾乎都與庫(kù)內(nèi)存水有關(guān)，這是因?yàn)槲驳V庫(kù)是既儲(chǔ)存尾礦又儲(chǔ)存水的水工建筑物，水的存在使尾礦庫(kù)工程的巖土力學(xué)問(wèn)題更加復(fù)雜化。影響尾礦庫(kù)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(xué)性質(zhì)；壩體的幾何參數(shù)如：壩內(nèi)外坡比、壩高、庫(kù)內(nèi)水位、干灘長(zhǎng)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(jì)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(dòng)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(xué)性質(zhì)；庫(kù)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(kù)內(nèi)浸潤(rùn)線位置及堆積尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)壩體的變形和穩(wěn)定性；處于浸潤(rùn)線水位線附近的飽和砂土、粉土在地震作用下將會(huì)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(dāng)，才能保證尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行。
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2.2 排水系統(tǒng)的水力計(jì)算
尾礦庫(kù)的防洪能力通常是由洪水的來(lái)水量、排水系統(tǒng)的泄流能力和尾礦庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容決定的。當(dāng)尾礦庫(kù)的調(diào)洪庫(kù)容足夠大，可以容納下一場(chǎng)暴雨的洪水總量時(shí)，，排水構(gòu)筑物可做得較��；當(dāng)尾礦庫(kù)沒(méi)有足夠的調(diào)洪庫(kù)容時(shí)，排水構(gòu)筑物要做得較大，工程投資費(fèi)用較高，需要通過(guò)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，才能準(zhǔn)確判斷尾礦庫(kù)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(jì)算的任務(wù)及步驟一般如下：
(1)洪水計(jì)算。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范確定尾礦庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，由尾礦庫(kù)所在地的水文手冊(cè)選取適當(dāng)計(jì)算公式，并查取相關(guān)水文參數(shù)，求出尾礦庫(kù)不同高程匯水面積的洪峰流量、洪水總量以及洪水過(guò)程線，此過(guò)程稱為洪水計(jì)算[31]。
(2)泄流量的計(jì)算。排水系統(tǒng)的泄流能力計(jì)算是尾礦庫(kù)工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要掌握其泄流特征及泄流能力，為尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。此計(jì)算過(guò)程需要根據(jù)擬定的尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)方案和水力學(xué)計(jì)算公式，查取相關(guān)參數(shù)，分別計(jì)算出尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)在不同流態(tài)下，各個(gè)庫(kù)水位的泄流量，供尾礦庫(kù)調(diào)洪演算使用。
(3)調(diào)洪演算。尾礦庫(kù)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(jì)方案。首先根據(jù)尾礦沉積灘堆放的坡度以及尾礦庫(kù)周圍山體實(shí)際地形求出不同高程的調(diào)洪庫(kù)容。由洪水計(jì)算及泄流量計(jì)算的結(jié)果，依據(jù)水量平衡公式進(jìn)行庫(kù)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(yǔ)言及環(huán)境 .......223
.1.3 軟件的計(jì)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(yàn)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(jì)參考資料》中的計(jì)算結(jié)果 .....60
4.3.2 軟件計(jì)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(kù)位于河北省承德市某溝谷內(nèi)，為一山谷型尾礦庫(kù)。設(shè)計(jì)總壩高為160 m，總庫(kù)容 4 431.1 萬(wàn) m3，等別為二等�，F(xiàn)狀尾礦壩灘頂標(biāo)高約為 583.35 m，總壩高為 93.35 m，等別為三等�，F(xiàn)狀庫(kù)內(nèi)水位標(biāo)高為 570.46 m，灘長(zhǎng)最短 239 m，對(duì)應(yīng)沉積灘平均坡度約為 5.4%。圖 5-1 為該尾礦庫(kù)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(hào)排水井的井身高度為 21.0 m，4 號(hào)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(gè)直徑 0.25 m 進(jìn)水窗口，窗口中心垂直間距 0.5 m。井與井之間通過(guò)內(nèi)徑 1.4 m 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土排水管連通，管長(zhǎng) 1 736 m。管線轉(zhuǎn)點(diǎn)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(kù)使用 4 號(hào)排水井進(jìn)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(kù)的排水系統(tǒng)對(duì)于尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行十分重要，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行水力計(jì)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(jì)算是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，到目前為止，還沒(méi)有一款專門針對(duì)的尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的水力計(jì)算軟件，本文從根本上解決了這一問(wèn)題，開發(fā)研制出了尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)水力計(jì)算軟件，其界面布局合理、美觀實(shí)用。本文主要工作包括：
(1)理論介紹。介紹了尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)的類別型式，搜集尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)水力計(jì)算的相關(guān)資料，整理計(jì)算公式，系統(tǒng)介紹了尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)水力計(jì)算方法，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理。
(2)開發(fā)軟件�；� MATLAB 軟件平臺(tái)，開發(fā)尾礦庫(kù)排水系統(tǒng)水力計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)水力計(jì)算的智能化。采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思路,構(gòu)建人機(jī)交互的圖形用戶界面，將所編程序構(gòu)建為一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件的可視化，并詳細(xì)介紹軟件可實(shí)現(xiàn)的功能及使用方法。
(3)模型驗(yàn)證。選取《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)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(duì)其排水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算。通過(guò)對(duì)比《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》的計(jì)算結(jié)果與軟件的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了利用所開發(fā)軟件進(jìn)行水力計(jì)算的準(zhǔn)確性。
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本文編號(hào)：11819