尾矿库排水系统两种水力计算方法的比较.pdf

第 3 2 卷 第 2期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1年 4 月 尾矿剧 E 水系统两种水力计算方法的比较 吴国高， 刘晓峰， 卢建京， 沈楼燕 ( 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南昌 3 3 0 0 0 2 ) 摘 要 根据某尾矿库框架式排水井+ 排洪隧洞的排水系统， 利用经验公式法和计算流体动力学流场模拟法 ( C F D ) 两种水力计算方法进行对比计算， C F D法计算得 出的半压力流态下的泄流量比经验公式法【 1 1 计算的结果要 偏 大， 但 更符合 实际。 关键词 经验公式法； C F D法； 对比计算 中图分类号 ： X 7 5 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 4 - 4 3 4 5 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - - 0 ( 0 ) O0 3 Co mp a r i s o n o f Two Hy d r a u l i c Ca l c u l a t i o n M e t h o d s f o r Dr a i n a g e S y s t e m o f Ta i l i n g s Po n d WU G u o - g a o L I U X i a o - f e n g , L U J i a n - j i n g , S HE N L o u - y a n ( C h i n a N e r i n E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， N a n c h a n g , J i a n g x i 3 3 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t O f t h e d r a i n a g e s y s t e m, f r a me d r a i n a g e we l l + fl o o d d i s c h a r g i n g t u n n e l , f o r a c e r t a i n t a i l i n g s p o n d ， t h e p a p e r h a s c a r r i e d o u t c o n t r a s t c a l c u l a t i o n w i t h t w o h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n m e t h o d s ： e mp i ri c a l f o r mu l a a n d c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s fl o w s i m u l a t i o n f C F D ) me t h o d T h e d i s c h a r g e c a p a c i t y o f s e mi - p r e s s u r e fl o w c a l c u l a t e d w i t h CF D me t h o d i s b i g g e r b u t mo r e p r a c t i c a l t h a n t h a t c a l c u l a t e d w i t h e mp i ri c a l f o r mu l a m e t h o d 【 1 Ke y w o r d s e m p i ri c a l f o rmu l a me t h o d ； c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s m e t h o d ( C F D 1 ； c o n t r a s t c a l c u l a t i o n 对尾矿库排水系统进行水力计算的途径主要有 经验公式法和计算流体动力学流场模拟法( C F D ) 两种。 其中经验公式法是指根据 尾矿设施设计参考资料 推荐的方法进行计算，是尾矿库设计中最常用于计算 库内排水系统泄流能力的计算方法： 而计算流体动力 学流场模拟法( C F D ) m 是 C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s 的英文缩写， 是研究流体流动问题的重要手段， 广泛用 于飞机设计 、 汽车设计、 船舶设计、 流体机械设计、 水利 水电工程设计和生物流体， 与计算机技术相互促进。 自 上世纪 7 0 年代起得到快速的发展。 本文根据某尾矿库排水系统布置和结构尺寸分 别应用 尾矿设施设计参考资料 中的经验公式( 以下 称为经验公式 和 C F D商用软件 F l o w - 3 D的最新版 本 进行不同水位情况下的泄流能力的计算分析。 该尾矿库初期坝顶高程 7 5 5 0 m 库 内排洪系统 为： 框架式排水井+ 排洪隧洞。 排水井特征值如下： 钢筋混凝土结构、 框架式 、 六 柱、 井架顶高程 7 7 0 m、 井座进水 口高程 7 4 9 m、 井架 高 3 x 7 = 2 1 m、 井架f 井筒1 内径 4 0 m、 井架圈梁外直径 4 5m、 井架为 6 根 4 0 0 x 4 0 0m m的立柱、 圈梁高 0 3 5m。 井座内径3 _5 m 井座高6 3 H l井座进水口高程 7 4 9 0 m 。 排洪隧洞： 圆拱直墙式 净断面 2 2 m x 2 5 m， 全长 7 9 1 7 4 m 其中进 口段 6 0 m及出F I 段 5 0 I n采用钢筋 混凝土衬砌 ， 其余段侧墙和顶拱采用喷混凝土衬砌， 进 水 口高程 7 4 5 2 m出水口高程 7 0 5 6 1 m 纵坡5 。 利用经验公式法和 C F D法推求该套排洪系统在 水位 7 5 4 5 m以下的泄流量与库水位关系曲线。 2 经验公式法计算的泄流能力 经验公式法根据排水系统布置和结构特点 划分 为框架井口、 竖井、 竖井水流转弯、 隧洞进F I 等若干局 部水头损失， 以及隧洞沿程水头损失，将这些损失系数 线性叠加， 作为整个系统的水头损失系数。 根据库水位 和隧洞进口(或出口)高程，可得到水头。然后根据水头 收稿 日期 ： 2 0 1 l - 0 l 一 1 9 作者简介： 吴国高( 1 9 7 o _ _ ) 男，教授级高级工程师， 主要从事工业固体废物处置堆存场的设计和研究工作。 8 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 图 6 CF D计算得到的库水位 7 5 4 0 m 时的半压力泄流流态 75 6 7 5 5 7 5 4 目 7 5 3 7 5 2 喧 7 51 7 5 0 7 4 9 一 舅 申 鎏 f 十Z J J 一 全压力流 ? 。 C F E 模挝 【 泄漏 曲 签 l ， ， ， 一 ， ， 一 _ 一 J r ， f 0 5 1 0 1 5 2 0 3 0 3 5 4 0 4 5 5 O 5 5 泄流量， 3 s 图 7 CF D计算得到的库水位与泄流量关系曲线 4 经验公式法和 C F D法计算的泄流能 力对 比分析 图 1 、 表 1 和图 7的结果显示， 经验公式法和 C F D 法计算得到的半压力流泄流曲线有一定差别 ， 而 自由 泄流曲线十分吻合。 分析认为，经验公式 1 】计算的阻力 偏大做其得到的泄流量偏小。 其原因是： f 1 1 经验公式的 阻力是各部位阻力分别计算， 之后叠加得到。 而各系数 随意l生大； ( 2 1 实际上各个部位相距很近， 流态相互干扰； f 3 ) 隧洞进 口尺度与水头比很小， 水头计算以进 口中心 为基 不恰当。 隧洞进口水头损失系数偏大而过流断 面收缩系数偏小是经验公式的艘流量偏小的主要原因。 C F D法计算虽然有一定 的误差， 但通常水头损失 系数误差能控制在 2 0 之 内， 相应的流量误差应在 1 3 之内。 C F D计算结果应比经验公式准确， 原因在于： f 1 1 C F D考虑了各部位对流态影响的相互干扰。 如水流从 竖井到隧洞转弯 9 0 。 ， 水流转弯影响隧洞进 口过流断 面收缩； ( 2 ) C F D准确模拟排水系统体型 能区分细部体 型的变化 如能体现隧洞城门洞进 E l 、 方形进 口、 圆形 进 口对流态的影响。 为了验证以上分析， 选用 水电站调压室设计规 范 上最新的岔管水头损失系数计算公式f 本文称为经 验公式 3 1 ) 计算， 得到的水头损失系数实际上包含了水 流转弯和隧洞进 口损失两项。将该水头损失系数代人 泄流量计算公式， 得到的结果作为经验公式f 3 1 在表 1 中列出。可以看出， 经验公式f 3 1 的结果与 C F D结果吻 合较好， 这也进一步验证 了用经验公式 1 1 计算流量偏 小的结论 5 基本结论 f 1 ) C F D法计算结果与经验公式 1 】 计算结果有一 定偏差， 其原因在于经验公式的阻力偏大， 而 C F D法能 较细致反映实际情况。 f2 1本工程实际泄流能力应以 C F D法计算结果为 准倪 表 1 和图 7 1 。根据现有 C F D计算水平， 该结果的 误差应在 5 m 的范围之内。 f3 )对于小型工程应 用经验公式f l 1 的计算结果作 为设i 十 朔 旦 不会带来太大的投资浪费。 ( 4 ) 对于重要工程， 应先用经验公式法 1 和经验公 式法 3 进行计算，然后采用 C F D法进行对比计算和分 析， 或进一步做模型实验， 以得到准确的水位 流量关 系曲线。 参 考文献 1 尾矿设施设计参考资料编写组尾矿设施设计参考资料【 北京： 冶 金工业出版社， 1 9 8 0 2 】程永光杨建东用三维计算流体力学方法计算调压室阻抗系数【 I l 水 利学报2 0 0 5 ( 7 3 l：7 8 7 - 7 9 2 3 J D L - T 5 0 5 8 1 9 9 6 水 电站调压室规范 s