尾礦壩潰壩模擬及影響范圍預測*

金佳旭 梁 力 吳鳳元 郭文亮，2 董天文

(1.東北大學資源與土木工程學院;2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司;3.后勤工程學院建筑工程系)

尾礦庫作為一種特殊的水工建筑物，其穩(wěn)定性直接關系到下游人民的生命財產(chǎn)安全。研究尾礦庫的潰壩機理、預測潰壩尾砂流的淹沒范圍對尾礦庫防災減災、提高尾礦庫的安全管理和預防事故技術(shù)水平、保證庫區(qū)下游人民的生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全等具有重要的意義。因此，對尾礦壩潰壩機理及潰壩影響范圍的研究刻不容緩。國內(nèi)外關于尾礦壩穩(wěn)定性及潰壩機理研究已經(jīng)取得了一定的進展，Jeyapalan［1-2］研究了尾礦砂流動的黏滯性模型并對潰壩后尾砂波進行預測;Wang、陳青生、Bastani等人［3-8］先后對尾礦動力穩(wěn)定及滲流液化和滑坡的數(shù)值模擬進行研究。但這些理論大都基于經(jīng)驗公式［9］，無法準確定量地分析尾礦庫潰壩的實際影響范圍。如何構(gòu)建尾礦壩的實際模型，通過一定的分析手段，模擬出潰壩流對下游的影響范圍、到達的時間、淹沒范圍及深度，始終沒有得到很好的解決。本研究采用ANAYSCFX流體動力學分析軟件［10］，以遼寧某尾礦庫為例，對潰壩過程進行模擬。通過模擬得出潰壩影響范圍、潰壩歷時、到達時間和尾砂堆積厚度等潰壩的基本規(guī)律，為潰壩災害應急預案的編制和下游人員安全疏散方案的提出提供重要的理論依據(jù)。

1 工程概況

遼寧某礦選礦廠生產(chǎn)規(guī)模2 000 t/d，尾礦庫位于選礦廠西南側(cè)1.5 km，工程區(qū)地形起伏較大，高差懸殊，屬中等切割的高中山地貌。壩體位于南北向的河溝內(nèi)，呈“V”字型，屬山谷型尾礦庫。庫兩側(cè)地形相對較陡，地勢總體西高東低，南高北低，地形坡度15°～35°，海拔標高1 024～1 651 m，相對高差627 m。坡植被覆蓋良好，覆蓋率達80%以上，多為灌木、針葉林等。尾礦庫區(qū)松散土層為第四系人工尾礦堆積物，以尾粉砂、尾粉土為主，基底及岸坡地層為第四系殘坡積、沖洪積成因的碎石土、卵石等組成，下伏基巖由三疊系上統(tǒng)一碗水組(T3y)砂巖、板巖、炭質(zhì)板巖組成。初期壩采用堆石壩，壩高27 m，設計總壩高112 m，有效庫容670萬m3。選廠于2008年6月投入運行，現(xiàn)堆筑子壩6級至1 201 m高程，每級約4 m，堆積壩高26 m，總壩高53 m。由于尾礦壩的各級子壩是用尾礦砂堆積而成，透水性差，導致壩體本身穩(wěn)定性較差。另外，該尾礦庫所處地區(qū)時有暴雨或輕度地震發(fā)生，在這些極端條件共同影響作用下，很可能造成尾礦壩的失穩(wěn)破壞。一旦發(fā)生潰壩，大量的尾礦將傾瀉下游，淤塞山谷，造成重大人員傷亡。

2 潰壩數(shù)值模擬

考慮到實際尾礦庫和下游山谷地形的復雜性，新尾礦堆積壩子壩較多，但均較小，建模時將各子壩合并到一起考慮，合并后的子壩高26 m，下游坡比1∶5。尾礦庫及山谷橫斷面定義為梯形，兩側(cè)坡度取45°，梯形下底邊取100 m，上底邊取260 m。尾礦庫底面及山谷下游坡度均取2°。利用ANSYSWorkbench建立有限元模型，其中包括尾礦砂域、固定域和空氣域3部分(尾礦庫上方空氣和下游山谷)，導入CFX－Pre生成整體計算模型，如圖1所示。

圖1 整體計算模型

在CFX－Pre中對整體計算模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元長度2 m，共有節(jié)點46 994個，單元22 511個。模擬類型定義為瞬態(tài)模擬，流變模型采用非牛頓流體模型中的Bingham模型，如圖2所示。模擬總持續(xù)時間設為400 s，時間步長設為1 s，則總計算步數(shù)400步。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得出尾礦砂主要參數(shù)見表1。

圖2 Bingham模型

表1 模型主要參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 潰壩堆積歷程分析

通過計算發(fā)現(xiàn)尾礦壩潰壩之后，尾礦砂流向下游演進運動，沖出初期壩壩坡之后形成涌波，并逐漸向下游擴散。壩前堆積區(qū)的面積和厚度在初期變化較大，到一定程度后變化較小，最后趨于穩(wěn)定。從潰壩到尾砂停止運動總歷時約400 s，通過CFX－Post創(chuàng)建尾礦砂等值面，幾個典型時刻的尾砂流態(tài)變化如圖3所示。

從圖3可以看出，尾礦壩潰壩砂流開始于子壩中部偏上的位置，上部尾礦砂在0～200 s的過程中，由庫內(nèi)傾瀉而出，重力勢能迅速轉(zhuǎn)化為動能，沿初期壩壩坡向下游沖擊，速度快，破壞性大。200～350 s時，壩前堆積體逐漸形成，主要垂直壩體沿下游方向擴大;在250 s時，中部偏下位置的尾礦砂在上部尾礦砂沖刷下，也開始運動;350 s時，庫內(nèi)屈服面以下的尾礦砂停止瀉出，已流出的尾礦砂在后續(xù)砂流的推動作用下繼續(xù)以流體形態(tài)向下游推移。350～400 s，尾礦砂端頭向下游方向運移緩慢，直至停止，最終在壩前形成一個尾部厚、向邊緣逐漸變薄的尾礦砂堆積體。通過以上分析得出:尾礦潰壩堆積厚度主要形成在350 s以內(nèi)，前200 s破壞性最大，由此定義潰壩前200 s為最危險時段，200～350 s為潰壩堆積擴展階段，由于前200 s潰壩堆積量大、時間短、堆積比較集中，造成堆積密級，在潰壩堆積物應力作用下，此階段開始卸載內(nèi)部應力，最終完成尾礦砂堆積體形成。

3.2 潰壩尾砂泄流速度分析

圖4為潰壩后幾個典型時刻尾礦砂泄流運動的速度矢量圖。從圖中可以看出，任意時刻尾礦砂的速度大小均呈現(xiàn)出漸進式的變化，從尾部至端頭速度逐漸增大，屈服面以上的尾礦砂在重力作用下，速度從零急劇增大，且近地面速度比表面速度大。潰壩初期，壩體內(nèi)部的尾礦砂呈現(xiàn)出明顯的滑移面; 100 s之后潰壩砂流到達壩體與地面的交點處發(fā)生碰撞，改變方向，砂流速度減慢，但在后續(xù)砂流的推動下，仍以較快的速度向下游推進一段距離，隨后逐漸減慢，直至停止。圖5是尾礦砂端頭速度時程曲線。圖中0～100 s時，速度增大很快;100 s時，尾礦砂端頭速度為9.7 m/s，達到前期的高值;100～150 s時，速度下降至6.9 m/s;160 s時達到速度的最大值10.16 m/s;之后尾礦砂流速度緩慢減小，尾礦砂以較低的運動速度繼續(xù)運移和堆積，直至最后停止運動。

圖3 不同時刻的流態(tài)變化

圖4 不同時刻的速度矢量

圖5 端頭速度時程曲線

由以上分析可得:潰壩初期尾礦砂克服自身的重力和黏聚阻力，由原來的約束體變?yōu)樽杂审w，因此流速迅速增大，很快達到前期高值;當砂流撞擊地面時，改變運移方向，造成能量損失，速度驟減;而在后續(xù)砂流推動下，速度再次增大并達到最大值;隨后在自身黏聚力及地表摩阻力的共同作用下，速度逐漸變慢，停止運動。通過尾礦砂泄流速度更加驗證了尾礦潰壩前200 s為潰壩主要堆積時間，在160 s速度達到最大值，為潰壩的最危險階段。

3.3 潰壩尾砂堆積形態(tài)分析

潰壩結(jié)束時，壩前堆積形態(tài)如圖6所示。從圖中可以看出，壩體下游尾礦砂堆積體呈現(xiàn)為尾部厚、向邊緣逐漸變薄的楔形體，尾部最大堆積厚度約為17 m，堆積體體積46.8萬m3，最遠流動距離為距初期壩外側(cè)壩角1 150 m，潰壩后大部分尾礦砂流入下游。如此大量的尾礦砂泄入下游勢必淤塞河道，淹沒道路和農(nóng)田，造成嚴重的災害。而處于屈服面以下的尾礦砂在整個潰壩過程中始終處于靜止狀態(tài)，堆積于庫區(qū)內(nèi)，并沒有受到潰壩的影響，其堆積厚度為中間大，兩端小，最大堆積厚度位于尾礦庫中部。

圖6 最終堆積形態(tài)

庫區(qū)內(nèi)的尾礦砂之所以沒有完全流出，而是形成具有一定坡度的楔形體，這是因為尾礦砂流自身具有較大的黏聚阻力，隨著尾礦瀉出，尾礦砂流表面的坡度逐漸減小，重力在該坡度方向產(chǎn)生的促使尾礦流動的剪切應力逐漸減小，當尾礦砂坡度減小到一定程度時，即該坡面上重力產(chǎn)生的剪切應力和尾砂砂流屈服應力相等時，尾礦砂流即停止運動，此楔形體的表面可以看作是尾礦砂流的屈服表面，該屈服表面以上的尾礦會在重力的作用下全部流出，而該表面下面的尾礦則會留在庫內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對遼寧某礦尾礦庫進行潰壩砂流演進模擬分析得出:潰壩過程中的前200 s為最危險時段，壩前堆積體主要在此階段形成，堆積量大，速度快。尾礦砂流流速在潰壩后100 s時達到極大值，即9.7 m/s;160 s尾礦砂運動至壩體下游30 m，此時尾礦砂端頭速度為10.16 m/s，速度仍非常大，沖擊破壞力非常強。此后隨著尾砂不斷瀉出，尾礦砂流流速進一步減小，350 s時尾礦砂基本停止運動。潰壩結(jié)束后，尾礦庫下游堆積的尾礦砂堆積體，其最大堆積厚度為17 m，最遠距離為距初期壩外側(cè)壩角1 150 m的位置，如此大量的尾砂將會淤塞河道，淹沒河岸上的道路和農(nóng)田，造成嚴重的災害。

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