尾礦壩潰壩對下游淹沒和撞擊的研究

陳 星 朱遠樂 肖 雄 賀治國

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；3.水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；4.浙江大學海洋學院，浙江 杭州 310058)

尾礦壩潰壩對下游淹沒和撞擊的研究

陳 星1，2朱遠樂1，2肖 雄3賀治國4

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；3.水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；4.浙江大學海洋學院，浙江 杭州 310058)

尾礦庫壩體發(fā)生漫頂、垮塌、壩體滑坡、滲漏等潰壩因素導致尾礦庫潰壩，潰壩后高勢能的尾砂形成尾砂泥石流沖向下游，對下游居民的生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴重的威脅。針對以尾礦壩潰壩為尾礦庫安全事故災(zāi)害中的突出問題，以寶山荷葉塘尾礦庫為例，運用分步數(shù)值模擬方法將尾砂泥石流運移、淹沒這一動量過程和尾砂泥石流與障礙物撞擊這一力學過程相結(jié)合分析尾礦庫4#副壩潰壩時對其下游馬鞍嶺公路的安全影響，尾礦庫潰壩后尾砂對下游公路的淹沒和尾砂泥石流運移的規(guī)律直接影響著災(zāi)害能量的變化，通過尾砂泥石流與下游公路的撞擊作用及能量變化揭示其運移規(guī)律，研究潰壩尾砂泥石流對下游的淹沒范圍、尾砂移動規(guī)律以及尾砂對下游公路的撞擊，探討下游公路的安全性。

潰壩 尾礦壩 尾砂泥石流 淹沒

尾礦庫作為礦山工程選礦生產(chǎn)的主要設(shè)施是礦山三大控制性工程之一[1]，尾礦庫的運行狀況不僅直接關(guān)系到礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且與庫區(qū)下游居民的生命財產(chǎn)安全和周邊環(huán)境息息相關(guān)。尾礦庫壩一旦潰決，庫內(nèi)大量尾砂因具有較高的勢能將沖向下游，對下游的村莊、農(nóng)田以及交通設(shè)施等造成巨大影響。

目前評價尾礦庫潰壩后對下游的影響范圍一般采用壩高的倍數(shù)考慮[2]，然而尾礦壩壩體滑坡體的總體規(guī)模不同、下游地形坡度及開闊程度不同、尾砂泥石流的剪切強度和動力黏度等參數(shù)不同均對潰壩尾砂泥石流滑移距離有重要影響，尾礦壩下游安全距離采用統(tǒng)一的標準有時偏保守有時偏冒險，對特定的尾礦庫應(yīng)進行特定的分析。對潰壩砂流的研究主要是通過借鑒研究泥石流的方法，潰壩砂流與泥石流中泥流非常相似。目前國內(nèi)外對潰壩砂流的研究較少，殷憲太等[3]以危險度來判定潰壩后對下游的危險性；敬小非等[4-5]通過模型試驗研究不同潰口形態(tài)下尾礦壩潰決尾砂流動的規(guī)律；陳青生[6]、袁兵等[7]采用數(shù)學模型的方法對尾礦庫潰壩后尾砂泥石流對下游的影響進行預(yù)測；賀治國等[8]采用有限體積法、顯式格式求解方法模擬水庫潰口擴展和堤身沖刷的過程；M.Patster等[9]利用彈塑性有限元、動量守恒以及質(zhì)量守恒建立了尾礦壩潰壩模型用于計算尾砂流在潰壩時隨時間的深度分布。

運用危險度判定的結(jié)果受人為主觀影響較大而與真實情況存在一定的誤差；模型試驗方法由于受到試驗費時高、投資大以及制作困難的限制在實際工程中運用較少。潰壩的不確定性、尾砂流動的復雜性，使得采用數(shù)值模擬方法研究尾礦庫潰壩的成果中尚未有一個相對成熟的數(shù)學模型能夠全面分析尾礦庫潰壩后尾砂運移距離、淹沒厚度以及尾砂泥石流與障礙物撞擊作用。已有的研究成果主要集中在對潰壩后尾砂泥石流運移的矢量預(yù)測，未對尾砂泥石流運移過程中與其周圍介質(zhì)的力學關(guān)系進行考慮，且潰壩后的尾砂泥石流對下游的影響強弱很大程度上是由尾砂泥石流和下游的介質(zhì)相互作用決定的。基于這一研究思路，本研究以寶山荷葉塘尾礦庫為例，將尾砂泥石流運移、淹沒這一動量過程和尾砂撞擊這一力學過程相結(jié)合，采取分步模擬的數(shù)值模擬方法分析4#副壩潰壩后對其下游馬鞍嶺公路的安全影響，探討尾礦庫潰壩后尾砂泥石流運移規(guī)律、尾砂淹沒范圍以及尾砂泥石流對公路的撞擊作用。

1 分析步驟

尾礦庫潰壩影響分析步驟見圖1。尾礦庫潰壩屬于能量聚集之后突然釋放的產(chǎn)物，能量的匯集到釋放對應(yīng)著尾礦庫運行過程中所處的安全狀況的轉(zhuǎn)換，當能量匯集到超過尾礦庫安全所能承受臨界點時，尾砂會沿著壩體內(nèi)部最危險的滑動面進行能量釋放[10]，造成潰壩泥石流災(zāi)害。分析尾礦庫潰壩的起始點應(yīng)分析潰壩前能量的聚集過程，本研究將這一過程其定義為“特殊工況”。

圖1 分析步驟

“特殊工況”所對應(yīng)的工程條件的多向性與復雜性決定了實際模擬時難以與之對應(yīng)，在進行潰壩數(shù)值模擬時以尾礦壩在堆積到最終標高以及其在洪水漫頂這一“特殊工況”條件下的最小安全系數(shù)滑動面為潰壩滑動面進行計算。潰壩后尾砂對下游的淹沒和尾砂泥石流運移的規(guī)律直接影響著災(zāi)害能量的變化，因此探索尾砂泥石流的影響范圍和運移規(guī)律對潰壩災(zāi)害影響顯得尤為重要，且為分析尾砂運移過程中與障礙物的撞擊作用提供了必要的基礎(chǔ)條件，同時尾砂與障礙物的撞擊作用的分析反過來揭示尾砂泥石流的運移規(guī)律和對下游安全的影響程度。

2 工程概況

荷葉塘尾礦庫設(shè)計主要由主壩、1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#副壩以及排洪系統(tǒng)組成。主壩初期壩(均質(zhì)黏土壩)壩頂標高+293.5 m，壩底標高+273.5 m，壩高20.0 m，堆積壩采用尾砂上游法筑壩；尾砂平均堆積邊坡為1∶4，設(shè)計最終堆積標高+320.0 m，尾砂堆高26.5 m，總壩高46.5 m，總庫容約為840.8萬m3。

4#副壩為均質(zhì)粉質(zhì)黏土筑壩，壩頂高程+311.90 m，壩高8 m左右，壩頂寬2.5 m，上下游坡坡比均為1∶1.5。馬鞍嶺公路K1+440～K1+660路段位于尾礦庫4#副壩下游，該路段設(shè)計路面標高+317.7 m，路面寬40.0 m,高15 m，公路與4#副壩相距23.0 m，尾礦庫4#副壩與公路位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 尾礦庫4#副壩與公路位置關(guān)系

3 4#副壩潰壩尾砂淹沒分析

3.1 選用砂流模型件

尾礦壩潰口處的尾砂泥石流結(jié)構(gòu)復雜，由于尾砂泥石流對壩體潰口兩端產(chǎn)生較大的沖刷，泥石流中尾砂的含量較高，壩體變形以及尾砂運移對泥石流的運動會造成比較大的影響。采用靜壓假定，基于三維可壓縮流體動量守恒定律Navier-Stokes方程，考慮潰壩尾砂運移過程中水和尾砂間劇烈作用而引起的含尾砂密度沿垂向的變化，沿尾砂厚度平均積分后可推導出平面二維數(shù)學模型。該模型考慮了尾砂泥石流運動、尾砂濃度變化以及尾砂與底部邊界之間的相互作用。

計算模型簡圖見圖3，潰壩尾砂運移數(shù)值模擬中采用243×220個矩形網(wǎng)格(Δx=Δy=5 m)對計算區(qū)域進行剖分，下游為實際地形，研究區(qū)域的曼寧系數(shù)取為均值0.033 s/m1/3，動力黏度為500 Pa·s，剪切強度13.72 kPa，時間步長采用自適用時間步長，由于尾礦庫庫容較大，實際下游模擬區(qū)域較少，總模擬時間為72 s。

圖3 計算模型簡圖

3.2 4#副壩潰壩淹沒影響分析

模擬時間5 s、11 s時4#壩潰決尾砂厚度和流速分步圖見圖4。0 s時，4#副壩開始潰決，尾礦庫庫內(nèi)尾砂泥石流開始向下游宣泄，4#副壩出口處尾砂流速達到12 m/s；潰壩5 s后，潰壩后形成的尾砂泥石流到達公路下游坡腳，此時流速為10.8 m/s左右，公路坡腳處尾砂厚度3 m左右；當不考慮公路的影響時，尾砂泥石流達到相應(yīng)位置處，尾砂厚度3 m左右，流速在10.7 m/s左右；潰壩11 s后在下游無公路情況下，尾砂泥石流向下游快速演進，在下游有公路的情況下，尾砂剛好淹沒公路路面，此時通過公路路面的速度約為7.3 m/s；潰壩72 s后，公路路面處流速為1.8 m/s，公路表面尾砂厚度可達到2.5 m，公路下游處尾砂泥石流流速為2.6 m/s左右，尾砂厚度為2.2 m左右。通過分析可知：公路對尾砂泥石流演進有一定的減緩作用，使其流速略減、演進時間延長約在15 s左右。尾砂泥石流停止運動后，4#副壩潰壩下游公路K1+280～K2+680路段400 m范圍內(nèi)有不同程度的尾砂覆蓋。即4#副壩潰壩會影響該范圍路段的行車安全。

4#副壩潰決時，將形成極強的洪水泥石流沖擊波，并在極短時間內(nèi)抵達擬建公路路基處，產(chǎn)生的流速大，在擬建公路處會產(chǎn)生較大的沖擊力，將對擬建公路造成較大的直接沖擊，對于擬建公路能否在尾砂的撞擊作用下保持穩(wěn)定，需在尾砂運移過程中監(jiān)測其運動的相關(guān)參數(shù)，采用動力分析方法加以評判。

3.3 4#副壩潰壩尾砂運移分析

在對4#副壩潰壩尾砂泥石流演進淹沒過程進行模擬時，由于潰壩時產(chǎn)生較大的回流，故在公路上游坡面上沿高程方向每4 m布置1個監(jiān)測點，監(jiān)測尾砂在撞擊公路時尾砂的速度，流速監(jiān)測時間間隔為0.02 s。得到各監(jiān)測點在尾砂撞擊公路時的流速時程曲線如圖5所示。

圖4 4#壩潰決尾砂厚度和流速分步圖

圖5 4#副壩潰壩撞擊下游公路的流速-時程曲線

潰壩開始時尾砂形成泥石流從滑裂面宣泄下來，尾砂由于具有較高的勢能，在潰壩初期尾砂勢能轉(zhuǎn)換為動能，尾砂運移速度增加，當勢能完全轉(zhuǎn)換為動能后，尾砂運移速度達到最大。此后尾砂在運移過程中受到沿程阻力作用，速度開始減小。4#副壩潰壩后尾砂在5 s后到達下游公路坡腳，由于4#副壩距離下游公路較近，4#副壩潰壩后，勢能還未來得及全部轉(zhuǎn)化為動能，尾砂就與其下游公路碰撞，此時將會產(chǎn)生較大的回旋流，故此時到達公路坡面的尾砂的流速將會呈現(xiàn)一個雜亂無章的分布。尾砂撞擊到公路坡面后速度急劇減小，動能轉(zhuǎn)換為沖擊壓能被公路吸收。潰壩后尾砂運移類似于邊界層流，在邊界層內(nèi)，越靠近地面，切應(yīng)力越大，因而靠近地面越近，速度降低越激烈，以至沿流動方向速度分步越來越內(nèi)收，當尾砂與下游公路撞擊時，靠近底部的尾砂速度突然降為零，產(chǎn)生類似于水力學中的水擊現(xiàn)象，底部尾砂回流，由于相對于水而言尾砂黏度較高，產(chǎn)生水擊波較小，回流速度小。

4 潰壩尾砂泥石流與下游公路撞擊分析

4.1 模型的選取

選取4#副壩下游主沖溝內(nèi)的K1+540～K1+640道路路段為研究對象，選取道路軸線方向為Y方向，水平面內(nèi)垂直于道路軸線方向為X方向，豎直方向為Z方向，模擬道路段長100 m，道路高15 m，路面寬40 m，X方向模擬長度為180 m，模型共計72 000個單元，79 520個節(jié)點。

4.2 力學參數(shù)及屈服準則的選取

力學參數(shù)的選取對于數(shù)值模擬計算分析有著非常重要的意義，從某種意義上講它決定了模擬結(jié)果是否適用于現(xiàn)實情況。由于荷葉塘尾礦庫下游公路路段尚未施工，無法確定該公路路段路基的土體參數(shù)，故選取馬鞍嶺公路非尾礦庫下游公路路段路基土體參數(shù)，再經(jīng)過反復對比、分析、模擬試驗的基礎(chǔ)上，并結(jié)合FLAC3D軟件本身的計算特點，選取了路基、黏土、中風化礫巖、微風化礫巖的力學參數(shù)作為本次模擬計算參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數(shù)表

數(shù)值模擬中可以將路基、粉質(zhì)黏土、中風化礫巖、微風化礫巖這些不同的力學屬性的介質(zhì)視為各向同性的彈塑性連續(xù)介質(zhì)。屈服條件采用摩爾-庫侖屈服準則

(1)

式中規(guī)定壓應(yīng)力為正，σ1、σ3為第一、第三主應(yīng)力；c、φ分別為巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

由潰壩尾砂運移分析可知，4#副壩潰壩后形成的泥石流在5 s后到達其下游道路坡腳，11 s后泥石流通過道路路面流向道路下游，故下游道路能阻擋潰壩后泥石流6 s的運動時間，泥石流和道路撞擊作用時間，即為本次數(shù)值模擬時間。

4.3 4#副壩撞擊結(jié)果分析

尾砂撞擊下游道路1 s時，經(jīng)過潰壩宣泄下來的尾砂與下游道路撞擊1 s后，在道路坡腳處(離地面約3 m范圍內(nèi))產(chǎn)生了水平位移，位移大小為8.04 cm，這與潰壩6 s后下游道路坡面堆積的尾砂厚度和尾砂撞擊作用位置相符,見圖6所示。

圖6 尾砂與公路撞擊作用1 s后公路水平向位移

尾砂撞擊公路過程中，沖刷公路坡面，使得公路坡面上產(chǎn)生了較大的水平位移，約為80.20 cm，此時尾砂達到公路路面，之后將從公路路面流過。從尾砂撞擊公路坡腳到尾砂開始流經(jīng)公路路面，受尾砂撞擊的坡面累計產(chǎn)生最大位移約89.02 cm。在公路上游坡面向內(nèi)側(cè)0～4 m范圍內(nèi)，尾砂撞擊對公路位移影響較大，但由于道路較寬，受撞擊釋放出的能量還沒有傳遞到整個道路斷面上就被道路上游坡面吸收，公路下游坡面在整個撞擊過程中產(chǎn)生位移較小，撞擊結(jié)束時，下游坡面產(chǎn)生的位移在0.8～2 cm，即公路下游坡面受尾砂撞擊作用較小，能夠保持整體的穩(wěn)定。從位移矢量圖圖7可以得知，位移方向與公路上游坡面大致平行，即公路上游坡面受尾砂泥石流撞擊沖刷嚴重，在其上游坡面坡腳處會產(chǎn)生一個較大的“沖刷坑”。

圖7 尾砂與公路撞擊作用7 s后公路上、下游累計總位移矢量分步圖

5 結(jié) 論

(1)采取分步模擬的數(shù)值模擬方法能夠有效地解決潰壩尾砂泥石流運移的矢量預(yù)測和尾砂動力響應(yīng)的關(guān)聯(lián)分析。

(2)擬建公路對潰壩尾砂泥石流有一定的阻擋作用，使其流速略減、演進時間延長約在15 s左右，降低了尾砂泥石流對馬鞍嶺公路下游的影響，對下游起到一定程度的保護作用。

(3)4#副壩潰壩后在其下游公路路面會有較大范圍內(nèi)的尾砂覆蓋，影響公路的正常通車。

(4)4#副壩潰壩后，公路上游坡面向內(nèi)側(cè)較小范圍內(nèi)受尾砂沖刷較為嚴重，會產(chǎn)生約89.02 cm的位移，但公路大部分區(qū)域受尾砂泥石流撞擊影響較小，其下游道路能夠保持整體穩(wěn)定。

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(責任編輯 石海林)

ImpactofTailingsDamFailureontheDownstreamFloodandCollision

Chen Xing1,2Zhu Yuanle1,2Xiao Xiong3He Zhiguo4

(1.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，ChinaS；2．StateKeyLaboratoryofSafetyTechnologyofMetalMines，Changsha410012，China；3.StateKeyLaboratoryofWaterResourceandHydropowerEngineeringScience，Wuhan430072，China；4.OceanCollege，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

Such factors as overtopping，collapse，landslide and leakage occurred at dam body give rise to the failure of tailing dam.After failure，the tailing sand with high potential energy will form sand debris flow rushing to the downstream，which brings great risks on the safety of lives and properties of citizens living at downstream.Aiming at the outstanding problem of tailing dam accidents-dam failure，and taking Heyetang tailing pond in Baoshan as an example，the step-by-step simulation method was adopted to analyze the impact of 4#tailing dam failure on the safety of Maanling road at downstream by combining with the momentum process of migration and submerging of tailing debris flow，and the mechanical process of collision between debris flow and obstacles.After failure，the road submerging at downstream by tailing sands and the migration regularity of tailings debris flow directly influence the variation of disaster energy.So，the investigation on the collision between tailing debris flow and obstacles and the variation of energy can reveal the migration regulation so as to discover the submerged area of tailing debris flow at downstream，the migration regulation of tailing sand and the collision on highway at downstream and to discuss the safety of the highway.

Dam failure，Tailings dam，Debris of tailings，Submerged area

2014-06-06

湖南省重大科技專項(編號：2011FJ1003)。

陳 星(1984—)，男，工程師。

TD926

A

1001-1250(2014)-12-188-05