尾礦庫潰壩泥石流的演進過程及防護措施研究

劉 洋 齊清蘭 張力霆

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

由于尾礦庫潰壩泥石流突發(fā)性強，因此其演進過程的實地觀測資料較少，目前尾礦庫潰壩泥石流運動的研究方法主要有模型試驗和數(shù)值模擬2 種。我國尾礦庫潰壩的模型試驗研究起步較晚［1］。2010 年，尹光志［2］以云南某尾礦庫的設(shè)計資料為依據(jù)進行模型試驗研究，通過模擬尾礦庫潰壩砂流的運動規(guī)律，得到泥石流淹沒深度以及典型過流斷面沖擊力的變化規(guī)律。2012 年，王永強［3］以四川某尾礦庫設(shè)計資料為依據(jù)進行全潰壩模型試驗，得到泥石流演進過程中沖擊力、流速等要素的變化規(guī)律，從而進一步預(yù)測泥石流的影響范圍。在數(shù)值模擬方面，Takahashi［4］提出了二維有限差分模型，該模型以膨脹流模型和分散應(yīng)力為理論基礎(chǔ)，同時還考慮了泥流顆粒的碰撞運動。2013 年，金佳旭［5］以遼寧某尾礦庫為例，對其潰壩過程進行數(shù)值模擬，觀察分析了潰壩砂流的運動狀態(tài)、堆積變化過程以及潰壩影響范圍，為下游的防護工作提供了重要依據(jù)。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻，人們對尾礦庫潰壩泥石流發(fā)生原因和內(nèi)部作用力的研究較多，對泥石流防護措施的研究較少。本研究以某潰壩尾礦庫為實例，對潰壩泥石流的演進過程進行三維數(shù)值模擬，并討論攔擋導(dǎo)流壩在泥石流防護中的作用。

1 尾礦庫潰壩泥石流運動的控制方程

尾礦庫潰壩泥石流運動的控制方程包括連續(xù)方程

動量方程

k 方程

ε 方程

考慮到泥石流數(shù)值模擬計算采用賓漢流體模型，經(jīng)查閱相關(guān)資料并反復(fù)對比，決定選用模型參數(shù)黏滯系數(shù)為100 Pa·s，屈服應(yīng)力為2 kPa。

2 工程實例

2.1 工程概況及計算模型

河北省某尾礦庫總壩高為53 m，平均壩坡比為1∶ 1.87。2009 年該尾礦庫發(fā)生潰壩事故，下泄尾砂量約25 萬m3，淹沒農(nóng)田、河床約5 萬m2，損壞選廠供電線路約150 m，損壞變壓器1 臺，房屋約70 m2，皮卡車1 輛，死亡3 人，直接經(jīng)濟損失約200 萬元。淹沒范圍如圖1 中實線所包圍的區(qū)域。

圖1 某潰壩尾礦庫Fig.1 A dam break

根據(jù)實地調(diào)研和實測資料，潰體分3 次崩塌，總潰量約25 萬m3，在下游的淹沒范圍約為5 萬m2。數(shù)值模擬假定3 次潰量相同，潰體的流通區(qū)根據(jù)尾礦庫周邊地形情況建立，三維潰壩模型如圖2 所示。

圖2 尾礦庫三維潰壩模型Fig.2 Three-dimensional dam break model of tailing pond

2.2 無防護措施的模擬結(jié)果

2.2.1 淹沒范圍

無防護措施時的計算結(jié)果如圖3 所示，圖4 為實測淹沒范圍與計算范圍對比圖。根據(jù)實測資料，下游的淹沒范圍約5 萬m2，泥石流沿谷口方向淹沒的最大長度為220 m，垂直于谷口方向淹沒的最大長度為405 m。模擬計算的淹沒范圍約為6 萬m2，泥石流沿谷口方向淹沒的最大長度為234 m，垂直于谷口方向淹沒的最大長度為413 m。二者基本吻合，說明可以通過數(shù)值模擬預(yù)測潰壩范圍，分析泥石流運動規(guī)律，為下游的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 計算淹沒范圍Fig.3 Submerged area of calculation

圖4 計算范圍與實測范圍對比Fig.4 Calculation and measurement area

2.2.2 泥石流運動速度

為了研究泥石流的運動規(guī)律，在下游選取典型監(jiān)測點，位置如圖5 所示，每2 個監(jiān)測點之間的距離均為50 m。

圖5 監(jiān)測點布置Fig.5 Schematic diagram of monitoring point

點①、③、⑥、⑧處泥石流速度隨時間的變化情況如圖6 ～圖9 所示。點①處第1 次潰壩泥石流的最大速度為14.09 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為13.71 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為12.59 m/s;點③處第1 次潰壩泥石流的最大速度為14.33 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為8.96 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為6.36 m/s;點⑥處第1 次潰壩泥石流的最大速度為8.50 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為4.37 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為2.80 m/s;點⑧位于泥石流淹沒范圍的邊界，流到此處的泥石流為3 次疊加的結(jié)果，故只有1 個峰值流速，約為0.95 m/s?？傮w上看，3 次潰壩泥石流通過典型位置的最大流速均呈減小趨勢。這是由于第1 次潰壩時地形上沒有阻礙其流動的堆積物(泥砂);而第2 次潰壩時壩坡上殘留了第1 次潰壩堆積的泥砂，致使摩擦阻力增大，速度隨之減小;同理，由于前2 次潰壩的影響，第3 次潰壩時摩擦阻力進一步增大，流速減小。

圖6 測點①流速變化Fig.6 Velocity of measuring point ①

2.2.3 泥石流堆積厚度

點①、③、⑥、⑧處泥石流堆積厚度隨時間的變化情況如圖10 ～圖13 所示。

圖7 測點③流速變化Fig.7 Velocity of measuring point ③

圖8 測點⑥流速變化Fig.8 Velocity of measuring point ⑥

圖9 測點⑧流速變化Fig.9 Velocity of measuring point ⑧

圖10 測點①厚度變化Fig.10 Depth of measuring point ①

點①處第1 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為13.26 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為11.32 m，第3 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為9.88 m。這是由于點①距潰體很近，第1 次潰壩的堆積厚度受到第2 次、第3 次下泄泥石流的沖擊后使其呈減小趨勢，穩(wěn)定后的堆積厚度約為1.48 m。

圖11 測點③厚度變化Fig.11 Depth of measuring point ③

圖12 測點⑥厚度變化Fig.12 Depth of measuring point ⑥

圖13 測點⑧厚度變化Fig.13 Depth of measuring point ⑧

點③處第1 次潰壩泥石流的最大堆積厚度5.34 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度7.24 m，第3次潰壩泥石流的最大堆積厚度10.09 m。這是由于潰壩泥石流在此處疊加堆積使得堆積厚度不斷增大。穩(wěn)定后的堆積厚度約為5.59 m。同理，點⑥處第1次潰壩泥石流的最大堆積厚度為3.66 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為6.28 m，第3 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為7.57 m，穩(wěn)定后泥石流的堆積厚度約為6.28 m;第1 次和第2 次潰壩后泥石流均未到達點⑧處，第3 次潰壩泥石流在此處的最大堆積厚度為2.41 m，穩(wěn)定后泥石流的堆積厚度為2.33 m。

2.3 有防護措施的模擬結(jié)果

如圖14 所示，在谷口附近距壩體約25 m 處設(shè)置1 道高5 m、長度與谷口寬度相同、位置與谷口方向垂直的攔擋導(dǎo)流壩。潰壩時高勢能的泥石流迅速沖向下游，此攔擋導(dǎo)流壩可以有效減小泥石流的速度，降低其對下游的沖擊力，同時也可以攔擋一部分泥石流。在第1 道攔擋導(dǎo)流壩下游沿中線距離72 m 處設(shè)置第2 道攔擋導(dǎo)流壩，其高度為6 m，長度150 m，呈30°放置。第3 道壩距離第2 道壩72 m，高度與長度與第2 道相同，且位置與第2 道平行。加設(shè)導(dǎo)流壩后的計算結(jié)果如圖15 所示，圖16 為未設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩與設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后淹沒范圍對比圖。

圖14 攔擋壩設(shè)置示意Fig.14 Schematic diagram of landslide dam

圖15 設(shè)置攔擋后潰壩范圍Fig.15 Debris area of setting landslide dam

圖16 設(shè)置攔擋前后淹沒范圍對比Fig.16 Debris area comparison under two conditions

計算結(jié)果表明:未設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩時，泥石流在下游的淹沒面積為6 萬m2，在重要設(shè)施方向的最大淹沒距離為234 m;設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后，泥石流在下游的淹沒范圍為4.6 萬m2，在此方向的最大淹沒距離為160 m，有效攔截了泥石流，使其避開了對重要設(shè)施的破壞。

為了進一步分析攔擋導(dǎo)流壩對泥石流堆積厚度的影響，結(jié)合圖5 中的監(jiān)測點①～⑥對其泥深數(shù)據(jù)進行對比分析，如表1 所示。結(jié)果表明，設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后的泥石流深度均大于設(shè)置前的深度，說明攔擋導(dǎo)流壩不僅對泥石流起到導(dǎo)流作用，還可攔蓄一部分泥石流，以減小泥石流向下游的演進距離。

表1 防護前后下游堆積厚度對比Table 1 Depth comparison under pre and post protection

3 結(jié) 論

(1)通過對各監(jiān)測點潰壩泥石流速度和堆積厚度分析，得到了尾礦庫潰壩泥石流的運動規(guī)律。對于相同的位置點，多次潰壩所形成的泥石流最大速度呈遞減趨勢;對于不同的位置點，距離壩體越遠，泥石流最大速度越小;在距離壩體較近位置，多次潰壩的泥石流最大堆積厚度呈減小趨勢;在距離壩體較遠位置，多次潰壩的泥石流最大堆積厚度呈增大趨勢。當(dāng)泥石流運動結(jié)束后，在泥石流堆積區(qū)域的中間部位堆積厚度較大，邊緣部位的堆積厚度較小。

(2)數(shù)值模擬了設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后的泥石流演進過程，通過對比泥石流淹沒范圍和淹沒深度證明攔擋導(dǎo)流壩對泥石流的防護效果明顯。

［1］ 張力霆. 尾礦庫潰壩研究綜述［J］. 水利學(xué)報，2013(5):594-600.

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