尾礦庫潰壩影響預(yù)測方法的探討

陳斌，翟文龍，李青

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫潰壩影響預(yù)測方法的探討

陳斌，翟文龍，李青

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫潰壩后果嚴(yán)重，目前在金屬礦山環(huán)境影響評價(jià)工作中，尾礦庫潰壩預(yù)測方法無統(tǒng)一規(guī)范，且多數(shù)缺乏依據(jù)。以某尾礦庫為例，通過對比前人的計(jì)算方法，找出相對合理的計(jì)算方法，采用數(shù)值法和解析法相結(jié)合的方法計(jì)算某尾礦庫潰壩后尾砂下泄量、下游各斷面洪峰流量、洪峰淹沒高度、影響范圍等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為環(huán)境影響評價(jià)中尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測工作提供借鑒。

尾礦庫；潰壩；影響范圍

尾礦庫是金屬礦采選建設(shè)項(xiàng)目重要的工程內(nèi)容，由于尾礦堆積高度較大，具有較高的勢能，可視作人造泥石流風(fēng)險(xiǎn)源。尾礦庫潰壩原因如下：遇特大洪水，導(dǎo)致尾礦庫水位上漲，造成漫頂垮壩；壩基選址不當(dāng)，位于不穩(wěn)定的斷裂之上，或壩基下有軟弱層存在，因壩體失穩(wěn)而潰壩；排洪設(shè)施損壞，如坍塌造成隧洞堵塞致排洪系統(tǒng)失效，壩體浸潤線升高而造成潰壩；此外，還有人為破壞等外力因素。

近年來我國尾礦庫發(fā)生多起重特大潰壩事故，如湖南柿竹園牛角垅尾礦庫潰壩事故、云南錫業(yè)公司火谷都尾礦庫潰壩事故、山西襄汾塔兒山鐵礦尾礦庫潰壩事故、遼寧海城尾礦庫潰壩事故［1］，給下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失，造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞。因此尾礦庫是金屬礦采選項(xiàng)目環(huán)評及安評工作的重點(diǎn)關(guān)注對象。

1 尾礦庫潰壩研究現(xiàn)狀

目前對尾礦庫潰壩后果的預(yù)測方法不一。有的采用數(shù)學(xué)模型法，用水力學(xué)模型來預(yù)測尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)；有的采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法，如袁子有［1］、徐克［2］等人，曾用工程類比法，借鑒水庫潰壩的成熟公式來計(jì)算尾礦庫潰壩后的洪峰流量及洪峰高度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合尾礦庫潰壩特點(diǎn)進(jìn)行修正，該法較為合理，且省時(shí)省力；有的采用物理模型法，如德興銅礦新建尾礦庫潰壩預(yù)測、四川冕寧縣牦牛坪稀土礦尾礦庫潰壩預(yù)測工作，物理模型預(yù)測結(jié)果能夠比較好的指導(dǎo)工程實(shí)踐，但是物理模型法耗時(shí)、耗財(cái)。

目前有色金屬礦山的環(huán)境影響評價(jià)工作中，對尾礦庫潰壩后果預(yù)測方法暫無統(tǒng)一規(guī)范要求，存在很多問題。首先是泄砂量的取法不一，多數(shù)毫無依據(jù)，而泄砂量是預(yù)測結(jié)果是否可靠最重要的依據(jù)；其次，很多環(huán)評報(bào)告對尾礦庫的潰壩預(yù)測結(jié)果停留在壩體下游尾砂體最終覆蓋范圍和覆蓋高度上，且最終覆蓋范圍和高度的確定往往缺乏依據(jù)。實(shí)際上，尾砂潰出壩體后向下游的運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，因此應(yīng)關(guān)注在這個(gè)過程中，尾砂流到達(dá)各個(gè)斷面時(shí)的最大流量及最大淹沒高度。

2 工程實(shí)例

本文以某尾礦庫為例，預(yù)測其在洪水漫頂情況下發(fā)生潰壩后的影響。

2．1 尾礦庫基本情況

某尾礦庫為山谷型尾礦庫，初期壩為透水堆石壩，壩高23m，后期壩采用尾砂筑壩，共設(shè)六級堆積壩，總壩高59m。庫區(qū)總庫容1 962．1萬m3。

2．2 泄砂量的計(jì)算

本文假定尾礦庫潰壩是由于洪水漫頂引起，此時(shí)下泄尾砂量最大。

查閱大量有色金屬礦山環(huán)境影響報(bào)告書，發(fā)現(xiàn)在泄砂量的計(jì)算上，有的采用全庫容，有的按照全庫容的百分比取值，缺乏依據(jù)。本次采用數(shù)值模擬軟件，運(yùn)用摩根斯普萊斯條分法原理［3］預(yù)測洪水漫頂后尾礦庫壩潰最不穩(wěn)定滑動(dòng)面位置，下泄尾砂體的總固體量取為滑弧底面以上的尾砂體，并考慮洪水漫頂潰壩時(shí)庫內(nèi)的水與固體尾砂量一下潰出庫外［2，5］。

尾砂及地層的土工參數(shù)依據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，堆石壩體的參數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。穩(wěn)定性計(jì)算用到的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

假定該庫發(fā)生洪水漫頂并潰壩，該工況下最不穩(wěn)定滑面處安全系數(shù)為0．986，預(yù)計(jì)潰壩產(chǎn)生的泄砂總量為100萬m3，滑面位置模擬結(jié)果見圖1。

2．3 壩址處最大洪峰流量

通過查閱相關(guān)環(huán)境影響報(bào)告書及文獻(xiàn)，潰壩洪水最大洪峰流量QM多采用水力學(xué)中的圣維南公式計(jì)算，相對合理。

圖1 滑面位置模擬結(jié)果Fig．1 Simulation results of slip surfaces

式中：QM—壩址處洪水洪峰流量，m3/s；b—潰口寬度，m；B—主壩長度，m；g—重力加速度，9．8m/s2；H0—潰壩時(shí)庫內(nèi)水深，m，根據(jù)設(shè)計(jì)的尾礦庫容曲線計(jì)算。

按最不利情況考慮，假設(shè)堆積壩局部潰壩一潰到底，潰口寬度b參考黃河水利委員會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［］：

式中：b—潰口寬度，m；K—與壩體土壤有關(guān)的系數(shù)，黏土類壩取值0．65，壤土類壩取1．3；W—潰壩時(shí)的尾砂流下泄量，m3；B—主壩長度，m；H—壩高，m。

尾礦庫潰壩后，進(jìn)入下游的是尾礦和水的混合體，下泄尾砂體的洪峰流量與洪水洪峰流量成正比，但應(yīng)按照尾砂的摻入量對公式（1）進(jìn)行修正。修正后下泄尾砂流的洪峰流量Qs修正公式如下［1］：

式中：φc—考慮尾礦砂后的流量系數(shù)；γd—尾砂流的容重，N/m3；γw—水的容重，N/m3；γe—尾砂顆粒的容重，N/m3。

2．4 洪峰演進(jìn)過程及淹沒范圍

下泄尾砂體在流動(dòng)的過程中由于受到摩擦阻力的作用及兩側(cè)山體的阻擋能量迅速降低，洪峰流量逐漸削減，不同斷面處的洪峰高度根據(jù)洪峰流量進(jìn)行估算。

洪峰淹沒高度公式如下：

式中：hs—洪峰淹沒高度，m；QSLM—斷面洪峰流量，m3/s；B—下斷某斷面處寬度，m。v—河道洪水流速，m/d。山區(qū)河道洪水期間河道斷面平均速度7．15m/s，半山區(qū)河道4．76m/s，平原河道3．13m/s，本尾礦庫位于山區(qū)，斷面平均速度取值為7．15m/s［4］。

對于不同斷面處洪峰流量的求解，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，主要有兩種計(jì)算公式。

1）方法一：認(rèn)為下游不同斷面處的洪峰流量與壩體處的最大洪峰流量無關(guān)，而是與尾砂流下泄量有關(guān)［1］，公式如下：

式中：QSLM—沿程最大尾砂體洪峰流量，104m3/s；φc同上；QLM—沿程最大洪水流量，104m3/s；H0—上游水深，m；W—潰壩可泄庫容，104m3；L—計(jì)算斷面距壩址距離，km；k—系數(shù)，0．22～0．60，對于山區(qū)取k＝0．57，對于平原取k＝0．24。

2）方法二：認(rèn)為下游不同斷面處的洪峰流量與壩址處的最大洪峰流量及尾砂下泄量均相關(guān)［2，6］，公式如下：

式中：QSLM2—沿程最大尾砂體洪峰流量，m3/s；W2—潰壩可泄庫容，m3；QM—壩址處洪水洪峰流量，m3/s；v同上；K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)K＝1．1～1．5，半山區(qū)K＝1．0，平原區(qū)K＝0．8～0．9。

兩種方法的預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 兩種方法預(yù)測結(jié)果比較表Table 2 Comparison of the results with two different methods

方法一計(jì)算結(jié)果表明，壩下游100m處和200 m處的最大流量均高于壩址處的洪峰流量，與常理相悖。方法二的計(jì)算結(jié)果相對合理，而且斷面洪峰流量隨距離的衰減比方法一計(jì)算結(jié)果慢，相對保守，因此本次取方法二的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將尾砂流淹沒高度0．5m以上時(shí)的范圍作為淹沒覆蓋范圍，因此，該尾礦庫潰壩后影響范圍在壩址下游3km以內(nèi)。

3 結(jié)論

1）根據(jù)查閱大量環(huán)境影響報(bào)告書及相關(guān)文獻(xiàn)，比較了尾礦庫潰壩后泄砂量、洪峰流量的不同計(jì)算方法，尤其是在不同斷面處洪峰流量的計(jì)算上進(jìn)行了兩種方法的著重比較，找出相對合理的算法，并運(yùn)用于某尾礦庫潰壩后影響范圍的預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明影響范圍在3km左右，影響范圍較廣。

2）本文所用解析算法存在不足之處，認(rèn)為尾砂流在下泄路徑中不存在淤積。實(shí)際上，尾砂體在下泄過程中，由于尾砂的沉降作用，會(huì)在下泄的路徑上不斷淤積，但目前對這個(gè)淤積量不好確定，有待進(jìn)一步研究。本文所采用的方法更為保守，可以應(yīng)用于實(shí)際工作。

3）尾礦庫潰壩危害極大，因此必須采取有效措施，在建庫前需要在尾礦庫壩基地基、壩肩、以及整個(gè)庫區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)勘察，對不良地質(zhì)條件進(jìn)行治理，確定壩基、壩肩、庫區(qū)穩(wěn)定，禁止盲目設(shè)計(jì)；尾礦庫應(yīng)按規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水計(jì)算及調(diào)洪演算，保證調(diào)洪庫容及排洪設(shè)施排洪能力能夠滿足設(shè)計(jì)洪水總量、洪峰流量以及洪水排出時(shí)間要求，以確保安全超高和干灘長度滿足規(guī)范要求；對壩體浸潤線進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)浸潤線超過安全高度時(shí)采取必要的排水措施；加強(qiáng)管理，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，及時(shí)巡視并修復(fù)尾礦庫安全設(shè)施。

4）尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測還有待進(jìn)一步的研究。尾礦庫潰壩所造成的影響巨大，應(yīng)引起重視。建立潰壩后尾砂體演進(jìn)過程的三維數(shù)值模型，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測尾砂流的影響范圍及破壞強(qiáng)度。本文旨在拋磚引玉，期待有更好的研究成果。

［1］袁子有．尾礦庫潰壩數(shù)值計(jì)算及對下游影響分析［J］．金屬礦山，2012（8）：156－159．

［2］徐克，趙云勝，張強(qiáng)．尾礦庫潰壩后果數(shù)值分析［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（10）：28－30，43．

［3］陳仲頤，周景星．土力學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1992．

［4］郭朝陽，唐治亞．尾礦庫潰壩模型探討［J］．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6（1）：63－67．

［5］袁兵，王飛躍，金永健，等．尾礦壩潰壩模型研究及應(yīng)用［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18（4）：169－172．

［6］陳殿強(qiáng)，何峰，王來貴．鳳城市某尾礦庫潰壩數(shù)值計(jì)算［J］．金屬礦山，2009（10）：74－76，80．

Study on prediction method about dam－break impact of tailings pond

CHEN Bin，ZHAI Wenlong，LI Qing
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

Tailings dam－break can cause serious consequences．In the current environmental impact assessment of metal mines，there is no unified standard on prediction methods about dam－break，and most methods are lack of basis．Taking a tailings dam as an example，by comparing the previous calculation method，this article selects a relatively reasonable calculation method to make a prediction about dam－break consequences，which used numerical and analytical methods．The key data calculated includes discharged amount of tailing flow，maximum flow and submerged height of different section of downstream，and influence range．This article can be a reference to prediction on tailings dam－break risk in environmental impact assessment．

tailings dam；dam－break；influence range

TD926

Α

1671－4172（2015）04－0098－03

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．022

陳斌（1986－），女，工程師，碩士，地下水科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事環(huán)境影響評價(jià)工作。