一種簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進計算方法研究

李文新，郭朝陽，莫蘇鵬，劉艷紅

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410014；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

一種簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進計算方法研究

李文新1，郭朝陽1，莫蘇鵬1，劉艷紅2

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410014；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

針對尾礦庫潰壩泥石流危害范圍尚無成熟模型模擬的情況，借鑒我國在泥石流領域及水庫潰壩領域取得的研究成果，利用常用的工具軟件，采用經(jīng)驗公式法對尾礦庫潰壩泥石流進行簡單計算，并根據(jù)泥石流流經(jīng)的溝谷特征對計算結(jié)果進行調(diào)整，以獲得尾礦庫潰壩泥石流相對正確的流態(tài)，保證下游的淹沒影響范圍分析的準確性。

尾礦庫；潰壩；泥石流演進；淹沒區(qū)域

0 前 言

尾礦庫是礦山安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),也是該領域的重大危險源之一[1]。迄今為止，世界上正在使用的各類尾礦庫超過2萬座[2]，而我國尾礦庫數(shù)量多，分布廣,庫容規(guī)模相差大，據(jù)初步統(tǒng)計,到2008年年底,我國共有尾礦庫1萬多座,其中100萬m3以上的尾礦庫有800多座[3]。尾礦泥石流具有高勢能、流速快的特點，一旦潰壩會形成大規(guī)模的尾礦泥石流，對下游破壞力極強，可摧毀房屋村莊樹木，破壞公共交通設施，嚴重危害下游居民的生命安全[4]。

目前尾礦庫潰壩泥石流演進還沒有一個成熟可用的數(shù)學模型可進行模擬分析[5]，針對尾礦庫安全日益嚴峻的形勢，本文借鑒成熟的泥石流演進研究成果及經(jīng)驗公式(見表1)，利用工作中常用的工具軟件，采用數(shù)值模擬法對兩種比較常見的尾礦庫潰壩泥石流(下游為平直型山溝和串珠型山溝等多種情況)進行簡單計算，提出了一種尾礦庫潰壩泥石流下游淹沒區(qū)域的簡單計算方法，并在福建某尾礦庫得到實際驗證。本文研究成果對指導礦山企業(yè)對尾礦庫下游安全區(qū)域劃分及日常管理具有重要意義。

表1 尾礦庫潰壩模擬計算公式

1 平直型山溝淹沒區(qū)域的計算

1.1 計算原理

以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點，沿尾礦庫所在山溝每隔50～200 m(設置距離根據(jù)溝谷的寬度變化及彎曲程度，平直型溝谷設置間距大，串珠狀溝谷設置間距小)設置一條垂直于溝底的剖面。在計算過程中，溝谷的溝底坡度，溝谷植被如無明顯變化，一般認為溝底坡度、粗糙率不變。借助泥石流計算領域的經(jīng)驗公式，可連續(xù)計算得到尾礦庫潰壩時潰口的平均寬度、尾礦庫壩址處潰壩洪水最大流量、壩址處潰壩泥石流流量、不同計算斷面處的最大泥石流流量。求得尾礦庫下游潰壩泥石流淹沒區(qū)域的關(guān)鍵是求得潰壩泥石流的泥深(水力半徑R)，在潰壩泥石流經(jīng)過的某一斷面上存在關(guān)系式：過流斷面面積(S)=流經(jīng)此斷面的流量(Qml)/此斷面泥石流流速(Uc)，各斷面的流量可通過經(jīng)驗公式計算得。Uc是水力半徑R的函數(shù)(見公式(6))，而各斷面不同水力半徑下的潰壩泥石流過流面積可列表計算，然后根據(jù)關(guān)系式，列表計算出水力半徑R(泥深)的值。

1.2 公式法計算

(1) 計算各斷面處最大流量Qml。壩址處的潰壩流量在向下游演進中，將不斷展平和於留，下游的最大流量將逐步衰減。采用非恒定流解法，由壩址處的潰壩流量過程逐段演算出下游各斷面處的流量過程。潰壩在下游某斷面處(為100的整數(shù)倍)形成的最大流量，根據(jù)式(5)計算。

(2) 計算不同水利半徑下泥石流的流速。根據(jù)公式(6)列表計算不同水力半徑下的泥石流流速，如表2所示。

表2 不同水力半徑下的泥石流流速

(3) 計算各斷面不同水力半徑(R)下的過流面積(S)。計算剖面自最低標高處每隔1 m(水力半徑)設為一層，共設n層，計算每層面積s及疊加面積S，得出不同水力半徑下對應的過流斷面面積，如表3所示。

(4) 泥石流深度。根據(jù)關(guān)系式Uc×S=Q，當不同的Uc值與S值計算得出的Q(見表4)與該斷面計算得到的Qml相等時，該Qn欄對應的R即為所要求得潰壩泥石流流經(jīng)此斷面處的泥深。

潰壩泥石流在斷面m處的深度H=R，根據(jù)該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區(qū)域即為潰壩泥石流的淹沒區(qū)域。

表3 不同水力半徑下的過流斷面面積

表4 某斷面相同水力半徑下的流速與過流斷面的乘積(Q)

2 串珠型山溝淹沒區(qū)域的計算

2.1 調(diào)整計算原理及原則

串珠型山溝寬度不一，河道彎曲，在計算串珠型山溝時，首先將串珠型山溝考慮為平直型山溝模型，為了使串珠型山溝計算得淹沒標高更符合實際，然后在平直型山溝計算結(jié)果的基礎上，對各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積進行調(diào)整計算，調(diào)整計算原理見圖1。

圖1 調(diào)整計算原理圖

調(diào)整計算遵循以下原則：

(1) 串珠型溝谷先按照平直型溝谷計算出各項參數(shù)(過流斷面面積、水力半徑、流量、流速)，然后根據(jù)所得的各項參數(shù)進行調(diào)整；

(2) 無論河道寬窄變化，自上游第1剖面開始，Qm一直變??；

(3) 各參數(shù)的調(diào)整大小根據(jù)斷面變化率進行調(diào)整(當前斷面與上游上一個斷面相比)，變化率大，調(diào)整大，變化率小，調(diào)整小；

(4) 潰壩泥石流在溝谷中流動過程中，各斷面泥石流頂標高呈逐漸下降趨勢(泥石流龍頭除外)。

2.2 彎道超高和泥石流沖高

由于串珠型山溝河道存在彎曲，泥石流流經(jīng)彎道和正對山坡流動時會有彎道超高ΔH(式(7))和泥石流沖高hΔc(式(8))。

2.3 外彎道處潰壩泥石流深度H

外彎道處潰壩泥石流深度H=調(diào)整后的泥石流泥深R+彎道超高ΔH+泥石流沖高hΔc，根據(jù)該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區(qū)域即為潰壩泥石流調(diào)整后的淹沒區(qū)域。

3 工程應用

3.1 尾礦庫基本情況

福建某尾礦庫壩底標高420.00 m，最終堆積標高為625 m，其總庫容為4781.1萬m3，其最終堆積標高時總壩高205 m，設計為二等庫。初期壩為碾壓堆石壩，后期采用尾礦上游法堆壩，堆積壩平均外坡比為1∶5，尾礦庫排水系統(tǒng)為排水井—隧道系統(tǒng)，尾礦庫匯水面積為3.992 km2，后期設計防洪標準為1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。

尾礦庫下游600 m范圍內(nèi)有49戶居民(已達成拆遷協(xié)議)，該處居民安全拆遷作為當?shù)卣闹攸c工作于2014年6月已啟動，并成立了安全移民專項工作領導小組，并經(jīng)多方論證，在尾礦庫下游距離初期壩1800 m處的山坡上+425 m標高處劃定了一塊安置房建設用地，作為拆遷戶安置用地，該地塊已開始了平整工作。

為配合當?shù)卣块T更好地組織尾礦庫下游的安全拆遷工作，同時也為尾礦庫重大事故應急預案提供依據(jù)，需要對尾礦庫潰壩可能產(chǎn)生的最壞后果進行一次模擬分析，以確保拆遷安置用地不再位于尾礦庫潰壩的直接影響范圍之內(nèi)。

3.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)表1中的計算方法，計算得出尾礦庫潰壩泥石流的各項參數(shù)，并調(diào)整計算得到最終結(jié)果，計算結(jié)果見表5。

表5 工程應用計算結(jié)果

根據(jù)調(diào)整計算結(jié)果，彎道處泥深H=R+hΔc+ΔH，各斷面距離初期壩的距離分別與流量、水力半徑、流速及過流面積的曲線見圖2～圖6。

尾礦壩潰決后，潰決平均寬度為200 m，洪水和尾礦砂同時下泄，最大洪水下泄流量為3057.75 m3/s，尾礦砂最大下泄流量為13821 m3/s。

泥石流首先沿著初期壩下游河溝(流通區(qū))向下游行進，到達溝口處速度為13.48 m/s，進入堆積區(qū)，由于流通截面積突然變大，因此泥石流流速迅速衰減，流速衰減為4 m/s左右，由于流速變慢，尾砂出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。泥石流流經(jīng)彎道時，彎道外圍泥石流面標高由于受沖高和彎道超高影響，會高出1～2 m。泥石流流經(jīng)拆遷安置點時，泥石流頂面與拆遷安置點地面標高有近33 m高度差，因此尾礦庫潰壩泥石流對拆遷安置區(qū)無直接影響。

由于堆積區(qū)河溝較粗糙，植被較發(fā)育，且多道彎，能起到降低泥石流動能和勢能的作用，泥石流在堆積區(qū)流進過程中會逐漸堆積，流量會逐漸衰減。泥石流淹沒區(qū)域見圖7。

圖2 斷面距離初期壩的距離與泥石流頂標高曲線

圖3 斷面距離初期壩的距離與流量曲線

圖4 斷面距離初期壩的距離與水力半徑關(guān)系曲線

圖5 斷面距離初期壩的距離與流速關(guān)系曲線

圖6 斷面距離初期壩的距離與過流面積關(guān)系曲線

圖7 潰壩泥石淹沒區(qū)域圖(灰色部分)

4 結(jié) 論

尾礦庫潰壩模擬是在經(jīng)驗公式的基礎上，對流經(jīng)各計算斷面的不同水力半徑下的過流斷面面積、泥石流流速、流量及流經(jīng)各斷面的泥石流深度(水力半徑)進行列表計算，然后根據(jù)串珠型溝谷的特點及調(diào)整計算原則進行調(diào)整計算，從而得出與實際情況較符的泥石流泥深(水力半徑)、流量及流速，從而計算出潰壩泥石流對下游的淹沒區(qū)域。根據(jù)計算結(jié)果，可對尾礦庫下游安全區(qū)劃分、尾礦庫安全管理及應急預案編制起到指導作用。

在計算過程中，溝谷的摩擦系數(shù)與河槽坡度等因素的變化，對結(jié)果都有影響，需進一步深入研究。

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2017￣01￣11)