尾礦庫潰壩泥石流相似模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

敬小非，潘昌樹，謝 丹，龔秀蘭，張小順

(重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331)

數(shù)字出版日期： 2017-07-19

0 引言

尾礦庫[1-3]是一種特殊的工業(yè)建筑物，也是一座具有高勢(shì)能的人造泥石流巨大危險(xiǎn)源。通過對(duì)國內(nèi)外資料的搜集與研讀，發(fā)現(xiàn)對(duì)尾礦壩[4-9]的研究多集中在環(huán)境污染、穩(wěn)定性分析等方面，而對(duì)尾礦壩潰壩災(zāi)害的研究基本為空白。而尾礦壩一旦發(fā)生潰壩，將對(duì)下游造成災(zāi)難性的傷害。如2008年，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司新塔礦區(qū)980平硐尾礦庫發(fā)生特別重大潰壩事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 619.2萬元[10]。

因此，研制泥石流相似模型試驗(yàn)臺(tái)研究尾礦壩潰壩礦漿的流態(tài)演進(jìn)過程以及礦漿運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)分布規(guī)律的測(cè)算和分析是尾礦壩潰壩流體力學(xué)發(fā)展之關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)潰壩流態(tài)演進(jìn)過程的分析計(jì)算，預(yù)測(cè)尾礦庫泄砂總量、壩趾最大砂流量、壩趾流量過程線、重要建筑物處的受力過程等潰壩重要參數(shù)，全面分析潰壩災(zāi)害的影響范圍和程度(淹沒高程及流速[11])，為下游防災(zāi)減災(zāi)工程等一系列安全問題提供可靠、堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)單位也可根據(jù)潰壩計(jì)算數(shù)據(jù)決定是否在壩體下游建立攔擋壩[12-13]、導(dǎo)流槽，以減緩礦漿對(duì)下游重要建筑物的沖擊力度，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的作用。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

尾礦庫潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)制試驗(yàn)裝置的具體設(shè)計(jì)思路如下：(1)采用亞克力材料制作尾礦庫、下游沖溝(由10個(gè)0.6 m長的U型槽構(gòu)成)及彎度調(diào)節(jié)裝置；(2)采用鐵質(zhì)材料制作支架(涂有紅漆以防止其生銹)，并在金屬支架上放置抱箍，固定一亞克力底板并在其上方放置上述尾礦庫、下游沖溝及彎度調(diào)節(jié)裝置；(3)通過調(diào)節(jié)支架上的抱箍位置以調(diào)節(jié)坡度；(4)在下游沖溝透明底板上固定支撐板，并在支撐板上固定壓力傳感器以測(cè)量泥石流的沖擊力；(5)采用亞克力材料制作2個(gè)直徑大于沖溝寬度的圓盤，在2個(gè)圓盤(上下放置)之間插入1個(gè)小圓柱，使上下圓盤可任意轉(zhuǎn)動(dòng)，將下圓盤與上端沖溝底板下部固定，上圓盤與下端沖溝底板上部固定，在上下端沖溝外邊緣固定4個(gè)外盒，在盒內(nèi)固定1個(gè)小圓柱，圓柱上纏繞透明軟膠，通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤以調(diào)節(jié)彎度，當(dāng)彎度調(diào)好后在透明軟膠與轉(zhuǎn)盤接觸處用結(jié)合劑做好密封處理，如此模擬下游不同彎度沖溝，泥石流的動(dòng)態(tài)變化過程；(6)采用攝像機(jī)拍攝透明側(cè)板的正面與透明底板的底面以及上游庫區(qū)作為觀測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)裝置的三維示意如圖1所示。

圖1 裝置三維示意Fig.1 Three dimensional diagram of device

1.2 結(jié)構(gòu)組成

1.2.1 尾礦庫

尾礦庫包括上游庫區(qū)(長×寬×高=2 m×0.6 m×0.6 m)、閘門裝置和閘門提升裝置，上游庫區(qū)具有潰口，在潰口的邊緣設(shè)置有邊框，閘門裝置設(shè)置于邊框上。如圖2所示，閘門裝置包括第1閘門和第2閘門，結(jié)合圖3，第2閘門的厚度小于第1閘門的厚度，2閘門設(shè)置在卡槽上，均可沿卡槽上下滑動(dòng)，且第2閘門擁有多種類型，即第2閘門可換為多種幾何尺寸。全潰時(shí)，不用放置第2閘門；其他情況，第2閘門必須放置且均不能提起。

圖2 閘門裝置與閘門提升裝置裝配示意Fig.2 The schematic of gate device and gate lifting device

圖3 閘門裝置的側(cè)視圖Fig.3 Gate device side view

閘門提升裝置包括提升桿、氣缸和配電箱，配電箱通過電線與氣缸連接，氣缸位于第1閘門的上方，且與提升桿的一端連接，提升桿的另一端與第1閘門連接；配電箱為氣缸供電，由氣缸帶動(dòng)提升桿上升或下降，從而使提升桿帶動(dòng)第1閘門打開或關(guān)閉上游庫區(qū)的潰口。

1.2.2 下游沖溝

下游沖溝由10個(gè)0.6 m長、0.3 m寬的亞克力U型槽及2個(gè)彎度調(diào)節(jié)裝置組裝而成；2個(gè)彎度調(diào)節(jié)裝置分別位于下游沖溝2 m及4 m處，可調(diào)整出不同彎度結(jié)構(gòu)的溝槽(如“S”型、“L”型及在這2大類型上微調(diào)的多種幾何形狀)。下游沖溝的前端與礦漿出口連通，末端與礦漿回收池連接。同時(shí)在貼有傳感器對(duì)應(yīng)位置外側(cè)固定橫向及縱向量尺，縱向量尺記錄泥石流流動(dòng)過程中泥深的動(dòng)態(tài)變化；橫向量尺用于計(jì)算流過該斷面的泥漿流速。

1.2.3 坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

坡度調(diào)節(jié)裝置包括支架和支撐底板(如圖4所示)，支架包括4根圓管及4根橫梁，在每根圓管上分別沿長軸方向開設(shè)有滑槽，相鄰的2根圓管之間通過橫梁固定連接；支撐底板支撐在透明底板的底部，在支撐底板的4個(gè)角部分別設(shè)置有用于在滑槽內(nèi)滑動(dòng)的滑塊，在4根圓管上分別套設(shè)有用于卡固滑塊位置的抱箍；通過改變抱箍位置以達(dá)到坡度調(diào)節(jié)作用，支架與支撐底板結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖4 坡度調(diào)節(jié)裝置中支撐底板的結(jié)構(gòu)示意Fig.4 The structure diagram of support plate in slope adjusting device

圖5 坡度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 The structure diagram of slope adjusting device

1.2.4 彎度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

彎度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在相鄰的2個(gè)透明亞克力凹槽之間，每個(gè)彎度調(diào)節(jié)裝置包括旋轉(zhuǎn)上盤、旋轉(zhuǎn)下盤和6個(gè)U型卡扣，4個(gè)U型卡扣分別卡固在相鄰的2個(gè)透明凹槽中每個(gè)透明側(cè)板相互靠近的一端，且卡扣分別與各自卡固的透明側(cè)板之間留有空隙(圖6所示)，并在形成此空隙的U型卡扣橫向、縱向分別開一小孔(如圖7所示)。在每個(gè)U型卡扣的側(cè)壁上均固定連接有外盒，每個(gè)外盒的底部封閉、頂部開口形成內(nèi)腔，在每個(gè)外盒形成的內(nèi)腔的底部固定有立柱，在相鄰的2個(gè)透明凹槽中，一個(gè)透明凹槽的2個(gè)立柱分別纏繞有透明軟膠，2個(gè)透明軟膠的自由端分別通過所述空隙纏繞在離各自最近的另一個(gè)透明凹槽的立柱上。剩下2個(gè)U型卡扣分別卡固在相鄰的2個(gè)透明凹槽的底板上，旋轉(zhuǎn)上盤與旋轉(zhuǎn)下盤通過短軸連接，旋轉(zhuǎn)上盤固定在一個(gè)透明凹槽上底部U型卡扣的頂部，而旋轉(zhuǎn)下盤固定在另一個(gè)透明凹槽底部U型卡扣的底部，旋轉(zhuǎn)上下盤的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖6 彎度調(diào)節(jié)裝置與相鄰2個(gè)透明凹槽的裝配示意Fig.6 The assembly diagram of bending adjustment device and two adjacent transparent groove

圖7 側(cè)方U型卡扣處放大圖Fig.7 The enlarged view U type buckle at the lateral

圖8 旋轉(zhuǎn)上盤與旋轉(zhuǎn)下盤結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure diagram of rotating upper plate and rotating lower plate

1.2.5 壓力測(cè)試系統(tǒng)

壓力測(cè)試裝置包括L型亞克力材料(長×寬×高=40 mm×25 mm×30 mm)傳感器支撐板、壓力傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，支撐板固定在U型槽透明底板橫向1/4處(以長面與底板緊貼的形式固定，這樣能增大支撐板的抗沖擊力，以至不易被沖掉)，壓力傳感器與L型亞克力材料支撐板高面固定，同時(shí)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及計(jì)算機(jī)連接，壓力傳感器安設(shè)于潰口處、彎道處及其他需要研究的斷面。

本裝置的試驗(yàn)步驟如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)步驟Fig.9 Test procedure

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮文章篇幅，本文只將全尾礦砂配制成30%，40%，50%，60%等4種質(zhì)量濃度的礦漿，通過變化礦漿濃度研究礦漿質(zhì)量濃度對(duì)尾礦庫潰壩泥石流動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程的影響。

2.1 泥深變化情況

圖10 泥石流到達(dá)不同斷面處的淹沒高程Fig.10 The flood elevation of debris flow at different section

以壩趾、下游沖溝2 m處為觀測(cè)地點(diǎn)，記錄不同時(shí)刻泥漿在該斷面的淹沒高程，獲得不同礦漿濃度泥石流在不同斷面的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，如圖10所示(以30%礦漿濃度泥石流到達(dá)參考點(diǎn)的時(shí)間為坐標(biāo)原點(diǎn))。從圖中可以得知，不同礦漿濃度泥石流到達(dá)同一斷面的時(shí)間具有明顯差異。表現(xiàn)為隨著濃度增加，礦漿到達(dá)同一斷面所耗時(shí)間呈逐漸增長趨勢(shì)。這就意味著下游居民的撤離時(shí)間有所增長，但這增長的撤離時(shí)間相比濃度變化帶來的淹沒高程變化是可以忽略的。隨著礦漿濃度增加，泥石流在各斷面處產(chǎn)生的淹沒高程峰值呈逐漸增長趨勢(shì)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是濃度越大，漿體的黏度越大，與各斷面接觸面的摩擦力增加，繼而在各斷面的滯留時(shí)間增加，使?jié){體不能及時(shí)流出斷面，繼而使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的速度增加，最后使淹沒高程增加。同時(shí)不論尾礦壩礦漿濃度為多少，礦漿泥石流在任何斷面的流態(tài)都表現(xiàn)為：在短時(shí)間內(nèi)淹沒高程增至峰值，接著隨礦漿泥石流的不斷演進(jìn)逐漸減小，直到泥石流停止。淹沒高程的整個(gè)變化形式呈現(xiàn)角形形狀，結(jié)論與文獻(xiàn)[1]相吻合。

2.2 沖擊力變化情況

通過壓力傳感器及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)得不同礦漿濃度泥石流在不同斷面處的沖擊力，如圖11所示。從圖中可以得知，隨著礦漿濃度增加，泥石流到達(dá)同一斷面所產(chǎn)生的沖擊力呈逐漸減小趨勢(shì)，且隨著距潰口距離越遠(yuǎn)，沖擊力越小；以距潰口2 m處為研究對(duì)象，當(dāng)?shù)V漿濃度為30%時(shí)，泥石流所產(chǎn)生的沖擊力峰值為6.5 kPa；40%時(shí)為3.3 kPa；50%時(shí)為0.94 kPa；60%時(shí)為0.87 kPa。這是因?yàn)殡S著礦漿濃度增加，泥石流黏度增加，與各接觸面間的摩擦阻力增大，流體在溝槽中流動(dòng)速度固然減小。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中流體流速與沖擊力的關(guān)系可知，泥石流沖擊力與流體流速呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)還與泥石流中攜帶固體物質(zhì)的大小有關(guān)，故尾礦庫中礦漿濃度很大程度上決定了下游建筑物所受沖擊力的大小。同時(shí)沖擊力隨距離(參考點(diǎn)與壩趾的距離)的增加而減小，這可能是由于下游沖溝經(jīng)過水泥拉毛增大了粗糙度，泥石流每經(jīng)過一個(gè)斷面其能量就會(huì)被縮減一次，且縮減的幅度大于2%坡度給礦漿流體增加的動(dòng)能。再從圖11中可知，所有沖擊力曲線從沖擊力有突出變化開始，均表現(xiàn)為前端陡峭，后端平緩；說明沖擊力峰值是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的，而后隨著泥石流的演進(jìn)逐漸減小。

圖11 不同礦漿濃度泥石流在不同斷面處的沖擊力Fig.11 The impact force of debris flow with different pulp density at different section

2.3 流速

圖12為含不同礦漿濃度泥石流在下游不同區(qū)域的龍頭速度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在下游任何區(qū)域，泥石流龍頭速度均隨礦漿濃度的增加而減少。這是因?yàn)榈V漿泥石流濃度的增加，提高了流體的黏度，而黏度表征的是流體內(nèi)部固-固、固-液及液-液之間的內(nèi)摩擦力，且表現(xiàn)為黏度增大，流體內(nèi)各物質(zhì)間內(nèi)摩擦力增大。故流體與溝槽間的摩擦阻力隨泥石流漿體濃度的增大而增大，使流體在流動(dòng)過程中消耗更多的能量，從而降低泥石流流體的流速，使流體在溝槽內(nèi)滯留的時(shí)間相對(duì)增加。

圖12 不同礦漿濃度泥石流的龍頭速度Fig.12 The leading speed of debris flow with different pulp density

對(duì)尾礦庫進(jìn)行礦漿濃度對(duì)潰壩后產(chǎn)生泥石流流動(dòng)特性的影響進(jìn)行研究，獲得了如下結(jié)論：(1)礦漿在同一斷面產(chǎn)生的淹沒高程隨礦漿濃度的增加而呈增長趨勢(shì)，且到達(dá)同一斷面的時(shí)間隨濃度增加而逐漸增大；(2)隨著礦漿濃度增加，潰壩后形成泥石流到達(dá)同一斷面所產(chǎn)生的沖擊力呈逐漸減小趨勢(shì)，且隨距壩趾距離越遠(yuǎn)，沖擊力越??；(3)同一斷面淹沒高程走勢(shì)呈三角形形狀，與理論概化線相吻合；(4)沖擊力在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，而后隨泥石流演進(jìn)而逐漸減小。此結(jié)論與陳星[15]、敬小非[16]、王孟來[17]等人的研究成果相吻合，說明本試驗(yàn)臺(tái)是切實(shí)可行的。

3 討論

本裝置與現(xiàn)有的技術(shù)相比，科學(xué)性和先進(jìn)性體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：(1)采用抱箍固定亞克力底板(盛放U型沖溝)實(shí)現(xiàn)下游沖溝的坡度變化，也可實(shí)現(xiàn)不同臺(tái)階情況下下游沖溝的溝谷情況；(2)尾礦庫潰口處有多種潰口類型閘門，可對(duì)尾礦壩不同潰口寬度的潰壩進(jìn)行模擬；(3)下游沖溝的2側(cè)和底面全部全透明化，可清晰分析潰壩過程中礦漿的流態(tài)和演進(jìn)過程；(4)彎度調(diào)節(jié)裝置可模擬不同彎度條件下，泥石流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；(5)本裝置也可對(duì)水壩潰壩或滑坡泥石流進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，大大拓寬了設(shè)備的使用范圍。

4 結(jié)論

1)本尾礦庫潰壩泥石流模擬試驗(yàn)臺(tái)相比前人研究技術(shù)具有5大優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在：彎度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～90°的彎度調(diào)節(jié)，制造出“S”和“L”等多種形式的下游沖溝；坡度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種縱比降的下游沖溝；閘門裝置可實(shí)現(xiàn)不同的潰口形式(1/4潰、1/2潰、全潰等)，而且該試驗(yàn)臺(tái)使用范圍較廣，可對(duì)水壩或滑坡泥石流等進(jìn)行模型試驗(yàn)。

2)通過相似模型試驗(yàn)研究礦漿濃度對(duì)泥石流流動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與多位研究學(xué)者的研究成果基本一致，說明此裝置是切實(shí)可行的。同時(shí)也獲得隨著礦漿濃度增加，泥石流在下游產(chǎn)生的淹沒高程及流速呈逐漸減小趨勢(shì)等新成果。

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