室內(nèi)水槽潰壩模型試驗及FLOW-3D模擬分析

林天翔 熊 凱 李瑩麗 周芯如 衛(wèi)婉瑩

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

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室內(nèi)水槽潰壩模型試驗及FLOW-3D模擬分析

林天翔 熊 凱 李瑩麗 周芯如 衛(wèi)婉瑩

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

為研究尾礦壩壩體穩(wěn)定性對下游的影響，根據(jù)不同干密度的尾砂設(shè)置了室內(nèi)水槽潰壩模型試驗，并采用FLOW-3D軟件,建立了三維模型進(jìn)行模擬，比較了兩者結(jié)果的吻合度，研究成果對礦壩選址與災(zāi)害預(yù)防有重要意義。

尾礦庫，F(xiàn)LOW-3D軟件，水槽潰壩模型，尾砂

0 引言

尾礦庫是用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所。由于其特殊的筑造形式，容易形成具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，易造成重特大事故[1]。目前尾礦壩安全預(yù)測方法主要有三種：物理模型試驗、經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬。經(jīng)驗公式有較大局限性。數(shù)值模擬需假設(shè)一定的理想條件，這與復(fù)雜的實際情況不符。物理模型試驗在潰壩機(jī)理的研究上具有比其他方法無可比擬的優(yōu)越性，但物理模型試驗除了具有造價高，實驗復(fù)雜等缺陷外，還需滿足幾何相似、壩體材料相似、下游河道的阻力等眾復(fù)雜環(huán)境條件[2]。因此有必要研究一種經(jīng)濟(jì)、安全并高效的方法。本文用不同干密度的尾砂設(shè)置室內(nèi)水槽潰壩模型模擬試驗，并結(jié)合FLOW-3D軟件建立模型準(zhǔn)確高效的模擬潰壩過程。

1 FLOW-3D軟件介紹

FLOW-3D是一種通用的計算流體動力學(xué)(CFD)軟件，它采用專門的數(shù)值技術(shù)來解決流體的運動方程，精確預(yù)測自由液面流動，使結(jié)果可視化。FLOW-3D軟件分析的基本思路是：將流域劃分成多個網(wǎng)格，這些網(wǎng)格可定義位于離散位置的流動參數(shù)，如壓力，溫度和速度，并對流體運動方程的數(shù)值進(jìn)行近似模擬。通過模擬我們就能得到基本物理量在復(fù)雜流域上的分布情況和物理量隨著時間變化的情況。

2 室內(nèi)水槽潰壩模型試驗

2.1 室內(nèi)水槽潰壩模型

試驗側(cè)重模擬潰壩后泥砂的淹沒范圍及其沿程厚度，利用相似性原理[3]制作了潰壩模型。室內(nèi)水槽潰壩模型裝置由木板組成，模型槽長5 m,寬0.13 m，高0.4 m。模型底面、兩側(cè)面、后面均固定，前面有垂直的擋板。設(shè)計的壩體模型有兩種方案，一種為有豎直擋板設(shè)置的瞬潰模型[4]。壩體高為20 cm,寬為13 cm，長為50 cm。另一種為設(shè)計尺寸同前者一樣，但需設(shè)置坡度為1∶2的潰口。因為尾礦砂其可塑性較低，粘性較小，級配較差，因此用粗細(xì)較均勻的干密度為1 390 kg/m3,1 650 kg/m3兩種尾礦砂，多次重復(fù)試驗，試驗結(jié)果取平均值。

2.2 試驗過程與步驟

1)方案一。

a.填筑砂土：首先用垂直擋板將水槽分為上下游兩部分，模擬垂直堤壩的情形，上游長50 cm，在上游部分填筑經(jīng)烘干之后，干密度為1 390 kg/m3的尾砂，砂土分層壓實，達(dá)到設(shè)計高度50 cm；

b.加水飽和：向砂樣中緩慢加水，靜置2 h左右，待表面有一層薄水膜時，視為砂樣已達(dá)完全飽和狀態(tài)，此狀態(tài)模擬實際壩體因雨水滲透導(dǎo)致壩體砂土飽和、排滲能力達(dá)到極限的情況；

c.瞬潰模擬：迅速抽出下游處擋板，模擬壩體崩潰后，尾砂在重力作用下流動形成泥石流；

d.觀察記錄：觀察砂流特征，待瞬潰后尾砂靜止流動后，測量并記錄泥石流淹沒范圍以及沿程厚度；

e.重復(fù)進(jìn)行10次試驗，將試驗結(jié)果取平均值，填入表內(nèi)；

f.換用干密度為1 650 kg/m3的尾砂按上述步驟重新試驗并記錄。

2)方案二。

a.填筑砂土：同樣將水槽分為上下游兩部分，在上游填筑干密度為1 390 kg/m3，含水率為19%的尾砂，壩高20 cm,寬度13 cm,設(shè)計壩面坡度1∶2，分層壓實，模擬傾坡堆存堤壩情形；

b.填水飽和：在壩體末端低洼處加水，讓水緩慢均勻滲透到壩體內(nèi)部，待末端保持水位不下降時，說明尾砂已經(jīng)達(dá)到完全飽和狀態(tài)；

c.繼續(xù)加水：模擬洪水沖刷造成尾礦壩的邊坡失穩(wěn)，在加水過程中觀察尾砂流動特征，待尾砂靜止流動后測量其淹沒范圍及沿程厚度；

d.重復(fù)進(jìn)行10次試驗，將試驗結(jié)果取平均值，填入表內(nèi)；

e.換用干密度為1 650 kg/m3的尾砂按上述步驟試驗并記錄。

3 FLOW-3D與室內(nèi)水槽潰壩模型試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)

3.1 室內(nèi)水槽潰壩模型試驗結(jié)果

1)方案一：迅速抽離擋板后，垂直壩面在十幾秒內(nèi)瞬間潰塌，泥石流在自重作用下向下游流動，淹沒范圍1 m左右，1 m～1.3 m范圍內(nèi)有少量泥砂，1.3 m之后有很薄的浮漿。潰口的特征：潰口呈豎向沖刷橫向展寬的形態(tài)，壩體上游部分幾乎沒有發(fā)生尾砂流動，說明壩體沒有發(fā)生全潰。在尾礦堆積過程中，因為分層壓實，壩體內(nèi)部有一定的穩(wěn)定性，所以不會產(chǎn)生大面積的泥石流(見表1，圖1)。

表1 瞬潰模型試驗尾砂沿程分布厚度h cm

2)方案二：潰壩試驗表明，在加水模擬暴雨洪水沖刷過程中，起初邊坡局部出現(xiàn)漏水情況，隨后雨水沖垮邊坡，形成潰口，雨水?dāng)y帶泥砂形成泥石流向下游流動。淹沒長度為1.5 m左右，1.5 m以后有很薄的一層浮漿(見表2，圖2)。

表2 漸潰模型試驗尾砂沿程分布厚度h cm

3.2 FLOW-3D數(shù)值模擬結(jié)果

先利用FLOW-3D軟件建立試驗的三維模型進(jìn)行軟件模擬，模型所用尺寸同試驗?zāi)Ｐ?，長50 cm，寬13 cm，高20 cm。尾礦砂參數(shù)也同試驗?zāi)Ｐ鸵恢?，平均粒?.155 mm，溫度設(shè)置為室溫20 ℃(見圖3)。

方案一模擬試驗結(jié)果如表3所示。

表3 軟件模擬室內(nèi)試驗沿程厚度結(jié)果(一) cm

方案二模擬試驗結(jié)果如表4所示。

表4 軟件模擬室內(nèi)試驗沿程厚度結(jié)果(二) cm

3.3 模型試驗與數(shù)值模擬對比分析

試驗一可模擬垂直潰壩；試驗二可模擬傾坡潰壩。從不同的潰口形態(tài)可以看出垂直潰壩沿程厚度小，搬運距離短，傾坡潰壩沿程厚度大，搬運距離長可知垂直潰壩尾砂主要沉積在離壩體較近距離，影響范圍較小，而傾坡潰壩尾砂搬運較均勻，影響范圍較大。由試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析可知，二者結(jié)果非常接近,但室內(nèi)模擬試驗有較大的阻力，而軟件模擬沒有考慮阻力等因素，所以有部分誤差。在實際工程中，由于堆積方式和限制條件沒有試驗設(shè)計的情況苛刻，阻力的相對影響力小，這個誤差可忽略不計(見圖4，圖5)。

4 結(jié)語

通過對室內(nèi)水槽潰壩模型模擬試驗，并結(jié)合FLOW-3D軟件，建立了一種能夠動態(tài)模擬堤防潰口坍塌和刷深過程的模型。用室內(nèi)水槽潰壩模型試驗進(jìn)行軟件模擬的結(jié)果和試驗結(jié)果接近，證明軟件模擬的可行性和正確性。物理模型試驗建立對材料的選擇要求準(zhǔn)確，需要消耗大量的人力、物力、財力，運用軟件模擬方式更具有靈活性，經(jīng)濟(jì)性，避免了建立物理模型試驗只能特定模擬利用的弊端，節(jié)約了成本。FLOW-3D軟件可以合理反映潰壩尾砂運移范圍，能較好模擬潰壩對下游的影響，從而有效地減少從源頭上處理發(fā)生事故的隱患，并為尾礦庫的選址建立提供了有力的參考數(shù)據(jù)。

[1] 于廣明，宋傳旺.尾礦壩安全研究的國外新進(jìn)展及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014,33(1)：3238-3248.

[2] 李 云，李 君.潰壩模型試驗研究綜述[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(2)：304-310.

[3] 尹志光,敬小非.尾礦庫潰壩相似模擬試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010(29):3830-3838.

[4] 楚金旺，宋會彬.尾礦庫漫頂潰壩模型實驗研究[J].中國礦山工程，2015,44(3)：73-77.

Testing and FLOW-3D simulation analysis of interior gutter dam breaking model

Lin Tianxiang Xiong Kai Li Yingli Zhou Xinru Wei Wanying

(College of Building Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

In order to study the impact of tailing dam stability upon the downstream, according to different density tailing sand setting, the paper carries out interior gutter dam breaking model test, establishes 3D model for simulation by applying FLOW-3D software, and compares their results coincidence, which has significant meaning for tailing dam location selection and disaster prevention.

tailing pond, FLOW-3D software, gutter dam breaking model, tailing sand

1009-6825(2017)12-0076-02

2017-02-18

林天翔(1996- )，男，在讀本科生； 熊 凱(1996- )，男，在讀本科生； 李瑩麗(1995- )，女，在讀本科生； 周芯如(1996- )，女，在讀本科生； 衛(wèi)婉瑩(1996- )，女，在讀本科生

TD824.7

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