上游式尾礦壩漫頂潰壩的潰口擴(kuò)展機(jī)理

肖經(jīng)光

摘要： 本文采用上游式筑壩工藝制作尾礦壩室內(nèi)物理模型，并基于相似理論在該模型上進(jìn)行模擬降雨漫頂?shù)臐卧囼?yàn)，重點(diǎn)研究了上游式尾礦壩漫頂潰壩過(guò)程中的潰口擴(kuò)展機(jī)理。分別得到了潰口深度與時(shí)間的變化關(guān)系和潰口頂寬與時(shí)間的變化關(guān)系；同時(shí)，模型試驗(yàn)顯示潰口頂寬出現(xiàn)間歇性的展寬現(xiàn)象，理論分析了出現(xiàn)該現(xiàn)象的機(jī)理。該研究不僅完善了上游式尾礦壩漫頂潰壩的機(jī)理，同時(shí)對(duì)尾礦壩事故的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了指導(dǎo)。

Abstract： The dam overtopping rainfall simulation experiment was carried based on similarity theory， focuses on the upstream tailings dam overtopping dam during the break expansion mechanism. The relationship between the breach depth， breach top width and time change respectively are obtained. At the same time， the model tests show that the breach appears top width broadening intermittent. The mechanism of this phenomenon is analyzed. This study not only perfects the mechanism of overtopping failure of tailings dam， but also provides guidance for the disaster prevention and reduction of tailings dam accident.

關(guān)鍵詞： 尾礦壩；物理模型；漫頂；潰口擴(kuò)展；機(jī)理

Key words： tailings dam；physical model；overtopping；breach expansion；mechanism

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0117-03

0 引言

尾礦壩后期堆積壩按照筑壩工藝的不同可以分為上游式筑壩、下游式筑壩、中線式筑壩以及混合式筑壩。其中，我國(guó)95%的尾礦壩的后期堆積壩采用上游式筑壩。通過(guò)歷年來(lái)尾礦壩失事事故的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用上游式筑壩工藝的尾礦壩失事次數(shù)占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的75.4%，如統(tǒng)計(jì)圖1所示。

漫頂導(dǎo)致的尾礦壩潰壩是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅由于尾礦具有離散性和不規(guī)律性等內(nèi)部因素，而且還取決于很大的外界因素。目前，該領(lǐng)域內(nèi)通常采用的是借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬或者從理論上進(jìn)行簡(jiǎn)化分析計(jì)算，直接針對(duì)尾礦壩物理模型的室內(nèi)潰壩試驗(yàn)相對(duì)較少。模型試驗(yàn)?zāi)軌颢@取潰壩過(guò)程的定性結(jié)論，并且通過(guò)試驗(yàn)得到的定性結(jié)論與理論計(jì)算相結(jié)合，能夠揭示某一現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)部機(jī)理。但模型試驗(yàn)中的相似性問(wèn)題一直影響試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性。本文將基于相似理論，采用上游式筑壩工藝制作尾礦壩物理模型，并設(shè)計(jì)整套模擬放礦筑壩設(shè)備和模擬降雨設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)物理模型的降雨潰壩試驗(yàn)。重點(diǎn)分析上游式尾礦壩漫頂潰壩過(guò)程以及潰壩過(guò)程中潰口的擴(kuò)展機(jī)理。

1 模型試驗(yàn)的相似理論

1.1 材料、幾何相似

本次模型試驗(yàn)所用尾礦取自云南元謀某礦業(yè)公司的銅礦尾礦庫(kù)。經(jīng)過(guò)不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)將配制尾礦的濃度控制在73%[1]左右時(shí)，尾礦漿能依靠自重流入庫(kù)內(nèi)，且不會(huì)沖蝕已沉積尾砂；同時(shí)，以筑壩干密度為相似控制條件，模擬放礦后壩體材料的干密度，將尾礦壓實(shí)干密度控制在1.73g/cm3左右，從而較大程度上滿足材料相似條件。

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)參照尾礦庫(kù)手冊(cè)中各類(lèi)實(shí)際運(yùn)行中的小型尾礦庫(kù)常見(jiàn)工程比尺1：50進(jìn)行模型試驗(yàn)，可以較大程度上滿足幾何相似條件。

1.2 重力和雨滴擊濺動(dòng)能相似

僅滿足材料相似和幾何相似的條件并不能保證模型試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性。按照材料和幾何相似條件將原型縮小之后，其漫頂潰壩過(guò)程中的漫頂水流的作用效果與原型差距較大，主要原因在于模型試驗(yàn)中的漫頂水流所受重力的作用效果與原型不同，而且模型試驗(yàn)中降雨設(shè)備降落的水滴與天然降雨的雨滴的擊濺效果不同。所以必須考慮重力相似和雨滴的擊濺動(dòng)能相似。

限于試驗(yàn)條件，本次模型試驗(yàn)在借鑒文獻(xiàn)資料[4]的基礎(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)測(cè)試，主要通過(guò)提高筑壩過(guò)程中的放礦濃度，同時(shí)減緩后期子壩的堆筑速度（控制在平均每天上升4cm左右，兩天堆筑一級(jí)子壩），以此來(lái)近似重力相似條件。

根據(jù)能量守恒定律，天然降落的雨滴在從空中降落直到觸碰地面的過(guò)程中，其重力勢(shì)能在逐漸減小，而動(dòng)能在不斷加大。在觸碰地面之后，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊能對(duì)接觸面產(chǎn)生沖擊作用。在進(jìn)行模型試驗(yàn)之前需要制備特殊的降雨設(shè)備來(lái)滿足室內(nèi)試驗(yàn)的 “降雨”效果與自然降雨相似。徐向舟[5]進(jìn)行了室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)式降雨器比噴射式降雨器的降雨均勻度更高。Park等[6]進(jìn)行了從不同高度降落“雨滴”的試驗(yàn)，并對(duì)降落過(guò)程中的“雨滴”進(jìn)行受力分析，導(dǎo)出了以初速度Vs（m/s）的雨滴從固定高度H（m）降落時(shí)，到達(dá)接觸面的擊濺速度為Vh（m/s）：

2 物理模型及設(shè)備

2.1 尾礦壩物理模型

設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)所用的設(shè)備總共包括四部分：管網(wǎng)式降雨系統(tǒng)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、放礦系統(tǒng)和模擬壩體，如圖2所示。其中，模擬壩體如圖3所示。模擬壩體有四部分組成，分別是初期壩、后期子壩、黏土堆和排水管組成。初期壩為土石混合透水堆石壩。后期子壩為尾礦堆積壩。黏土堆底寬300mm、高 733mm。模擬壩體的具體參數(shù)如表1所示。

2.2 模擬降雨系統(tǒng)

模擬降雨系統(tǒng)包括可升降支架、供水管和降雨管網(wǎng)組成，如圖4所示。降雨管采用直徑150mm的PVC管，并用直徑0.5mm的鉆頭在管身上每隔80mm鉆一個(gè)孔，通過(guò)雨降均勻度理論公式（5）和公式（4）的率定，確定相鄰PVC管中心距為100mm。試驗(yàn)過(guò)程中控制降雨強(qiáng)度大于1.3mm/min的范圍，其有效雨降均勻度均達(dá)到了80%以上，雨滴粒徑在3mm以內(nèi)[7]，降雨高度3.15m，降雨穩(wěn)定，且易于控制。

3 試驗(yàn)過(guò)程及機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

采用壩前分散放礦模式堆筑后期子壩，并將筑壩速度控制在兩天一級(jí)。將堆筑完成的模擬壩體放置一周左右進(jìn)行模擬降雨潰壩試驗(yàn)。

試運(yùn)行管網(wǎng)式降雨系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定之后調(diào)節(jié)供水閥門(mén)，以改變供水流量的方式來(lái)控制降雨強(qiáng)度在1.3mm/min左右。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)手工測(cè)量獲取潰口特性數(shù)據(jù)（包括潰口頂寬和潰口深度），以及通過(guò)高速攝像機(jī)記錄整個(gè)潰壩過(guò)程。選取漫頂100s時(shí)的潰口狀態(tài)和460s時(shí)的潰口狀態(tài)如圖5和圖6所示。

3.2 潰口間歇性展寬機(jī)理

試驗(yàn)得到了潰口頂寬隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示，潰口深度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示。

對(duì)比圖7和圖8可以看出：潰口深度—時(shí)間曲線整體平滑，而且顯示漫頂潰壩的前130s左右，潰口深度單位時(shí)間變化大，而后趨于平穩(wěn)；潰口頂寬—時(shí)間曲線的折點(diǎn)較多，而且分別在60s、80s和150s的時(shí)候出現(xiàn)了陡增的趨勢(shì)。通過(guò)攝像機(jī)捕捉的潰壩過(guò)程影像資料顯示，分別在60s、80s和150s的時(shí)候出現(xiàn)了潰口兩側(cè)邊坡垮塌的現(xiàn)象。分析其機(jī)理如下：

為了簡(jiǎn)化分析，做出了兩點(diǎn)假定。首先假定潰口兩側(cè)邊坡破壞的滑移面為垂直面；其次，鑒于潰壩時(shí)，壩體內(nèi)部的水無(wú)法即刻排出，所以假定壩體內(nèi)部水位無(wú)變化。得到的簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖9所示。

壩體兩側(cè)的邊坡失穩(wěn)是潰口頂寬出現(xiàn)間歇性展寬的主要原因。根據(jù)公式（6）并結(jié)合簡(jiǎn)化力學(xué)模型可以得到公式（7）。

公式（7）中的H1和H2分別表示潰口一側(cè)和壩體內(nèi)部的靜水壓力；W、Ws和Wu分別表示干燥區(qū)域、飽和區(qū)域和壩體內(nèi)水下堆積體的重量。

當(dāng)F大于1時(shí)，潰口一側(cè)的邊坡雖有裂縫出現(xiàn)，但整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)F小于1時(shí)，潰口一側(cè)的邊坡裂縫發(fā)展迅速，并且開(kāi)裂邊坡內(nèi)側(cè)的坡體崩塌落入水中。如圖10所示。

當(dāng)漫頂水流不斷沖刷潰口兩側(cè)的邊坡導(dǎo)致潰口不斷擴(kuò)寬，從而形成梯形截面的潰口，隨著持續(xù)的沖刷作用，潰口兩側(cè)的邊坡會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中捕捉的影像資料顯示的潰口展寬的過(guò)程如圖11所示。

4 總結(jié)

本文以模型試驗(yàn)為研究方式，基于相似理論進(jìn)行了尾礦壩室內(nèi)物理模型的降雨潰壩試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了尾礦壩物理模型在漫頂潰壩過(guò)程中的潰口擴(kuò)展特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

①潰口深度隨時(shí)間的變化曲線較為平滑，表現(xiàn)出前期變化率高，而后趨于穩(wěn)定的總體趨勢(shì)；潰口頂寬隨時(shí)間的變化曲線則存在較多的折點(diǎn)，曲線突變的位置較多。

②潰口的頂寬出現(xiàn)間歇性展寬的主要原因在于潰口兩側(cè)的邊坡失穩(wěn)。潰口頂寬—時(shí)間曲線的折點(diǎn)處分別對(duì)應(yīng)潰口兩側(cè)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李旭.降雨誘發(fā)尾礦庫(kù)潰壩室內(nèi)試驗(yàn)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

[2]張瑞謹(jǐn)，謝鑒衡，陳文彪.河流動(dòng)力學(xué)[M].武昌：武漢大學(xué)出版社，2007.

[3]趙振興，何建京.水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]尹光志，敬小非，魏作安，等.尾礦壩潰壩相似模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（增2）：3830-3838.

[5]徐向舟，劉大慶，張紅武，等.室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：52-58.

[6]PARK S W， MITCHELL J K， BUBENZER G D. Rainfall characteristics and their relation to splash erosion[J]. Transactions of the ASAE， 1983， 26（3）： 795-804.

[7]徐向舟，張紅武，朱明東.雨滴粒徑的測(cè)量方法及其改進(jìn)研究[J].中國(guó)水土保持，2004（2）：22-24.