不同下游河道坡降尾礦庫潰壩模型試驗及下游影響研究*

許志發(fā),王光進,趙懷剛,唐永俊,高亞偉

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650504)

0 引言

我國是一個礦業(yè)大國，每年各行業(yè)的礦山產(chǎn)出尾礦約3×108t，大部分尾礦排入尾礦庫內(nèi)堆存[1]。近年來國家對尾礦庫新建、改建、擴建提高了準入門檻，各企業(yè)對原有尾礦庫進行重新設(shè)計，使得庫容和壩高逐年增長。因此，研究尾礦庫潰壩后尾砂流對下游人員和建構(gòu)筑物的影響具有重大的意義。

許多學者對尾礦庫潰壩進行了大量相關(guān)研究，南京水科院對局部的潰口及潰決過程開展模型試驗研究，對潰壩方式、潰壩機理和過程加深了認識[2]。阮德修等[3]以湖南某尾礦庫為例，通過FLO-2D數(shù)值模擬軟件對不同溝谷潰壩情況進行模擬，結(jié)合3DMine對結(jié)果進行數(shù)字化分析，對潰壩尾砂流災(zāi)害過程進行實時推演，模擬得到的災(zāi)害程度三色圖和下游淹沒范圍可以為應(yīng)急預(yù)案編制和下游人員撤離提供可靠依據(jù)。辛保泉等[4]以四川鑫聯(lián)礦業(yè)尾礦庫為原型，探究2種溝槽條件下，潰壩泥石流流速變化、沖擊高度和沉積深度等特性，并預(yù)測下游潰壩影響范圍。

本文以四川某尾礦庫為對象，通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬，研究原始坡降、提升5%和10%這3種下游河道坡降情況下(簡稱工況1、工況2、工況3)尾礦庫潰壩后尾砂流流速、演進規(guī)律、下游特征點沖擊力、最終堆積深度以及影響范圍。

1 尾礦庫潰壩模型建立

模型試驗是對實際工程對象在現(xiàn)場不具試驗條件的情況下，通過一定的相似變換(幾何相似、動力相似、材料相似等)構(gòu)建室內(nèi)模型，對實際工程的現(xiàn)象和問題進行研究[5-6]。本文通過室內(nèi)潰壩模型試驗對潰壩后的尾砂流進行模擬，試驗的主要目的是研究3種不同工況下尾礦庫潰壩后潰壩尾砂流的演進過程和其對下游的影響。

1.1 工程概況

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，采用上游法方式筑壩，尾礦庫最終總庫容為3 843萬m3，最終壩高147 m，為二等庫。尾砂流通區(qū)上游為溝谷地區(qū)，與初期壩之間落差大，流通區(qū)中游兩側(cè)山體與溝谷之間存在高差60 m，流通區(qū)下游地勢平坦、開闊，山體低矮，全流通區(qū)域中上游存在較多彎型轉(zhuǎn)彎區(qū)域。

1.2 模型試驗設(shè)計

潰壩模型設(shè)計對模擬至關(guān)重要。一方面室內(nèi)潰壩模型要和尾礦庫現(xiàn)場實際具有相似性，以保證試驗結(jié)果具有合理性；另一方面由于下游地形具有復雜性，要在合理的前提下對試驗?zāi)Ｐ瓦M行簡化。本次試驗以實際尾礦庫為對象，對尾礦庫進行潰壩試驗，研究不同坡降條件下尾礦庫潰壩后尾砂流演進規(guī)律和對下游的影響。根據(jù)相似理論[7-8]確定潰壩模型試驗相似參數(shù)，見表1。

表1 潰壩模型試驗相似參數(shù)Table 1 Similar parameters of the dam break model test

1)試驗裝置

室內(nèi)潰壩模型試驗裝置由以下幾個部分組成：①透明玻璃槽2 m×1 m×1 m(長、寬、高)，采用高強度鋼化玻璃制成，方便觀察實驗中尾砂演進；②下游地形建構(gòu)筑物模擬，模擬下游地形和建構(gòu)筑物，實現(xiàn)對潰壩尾砂流演進過程的全地形模擬，模擬地形以及下游建構(gòu)筑物對潰壩尾砂流推進路線的影響和沖擊力；③高速攝影儀，用于檢測潰壩模擬各個時間段潰壩尾砂流的流動規(guī)律和沖擊高度。潰壩模型試驗裝置如圖1所示。

圖1 潰壩模型試驗裝置Fig.1 Dam break model test device

2)試驗材料

模擬地形的材料采用現(xiàn)場實地采集回來的紅黏土作為地形模擬材料，紅黏土孔隙比大，多處于飽和狀態(tài)，在天然含水量條件下呈硬塑、堅硬的狀態(tài)，其具有較低壓縮性、較高強度，因此可以將其作為模擬地形使用。周必凡等[9]認為模型材料的選取應(yīng)該滿足粘度相等的條件，即模型材料的粘度ηcm和現(xiàn)場原形尾砂的粘度ηcn的比值為1，因而為了滿足模型試驗結(jié)果的準確性，保證模型與現(xiàn)場物理力學性質(zhì)主要參數(shù)的相似，本次試驗選用現(xiàn)場取樣的尾砂作為堆壩材料。

1.3 潰壩災(zāi)害模擬

1)試驗方案

試驗開始前，首先根據(jù)現(xiàn)場實際情況在玻璃槽中按照相似比構(gòu)建好下游模擬地形和村莊模型；然后進行放礦，待放礦完成后在玻璃槽末端放置尾砂收集裝置，架設(shè)好高速攝影儀，按照預(yù)先設(shè)計模擬降雨環(huán)境下尾礦庫漫頂潰壩后尾砂流的演進和對下游的影響，試驗完成后，使用提升裝置，河道坡降分別提升5%和10%，筑壩時尾礦壩模型坡度不變，坡頂隨著坡降的提升而抬升。

2)潰壩模擬試驗觀測

不同下游坡降情況下尾砂運動規(guī)律與最終淤積范圍示意，如圖2所示。

圖2 不同下游坡降情況下尾砂運動規(guī)律與最終淤積范圍Fig.2 Sediment movement and final deposition range under different downstream slope conditions

3)實測結(jié)果分析

由圖2并結(jié)合潰壩尾砂流特點和相似理論，分析可以得出：

①根據(jù)室內(nèi)試驗可知，下游尾礦庫不會受到潰壩尾砂流的影響而產(chǎn)生潰壩，因此在下文的潰壩模擬中，不將其納入考慮范圍。

②不同工況下潰壩后尾砂流都呈現(xiàn)出清流-濁流-清流的變化趨勢，隨著坡降的增加，潰壩后潰口展開速度逐漸加快，前期清流轉(zhuǎn)變?yōu)闈崃魉?jīng)歷時間縮短；潰口發(fā)展過程中下泄尾砂量呈指數(shù)增加，清流轉(zhuǎn)化為濁流，坡降增加使得潰砂量、濁流時間也隨之增加；潰口完全展開，尾砂經(jīng)過沉積后呈現(xiàn)清流狀態(tài)，下游坡降越平緩，尾砂流演進速度越緩慢，清流越早出現(xiàn)。

③潰壩后流速呈現(xiàn)先緩慢增加后減小的過程。前期尾砂流啟動后，受水流推動力和切向重力加速度作用，速度逐漸增加，因此在上中段流速較大且逐漸增加；末端水流和砂流呈現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，砂流所受的摩擦力大于推力，速度逐漸降低，直至停止流動。

④尾砂流的影響范圍隨著坡降增加逐漸增大，淤積深度向下游逐漸增大；影響范圍呈現(xiàn)壩前寬，中游窄，下游展寬，壩前尾砂沉積類似泥石流沖積扇。對下游建構(gòu)筑物影響監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，坡度增加淹沒范圍增大，對村莊影響增大，淹沒的房屋數(shù)量也隨之增加。

2 潰壩災(zāi)害數(shù)值模擬

2.1 FLO-2D數(shù)值計算模型

控制方程用來處理流速與泥深問題。由于水平方向變化量比豎直方向大，可將三維Navier-Stokes方程組，簡化成二維方程[10]，求解簡單，計算時間縮短。假設(shè)橫向為流速υ，豎向為流度h，數(shù)值模型所采用的控制方程為孟凡奇、趙鑫等提出[11-12]，流變方程為O’Brien[13]提出：

(1)

(2)

(3)

(4)

η=α1eβ1CV，τy=α2eβ2CV

(5)

其中，(1)～(3)為控制方程，(4)～(5)為流變方程。式中：h為流深，m；I為水力坡降，%；μ，υ分別為水平和垂直切向速度，m/s；Sfx及Sfy分別為x，y切向摩擦坡降，%；Sox及Soy分別為x，y切向河道坡降，%；g為重力加速度，m/s2；Sf，Sy，Sυ，Std為摩擦坡降、屈服坡降、粘性坡降和紊流—分散坡降；τy為屈服應(yīng)力；γm為比重；K為層流阻力系數(shù)；η為粘滯系數(shù)；n為曼寧系數(shù)；Cυ為體積濃度；α1，β1，α2，β2均為屈服應(yīng)力及黏滯系數(shù)，由流變試驗或查表設(shè)置[14]。

2.2 尾礦庫潰壩模型的建立

1)初始條件及邊界條件

運用FLO-2D計算潰壩后尾砂流的演進，需要建立尾礦庫所在區(qū)域數(shù)字地形模型，搜集所研究尾礦庫全庫容、最大庫水位、曼寧系數(shù)、流動屈服應(yīng)力和粘滯力系數(shù)等基礎(chǔ)資料。在保證精度前提下，將區(qū)域劃分為20 m×20 m的計算網(wǎng)格，選擇與室內(nèi)模型(2 m×1 m)一樣的比例尺寸作為計算區(qū)域，計算范圍為(2 km×1 km)，共劃分6 666個計算網(wǎng)格單元。尾砂流體基本模擬參數(shù)見表2，模擬地形如圖3所示。

表2 尾砂流體模擬參數(shù)Table 2 Tailings fluid simulation parameters

圖3 模擬地形DEM 3D視圖Fig.3 Simulating Terrain DEM 3D View

2.3 潰壩模擬結(jié)果

根據(jù)室內(nèi)模型試驗結(jié)果，結(jié)合相似比確定數(shù)值模擬的時間為1.5 h。經(jīng)計算，在該區(qū)域尾砂流泥深、流速和沖擊力等結(jié)果，如圖4所示。

1)潰壩尾砂流流深

潰壩計算范圍選取尾砂流流通區(qū)域作為研究對象，建立模型，與室內(nèi)模型試驗所選取的范圍一致。由圖4可知，3種工況下潰壩后，尾砂流沿著流通區(qū)域內(nèi)的地勢最低點向下游演進。

尾砂在流通區(qū)域上游和下游淹沒面積相較于中游更大，下游最大和最終淹沒范圍均隨著下游河道坡降抬升而增加，3種工況最大淹沒范圍分別為393 200，477 200和562 000 m2，在前期水的體積含量大于尾砂，洪峰流量逐漸增大，尾砂流沖擊高度隨著地勢的下降增大，淹沒面積隨之增大；隨著尾砂體積含量的逐漸增大，尾砂流的粘滯性增大，拖曳力與摩擦力達到平衡，速度和沖擊高度達到最大，淹沒面積達到最大值；最終尾砂依靠勢能繼續(xù)向下演進，最終停止運動，達到淹沒最大面積，這個結(jié)果符合物理運動過程中蓄能-啟動-消能過程[15]。

圖4 模擬下游最大影響范圍Fig.4 Simulation of the maximum range of downstream impact

其中，圖5為谷底剖面淹汲示意。由圖5可知，工況1潰壩后尾砂主要沉積在上游150～650 m和下游1 270～1 860 m地勢低洼點，工況2和工況3由于抬升后坡降變急，尾砂在上游堆積面積和淤積深度減小，因而尾砂主要沉積在下游地勢平緩區(qū)。

圖5 谷底剖面淹沒示意Fig.5 Schematic diagram of submerged bottom section

工況1沖擊高度與沉積深度差值前期最大，為18.6 m，后期較小；工況2差值前中期在10.9～18.3 m，最大沖擊高度21.8 m，但最終沉積深度低，尾砂往下游沉積；隨著地勢抬升，工況3最大沖擊高度減小至19.3 m，尾砂在上、中游沉積深度為1～2 m。3種工況下尾砂最大沖擊點分別位于初期壩下游230，330和1 430 m處，沖擊高度分別為37.6，30.4和26.8 m，尾砂流最大沖擊高度隨著下游河道坡降的抬升而逐漸降低，最深淤積點也隨著往下游發(fā)展。

2)潰壩尾砂流流速

圖6為3種工況尾砂流動速度分布。不同工況尾砂流速度最大分別位于初期壩下游210，290和1 400 m，最大速度分別為34.44，21.88和19.59 m/s。工況1在初期壩下游500 m內(nèi)速度較大，這段區(qū)域地形和高差下降幅度變化大，在下游速度隨著距離增大減?。还r2在初期壩下游200 m和下游邊界地勢較低處速度較大；工況3在下游邊界地勢較低處速度較大。3種工況下最大速度逐漸減小，由圖6可知，工況2和工況3速度從庫內(nèi)到下游邊界速度一直在增加，而工況1速度在中游運動速度最快，到下游速度逐漸變慢。

3)潰壩尾砂流沖擊力

應(yīng)用計算公式(6)～(8)對尾砂流沖擊力進行計算，在計算過程中受沖擊角度尾砂流流速等多種因素綜合影響。

Pi=kρfυ2

(6)

k=1.261eCw

(7)

F=Pih

(8)

式中：Pi為沖擊壓力，通過流體密度ρf，系數(shù)k，網(wǎng)格中最大移動速度υ來計算。單位面積沖擊力F為Pi所對應(yīng)的網(wǎng)格最大流深h的乘積。

3種工況最大沖擊力分別為9 969.8，9 847.0和9 870.1 kN/m，如圖4所示，3者均在相鄰位置，且流速和流深越大，沖擊力越大，模擬結(jié)果與理論計算相近。

2.4 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗結(jié)果分析

通過模擬計算可將潰壩尾砂流分為3個階段，0～25 min為漫頂侵蝕階段，尾砂流流量緩慢增加，尾砂在這段時間內(nèi)少量沉積于上游溝谷；25～35 min為潰口展寬階段，流量急劇增加，尾砂流向下游演進速度加快，隨著尾砂含量增大，大量尾砂開始沉積于中上游；35～90 min為下游展寬階段，尾砂流流量逐漸降低，演進速度放緩，尾砂運動至下游平緩地段開始大量沉積，直至最終停止運動。從數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)演進和沉積規(guī)律具有相似性。

圖6 模擬下游尾砂最大流速分布Fig.6 Simulated maximum flow rate of downstream tailings

3 潰壩后下游災(zāi)害預(yù)估

結(jié)合室內(nèi)試驗和模擬結(jié)果，研究3種工況下尾砂流致災(zāi)影響程度，結(jié)合最大與最終淹沒范圍和尾砂流流動強度，其致災(zāi)影響程度標準，見表3。

根據(jù)潰壩災(zāi)害程度判定標準(見表3)，表3中采用3種不同顏色來表示潰壩災(zāi)害程度，其中淺灰色為低危險，泛濫或沉降可能影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)，房屋遭受損失很小，對人員危險很低或不存在；深灰色為中度危險，建筑物可能遭受破壞，人員在房屋外面處于危險之中；黑色為高度危險，結(jié)構(gòu)有被破壞危險，人在房屋內(nèi)外均有危險。結(jié)合尾礦庫區(qū)域地形圖，3種工況潰壩可能致災(zāi)程度，如圖7所示。其中，圖例中數(shù)字3代表高度危險，2代表中度危險，1代表低危險。

表3 潰壩災(zāi)害程度判定標準Table 3 Criteria for judging dam-break disasters

圖7 尾礦庫潰壩災(zāi)害Fig.7 Diagram of the dam-breaking disaster in tailings

從圖7可直觀看出3種工況下潰壩的災(zāi)害情況，隨著河道坡降抬升，淹沒面積增大，農(nóng)田和房屋等基礎(chǔ)設(shè)施被摧毀，受潰壩影響的下游村莊、房屋數(shù)量增加，不僅造成重大直接經(jīng)濟損失而且由于尾砂中含有的重金屬將會對環(huán)境造成大面積污染。

4 結(jié)論

1)采用3種下游河道坡降進行室內(nèi)潰壩模擬實驗，結(jié)果表明，潰壩后尾砂流呈現(xiàn)清流-濁流-清流的變化趨勢，隨著坡降抬升，潰口發(fā)展速度加快，前期清流轉(zhuǎn)變?yōu)闈崃鹘?jīng)歷時間縮短；同一下游剖面沖擊高度隨坡降抬升而降低；尾砂流影響范圍、淤積深度隨坡降抬升而增大；坡降抬升使尾砂流速度加大，淹沒高度增大，對下游建構(gòu)筑沖擊力隨著速度和接觸面積增加而增加。室內(nèi)實驗取得的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致性較高。

2)以四川某尾礦庫為研究對象，運用FLO-2D模擬3種工況潰壩后尾砂流演進過程。結(jié)果表明：地勢改變對于尾砂流演進有較大影響，溝谷、轉(zhuǎn)彎和地勢平緩區(qū)域有利于尾砂沉積，溝谷和轉(zhuǎn)彎通過減小尾砂沖擊動能，將尾砂截留、轉(zhuǎn)向，促進尾砂沉積，而地勢平緩的區(qū)域擴大尾砂的流動區(qū)域，重力勢能低，尾砂流流動阻力增加，加快尾砂沉積；尾砂流對下游建構(gòu)筑物沖擊力與最大移動速度平方和流深呈正比例關(guān)系，3種不同工況下的最大沖擊力所處的位置都與最大移動速度或最大流深相鄰。

3)根據(jù)試驗和模擬結(jié)果繪制的潰壩尾砂流致災(zāi)影響程度圖，可為生產(chǎn)企業(yè)新建、擴建尾礦庫提供重要的依據(jù)，保證下游人員生命財產(chǎn)安全。