基于FLUENT某尾礦庫(kù)潰壩數(shù)值分析

石滿生

（江西天億礦業(yè)有限公司，江西 貴溪 335424）

1 引言

傾 大多數(shù)尾礦壩依山而建，下游不乏人口密集區(qū)、重要建構(gòu)筑物、交通要道和河流等，一旦潰壩，給下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重危害，且污染下游生態(tài)環(huán)境［1,2]。因此，尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害成為礦山防災(zāi)減災(zāi)的重要難題，深入研究尾砂流滑運(yùn)移特征及對(duì)下游區(qū)域建構(gòu)物的影響范圍，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3,4]。李彥娥等［5]采用單溝泥石流經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式對(duì)尾礦庫(kù)潰壩后泥石流覆蓋范圍及影響程度進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)。皇甫凱龍等［6]應(yīng)用二維潰壩水流數(shù)值模型和尾礦壩潰決砂流數(shù)值模型，分別模擬某尾礦壩潰決洪水、砂流運(yùn)動(dòng)狀況。劉磊等［7]對(duì)尾礦壩潰口及壩體崩塌變化過(guò)程、下泄洪水演化過(guò)程等進(jìn)行觀測(cè)。郭天勇等［8]建立潰壩滑坡體滑移距離的計(jì)算公式，分析擴(kuò)散角、空氣阻力、殘余強(qiáng)度、撞擊動(dòng)壓力和攔擋壩等對(duì)滑移距離的影響。

尾礦庫(kù)潰壩作為一種災(zāi)害事故具有瞬間爆發(fā)性和很強(qiáng)的破壞性，要想得到真實(shí)可靠的潰壩現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是非常困難的，并且需要巨大的人力和財(cái)力的投入［9]。本文針對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故特點(diǎn)，把由尾砂和水組成的固液混合物視為均質(zhì)、連續(xù)、不可壓縮的非牛頓流體，建立潰壩尾砂流滑數(shù)值模型，采用FLUENT軟件模擬潰壩尾砂的流滑運(yùn)移過(guò)程，探究潰決尾砂流滑影響范圍，為尾砂潰壩災(zāi)害的預(yù)報(bào)與災(zāi)害的防治提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

2 工程簡(jiǎn)況

該尾礦庫(kù)位于選廠北側(cè)長(zhǎng)約1600m，寬約400m的條帶狀溝谷中，植被茂密，清泉長(zhǎng)流。最終堆積壩頂高程為310m，初期壩軸線底部最低高程為235m，計(jì)算尾礦壩最大壩高Hmax=75m，尾礦庫(kù)的總庫(kù)容為247.75×104m3。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863-2013）［10]，該尾礦庫(kù)為三等庫(kù)，庫(kù)內(nèi)主要水工構(gòu)筑物為3級(jí)，次要構(gòu)筑物為5級(jí)，臨時(shí)構(gòu)筑物為5級(jí)。具體地形分布見(jiàn)圖1。尾礦庫(kù)下游有公路、河流，防護(hù)山脊下有居民區(qū)。

圖1 尾礦庫(kù)地形

3 FLUENT計(jì)算原理

尾礦庫(kù)潰決后，庫(kù)內(nèi)尾水夾帶尾礦形成泥漿一起沖向庫(kù)區(qū)下游，對(duì)下游建構(gòu)物造成巨大沖擊。把潰壩所形成的泥漿體看作是空氣和泥砂的兩相流體，可用歐拉-歐拉模型來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)。在歐拉-歐拉模型中，不同相被認(rèn)為互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。體積率是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，各相的體積率之和等于1.0。從各相的守恒方程可以推導(dǎo)出一組方程，這些方程對(duì)于所有的相都具有類似的形式［11]。從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關(guān)系，從而能使上述方程封閉，另外，對(duì)于小顆粒流（Granular Flows），則可以通過(guò)應(yīng)用分子運(yùn)動(dòng)論的理論使方程封閉。在歐拉-歐拉模型中，常見(jiàn)的模型有三種，分別為：流體體積模型（VOF）、混合物模型及歐拉模型。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，選用流體體積模型（即VOF模型）對(duì)尾礦壩潰壩水砂流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬比較合適［9]。水氣界面的追蹤可通過(guò)求解相體積分?jǐn)?shù)F的運(yùn)輸方程完成

4 潰壩數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)模擬現(xiàn)場(chǎng)壩體幾何尺寸，確定尾礦庫(kù)潰壩的計(jì)算模型。為了方便模型的建立、降低硬件資源消耗和縮短計(jì)算時(shí)程，將實(shí)際情況進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，如庫(kù)內(nèi)溝谷上大下小斷面，折算成一個(gè)寬度的斷面，下游坡度和落差按實(shí)際地形確定，所建模型重點(diǎn)考慮潰壩水砂流對(duì)下游左側(cè)民宅的影響。壩體外坡為1∶4，總壩高為75m，庫(kù)容量為250萬(wàn)m3，模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

假設(shè)尾礦庫(kù)潰壩是在最不利的情況下發(fā)生的，也就是瞬間全潰并且潰決水砂量最大的情況。經(jīng)估算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，綜合確定模型壩體部分的尺寸，本文分析以壩高75m情況下潰決水砂流的流動(dòng)過(guò)程模擬，一種是未采取防范措施，另一種是在下游228m平臺(tái)處修3m高混凝土擋土墻，通過(guò)模擬觀察潰壩水砂流的淹沒(méi)過(guò)程和壓力變化情況。

根據(jù)類似工程有限元數(shù)值分析的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定邊界條件。由于該尾礦庫(kù)建在山谷中，則計(jì)算區(qū)域的下游斷面為開邊界，上游、兩岸和地面為閉邊界。

4.2 材料特性定義

在FLUENT中對(duì)多相流的設(shè)置中需要一些材料參數(shù)，這些參數(shù)是進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)和成敗的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試的結(jié)果，以礦漿濃度為40%，下游溝谷按實(shí)際坡度和落差，潰決形式為瞬間全潰為基礎(chǔ)，參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)尾礦漿和泥石流等相關(guān)資料，綜合分析后，確定出各計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

4.3 結(jié)果分析

建立幾何模型后，設(shè)立邊界條件，導(dǎo)入到FLUENT程序中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，輸入計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算。

從圖3可知，10～20s時(shí)間段下游淹沒(méi)區(qū)增長(zhǎng)最快，這主要是初期壩下游有一個(gè)7m的臺(tái)階落差，使得此段水砂流速度很大。由于下游左側(cè)突出防護(hù)小山體的阻擋作用，使得洪峰最高中心往遠(yuǎn)離民宅方向發(fā)生了偏移，這大大減小了下游民宅的防洪壓力。在36s時(shí)刻，淹沒(méi)民宅區(qū)范圍最大，漫流水砂遇到民宅阻擋，水位抬到5m多高，對(duì)房子形成一定的沖擊壓力，整個(gè)影響時(shí)間大約在15s左右。在44～46s時(shí)間段，下游河邊的淹沒(méi)區(qū)最大，然后隨著上游水位的下降和下游的泄流，淹沒(méi)區(qū)緩慢減少。

圖3 不同時(shí)刻潰壩泥砂流的運(yùn)行情況

針對(duì)上述模擬結(jié)果，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研并與業(yè)主充分討論，本著安全、經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的原則，擬采取在228m平臺(tái)處靠近民宅一側(cè)修建一3m高混凝土擋墻，以預(yù)防水砂流漫到居民區(qū)，起到保護(hù)民宅的作用。對(duì)比圖3（d）與圖4可知，修建擋土墻后，在同一時(shí)刻（36s），潰壩尾砂對(duì)民宅的影響大大減小。

從圖5可知，在潰壩泥砂作用下，增設(shè)擋土墻的總壓應(yīng)力先增大后減小，在20s時(shí)最大，此時(shí)主要是上游尾礦從臺(tái)階上沖下，對(duì)下游平臺(tái)有較大的沖擊力所致，所以擋土墻設(shè)置處的防護(hù)措施應(yīng)嚴(yán)格到位。隨著下游水砂的下泄，總壓應(yīng)力總體上越來(lái)越小。

圖4 36s時(shí)潰壩泥砂流的淹沒(méi)情況（修筑擋墻后）

圖5 擋土墻總壓應(yīng)力隨時(shí)間的變化

5 結(jié) 論

（1）為了減小潰壩發(fā)生的概率，汛期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)排洪系統(tǒng)、壩體的巡查，確保排洪系統(tǒng)完好暢通及壩體完好。

（2）事先對(duì)壩體潰壩數(shù)值進(jìn)行研究分析，做好應(yīng)急預(yù)案及防護(hù)措施，確保下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全、減少對(duì)下游流域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響。

（3）采用FLUENT軟件模擬尾礦庫(kù)潰壩后泥砂流滑運(yùn)移特征及影響范圍，進(jìn)一步豐富了尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防范的手段，為業(yè)主在尾礦庫(kù)的安全管理及風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

（4）本案由于下游坡度較陡，河谷狹窄，未采取任何措施時(shí)，尾礦庫(kù)潰壩水砂流會(huì)漫到居民區(qū)，對(duì)下游左側(cè)民宅存在一定影響。采取修建1處3m高的混凝土擋土墻，預(yù)防尾砂流對(duì)民宅的影響，從分析結(jié)果來(lái)看，取得較好防護(hù)效果。