尾礦庫潰壩研究及數(shù)值模擬

劉曉峰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

尾礦庫是礦山企業(yè)生產中用于貯存選礦后尾礦的重要設施，也是潛伏巨大安全隱患的危險源。尾礦庫的安全穩(wěn)定不僅關系到礦山的正常生產運行，還關系到下游人民群眾的生命及財產安全。 國內外尾礦庫潰壩事故累見不鮮[1]：2008 年山西襄汾新塔礦業(yè)“9·8”潰壩事故造成 277 人死亡；2010 年廣東信宜紫金礦業(yè)“9·21” 潰壩事故造成 22 人死亡；2014年陜西商洛場“10·4”潰壩事故造成 5 人死亡；2019 年巴西淡水河公司“1·25”潰壩事故造成235 人死亡。

導致尾礦庫潰壩事故發(fā)生的原因較多[2]，且通常是由多種致災因素疊加后共同作用的結果。 由于尾礦庫潰壩事故影響較大， 國家對尾礦庫的運行安全越來越重視，因此特別要求對尾礦庫，尤其是“頭頂庫”進行尾礦庫潰壩風險評估，研究制定治理和預防事故的措施，科學制定居民搬遷計劃。尾礦庫潰壩模擬能為尾礦庫應急預案提供依據(jù)， 指導確定安全緊急疏散路線， 對于尾礦庫災害預防及下游居民生命財產安全保障有著重要的意義[3]。

1 尾礦庫潰壩機理

尾礦庫潰壩的致災機理[4]主要包括滲透破壞、地震液化、壩體滑坡及洪水漫頂?shù)取?1）滲透破壞。 滲透破壞主要是由于尾礦庫庫內水位的上升，導致尾礦庫干灘長度減小，尾礦壩壩內浸潤線升高，最終誘發(fā)滲流破壞。2）地震液化。地震液化主要是由于堆積壩尾砂粒度較細或尾礦欠密實，在地震作用下，超靜孔隙水壓力迅速增加，導致尾砂液化，進而形成裂隙滲流通道，造成壩體失穩(wěn)破壞等。 3）壩體滑坡。 壩體滑坡主要因壩體坡度較陡、 筑壩材料黏聚力及抗剪強度較低，進而引起壩體局部或整體失穩(wěn)破壞。4）洪水漫頂。 洪水漫頂主要是因突發(fā)超標準暴雨、洪水,或排洪設施失效等，導致尾礦庫庫內水位持續(xù)上升，致使子壩擋水，且洪水最終漫過子壩，進一步誘發(fā)了壩面拉溝、壩體失穩(wěn)坍塌及尾礦水外泄等危害。

滲透破壞、地震液化及壩體滑坡這3 類致災機理傾向于尾礦壩穩(wěn)定分析范疇，在設計過程中可通過降滲、抗液化及壩坡放緩等措施控制。而洪水漫頂則是由于出現(xiàn)了突發(fā)暴雨，且排洪系統(tǒng)堵塞失效而造成尾礦庫事故。相對前3 類潰壩方式，洪水漫頂導致的尾礦庫潰壩事故對下游影響范圍更廣，危害更嚴重。

尾礦壩漫頂潰決過程及其機理[5]可以大致描述為：洪水漫過尾礦壩，漫頂水流在重力作用下不斷沖刷尾礦壩。在尾礦庫下部位置，漫頂水流率先達到尾砂起動流速， 尾礦壩壩身的尾砂開始與漫頂水流一起形成挾砂的尾礦水進一步沖刷壩體下游。 尾礦壩壩體經過不斷地沖刷和掏深，形成了坡度很陡的深溝。 當深溝兩側尾砂體不能維持重力作用下的穩(wěn)定時，壩體發(fā)生垮塌，使得潰口不斷變寬變深，并逐漸向上游延伸，致使更多的尾礦水流出。尾礦水流速在崎嶇地形和沿程阻力的作用下逐漸降低， 尾砂的水挾砂能力也逐步降低，最終尾砂沿程沉積。

2 模擬方法

目前對于尾礦庫潰壩模擬主要有物理模型試驗[6]和數(shù)值模擬[7]兩種方法：1）物理模型實驗。 物理模型試驗是將地形地貌等按比尺縮小制作， 根據(jù)水平向及豎向比尺縮小比例是否相同， 可分為正態(tài)模型和變態(tài)模型，然后再根據(jù)相似原理，選擇與實際尾砂相似條件較好的模型砂， 對潰壩過程及影響進行實時展現(xiàn)。2）數(shù)值模擬。數(shù)值模擬則主要通過電子計算機制作好尾礦庫庫區(qū)以及其下游周邊地形的模型，再結合數(shù)值計算軟件， 選擇好數(shù)學模型， 設置模型參數(shù)、邊界條件、初設條件及監(jiān)測點，最終通過圖像顯示潰壩過程及潰壩后對下游影響范圍及程度。 相比而言，物理模型試驗搭建耗時較長，重復性較差，造價高，而數(shù)值模擬簡便靈活，便于邊界條件的調整，重復性較好，相對經濟。

本文以某“頭頂庫”為例，采用CFD 軟件數(shù)值模擬分析尾礦庫漫頂潰壩后的淹沒范圍及影響程度。

3 初始潰口

根據(jù)潰壩過程的時間長短，可分為瞬間潰壩與逐漸潰壩。 由于尾礦壩壩體破壞不像剛性壩體那樣瞬間潰決，且其潰口是逐步發(fā)展擴大的，故尾礦壩漫頂潰壩一般為逐漸潰壩?？紤]到尾礦壩與水庫中的土壩相對較為相似，且尾礦庫漫頂潰壩的水流與水庫潰決也頗為相似，因此可用工程類比法，借用水利學中的潰壩公式[8]。為反應尾礦庫逐漸潰壩過程，在制作尾礦庫模型時，事先在尾礦壩上設置一缺口，其寬度根據(jù)黃河水利委員提出的堤壩潰口寬度經驗公式設置：

式中：b 為潰口寬度，m；W 為水庫總庫容，m3；B 為主壩長度，m；H 為壩高，m；k 為壩體材料經驗系數(shù)（黏土類取0.65，壤土取1.30）。

為體現(xiàn)尾礦庫潰壩后最不利情況， 初始潰口位置設置于尾礦壩最大斷面處。

4 應用成果

潰壩數(shù)值模擬應用成果見圖1~圖8。

圖1 尾礦庫及下游構筑物模型

圖2 下游村莊監(jiān)測點

圖3 潰壩10 min 后流速云圖

圖4 潰壩20 min 后流速云圖

圖5 潰壩1 h 后流速云圖

圖6 潰壩2 h 后流速云圖

圖7 尾砂淤積厚度云圖

圖8 下游村莊尾砂厚度監(jiān)測值

5 成果分析

通過潰壩模擬結果可知：1）模擬實驗開始后，潰壩水流在勢能作用下沿預設潰口發(fā)生漫頂， 漫頂水流沖刷壩體下游側壁面，形成沖溝。 在水流漫頂10 min 后，沖溝正式形成，此時沖溝內水流流速達8 m/s。2）隨著水流繼續(xù)沖刷壩體，沖溝迅速發(fā)育，發(fā)展成潰口， 下泄流量劇增， 流速增大， 在水流漫頂20 min后，最大水流流速達9 m/s，前端水舌已達谷口開闊地。 此處地勢開闊，水流速度下降，并造成淤積。 同時，庫內水面下降，潰口繼續(xù)擴寬，下泄流量增大，導致下游窄谷中水位上升。3）漫頂潰壩發(fā)生1 h 后，水流開始對壩體下游村莊建筑造成影響。 此時潰口已經擴展到最大，庫內水面大幅度降低，下泄流量相應減小，尾砂沿程沉積于壩體下游溝谷中。4）庫內水位逐步干涸，潰口停止發(fā)展，下泄流量持續(xù)減小，直至斷流。2 h 后，潰口下游基本無徑流，只有少部分低洼地帶還有少量水流殘存。5）在潰壩發(fā)生后，尾砂隨水流下泄，其中大部分尾砂都沉積于下游的溝谷之中，僅小部分尾砂隨水流移動至村莊低洼區(qū)沉積。 最終村莊內僅幾棟建基面較低的建筑會受尾砂沉積影響（僅 probe3 和 probe4 監(jiān)測點附近受影響，probe1 和probe2 監(jiān)測點區(qū)未受影響），最大深度約1.8 m。

6 結論

1）通過尾礦庫潰壩數(shù)值模擬，可預測潰壩后對下游的影響范圍及程度。 據(jù)此可為尾礦庫失事提前預警、人員疏散及相關安全預防措施等提供重要的依據(jù)。

2）利用流體力學軟件對尾礦庫潰壩進行數(shù)值模擬是較新的一個研究方向，為使計算結果更接近真實工況，應結合實際潰壩案例，給模型賦予準確的參數(shù)。

3）為盡量避免或減輕潰壩造成的危害，應嚴格按照相關要求，加強尾礦庫生產運行管理；同時可引導找出萬一潰壩發(fā)生其潰口的位置， 即在筑壩過程中， 靠厚實山體一側較其它段的尾礦壩灘頂高程可稍低些。