尾礦庫潰壩條件下的區(qū)域水土流失模擬研究

趙 野

(遼寧澤龍水利實業(yè)有限責任公司，沈陽 110003)

0 引 言

尾礦庫主要是存放非金屬礦山廢渣以及金屬礦物的場所，一般主要位于山谷地帶，是礦山生產不可或缺的場所。同時礦山挖掘最大的風險來源之一，尾款庫受到人為影響是泥沙流形成區(qū)中具有較高勢能的類型、尾礦庫潰壩條件下的風險評估是當前對于尾礦庫安全評估的重要措施，因此對于尾礦庫的安全風險評估也逐步得到研究，但這些研究成果大都針對尾礦庫潰壩條件下的洪水進行風險分析，而對于尾礦庫而言，其潰壩條件下的水土流失影響也十分嚴重，在進行尾礦庫潰壩條件下的安全風險評估時，其水土流失影響不可忽略[1-3]。近些年來，水力-泥沙耦合模型在一些水利工程水沙模擬得到應用，各研究成果表明該模型可綜合考慮泥沙沿程分布的影響，相比于傳統(tǒng)泥沙演算模型，更為準確，但該模型在尾礦庫潰壩條件下的水土流失模擬影響還未得到應用，為此文章結合水力-泥沙耦合模型，結合遼寧某尾礦庫工程，對其潰壩條件下的水土流失沿程分布進行模擬，從而分析其潰壩條件下的水土流失風險[4-5]。

1 模型計算原理

水力-泥沙耦合模型首選需要對尾礦庫潰壩條件下的寬度進行計算：

b=K1K2W1/4B1/7H1/2

(1)

式中：b為潰壩計算寬度，m；K1為尾礦庫穩(wěn)定程度系數，取值為1.5；K2為特征參數，主要表征為尾礦庫的防洪、水土流失特征，取值為1.3；W為總的庫容，萬m3；B為尾礦庫總長，m；H為尾礦庫高度，m。尾礦庫受到潰壩時期高水位影響，其整體液化現(xiàn)象較為嚴重，綜合考慮其運行安全，潰壩洪水采用圣維南方程進行計算：

(2)

式中：Qm為潰壩最大出口水量，m3/s;K為水力學系數，文章該參數取值為0.34；g為其重力加速度，m/s2；H0為潰壩時的初始時刻水位，m。尾礦庫發(fā)生潰壩時大量的礦物細粒受水流沖刷影響形成較大的泥沙流，從而影響尾礦庫下游人民生命財產安全，潰壩洪水到尾礦庫下游斷面水力、水文要素等特征的模擬可以分析其潰壩最大流量的沿程分布，從而為下游安全決策提供依據，潰壩沿程流量計算方程為：

(3)

式中：QL為沿程斷面流量最大計算值，m3/s;QW為潰壩水土流失最大體積量，m3;L為潰壩泥沙流傳播的距離，m;Vm為泥沙流演進的最大流速，m/s;K為泥沙流演進參數，取值為1.5。采用黃委會水科所推薦的泥沙流傳播時間計算其潰壩條件下泥沙流的傳播時間：

(4)

式中：t為泥沙流沿程演算時間，s;k為經驗計算參數，取值為0.9；W為潰壩泥沙流的計算體積；H為尾礦庫潰壩時的水深，m；hm為流量最大值時對應的水深均值，m。

2 實例應用

2.1 尾礦庫概況

文章以遼寧某尾礦庫為具體實例，該尾礦庫耕地、林地面積、宅基面積分別為6148.3畝、30236.7畝以及183.5畝，占地總面積達到39185畝，其他用地類型主要為水域以及山地。原有居住在庫區(qū)的農業(yè)人口總數為2035人，目前已全部搬遷出庫區(qū)。該尾礦庫設計總的高度為210m，壩頂高程最大值為250m，尾礦庫中軸長度約為300m，壩體寬度總長為5.5m，上下游坡比為1∶2.5, 壩體主要為堆石類型。尾礦庫總庫容為4896萬m3。

2.2 潰壩洪水演算

采用尾礦庫潰壩洪水對其潰壩流量以及傳播時間進行計算，結果如表1所示。

表1 潰壩洪水流量演算成果

從該尾礦庫潰壩洪水演算成果可看出，該尾礦庫的防洪標準為可抵御頻率為0.5%的洪水，當發(fā)生超過此量級洪水時，尾礦庫泄洪能力有限，極容易發(fā)生潰壩洪水。從尾礦庫潰壩洪水流量演算成果可看出，第一個斷面的潰壩洪水最大為1299m3/s，隨著傳播距離的增加，其潰壩洪水流量逐步減小，這主要受沿程水量損失的影響，當發(fā)生潰壩洪水時，下泄洪水沿程發(fā)生漫灘，可以使得其流量產生較為明顯的損失。從尾礦庫潰壩洪水的平均水深可看出，受沿程水量損失的影響，其潰壩水深均值也逐步減小，最大水深和最大流量均出現(xiàn)在第一個斷面。從洪水傳播時間可看出，當洪水傳播到最后一個斷面時，其傳播時間為556.5s，表明潰壩洪水的傳播速率較快，通過對潰壩洪水傳播距離和傳播時間分析，發(fā)生超標準洪水后，尾礦庫傳播速率將可達到0.64m/s。

2.3 潰壩水土流失量計算

結合前面所述的水土流失演算模型對尾礦庫發(fā)生潰壩時的水土流失量沿程分布進行演算，演算結果如表2所示。

表2 尾礦庫潰壩條件下水土流失沿程分布演算成果

當尾礦庫發(fā)生潰壩洪水時，大量的尾礦庫區(qū)內堆放的細粒廢渣將形成大量的泥水流，給下游人民財產安全產生較為嚴重的影響。從尾款庫潰壩條件下的水土流失沿程分布情況可看出，隨著傳播距離的增長，潰壩洪水攜帶的水土流失量將逐步減小，沿程出現(xiàn)較為明顯的水土流失量遞減變化，這主要是因為泥沙主要以水土作為其運移的載體，而由于潰壩洪水沿程水量損失的影響，其水土流失量也必將有所減少。受水土流失量沿程損失的影響，尾礦庫潰壩條件下泥石流的寬度也將逐步減小，最大寬度主要出現(xiàn)在1#斷面，該斷面也是潰壩洪水流量最大斷面，水土流失傳播時間總體要低于洪水的傳播時間 ，這主要是受到泥沙顆粒重量的影響，其傳播速度要低于潰壩洪水的傳播速度，從潰壩水土流失沿程距離和沿程分布時間可看出，潰壩洪水條件下的水土流失傳播速率為0.53m/s，從其傳播距離可看出，在發(fā)生尾礦庫潰壩洪水后，其水土流失最大傳播距離壩址為4.3km，該區(qū)域屬于水土流失重點防范區(qū)域。

2.4 潰壩水土流失淹沒范圍分析

結合文章構建的水力-泥沙耦合模型對該尾礦庫發(fā)生潰壩洪水條件下不同時刻水土流失淹沒范圍進行模擬，結果如圖1所示。

T=15min

結合水力-泥沙耦合模型對四種不同計算時刻下尾礦庫發(fā)生潰壩洪水時水土流失淹沒范圍進行了分析，從不同時刻水土流失淹沒范圍可看出，隨著傳播時刻的增加，水土流失的淹沒范圍有所減少，這主要是因為沿程水量和沙量都有較為明顯的損失，使得當計算時刻為65min時，其水土流失的淹沒范圍最低。從各計算時刻的水土流失淹沒影響范圍看出，當發(fā)生該尾礦庫的潰壩洪水時，其淹沒最低高程均低于附件居民地的高程值，潰壩洪水攜帶的泥沙會對河道進行淤積，但是由于淹沒高程低于居民地高程，因此其水土流失對于附件居民地的影響相對較小，但是大量的細粒廢渣將對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產生直接影響。

3 結 語

1)發(fā)生潰壩洪水時，下泄洪水沿程發(fā)生漫灘，可以使得其流量產生較為明顯的損失。從尾礦庫潰壩洪水的平均水深可看出，受沿程水量損失的影響，其潰壩水深均值也逐步減小，最大水深和最大流量均出現(xiàn)在第一個斷面。

2)隨著傳播距離的增長，潰壩洪水攜帶的水土流失量將逐步減小，沿程出現(xiàn)較為明顯的水土流失量遞減變化，這主要是因為泥沙主要以水土作為其運移的載體，而由于潰壩洪水沿程水量損失的影響，其水土流失量也必將有所減少。

3)結合水力-泥沙耦合模型可實現(xiàn)不同傳播時刻下的水土流失淹沒范圍，從而對其發(fā)生潰壩洪水時的安全風險進行科學評估。