礦漿濃度對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究分析

劉 林，郭忠林，何澤正，胡建非，楊曉敏

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.重慶求精工程造價(jià)咨詢有限公司，重慶 400000)

尾礦庫(kù)屬于金屬、非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源，在尾礦庫(kù)事故中造成損失最大的是潰壩[1-3]。由于年限過(guò)長(zhǎng)或者其他自然及外界因素的破壞，使尾礦壩存在較大安全隱患。因此，如何降低尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)顯得極其重要。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)尾礦壩進(jìn)行了深入研究，主要從尾礦壩穩(wěn)定性、抗震性能、安全保護(hù)措施、安全管理、安全監(jiān)測(cè)方面做了探討分析[4-7]。眾多專家利用理論分析及相似模擬實(shí)驗(yàn)等方法，從多個(gè)方面研討尾礦壩壩體性能及潰決泥石流在下游的動(dòng)力特性變化，并取得十分顯著的科研成果，為未來(lái)對(duì)尾礦庫(kù)潰壩的研究設(shè)計(jì)提供了有力的理論基礎(chǔ)。敬小非等[8]選取尾款庫(kù)庫(kù)區(qū)尾砂為試驗(yàn)原材料，采用模擬裝置在洪水漫頂情況下進(jìn)行尾礦壩潰壩災(zāi)害的試驗(yàn)，總結(jié)在洪水的作用下尾礦壩壩體、浸潤(rùn)線等的變化情況，研究潰決泥石流的演進(jìn)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性。于廣明等[9]運(yùn)用幾何學(xué)對(duì)尾礦壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究，分析尾礦庫(kù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)尾礦壩力學(xué)性能的影響。張曉萍等[10]針對(duì)某鉬礦尾礦庫(kù)進(jìn)行抗震穩(wěn)定性研究，分析不同荷載作用下壩體變形情況，并對(duì)該尾礦庫(kù)尾礦液化穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。魏勇等[11]探究潰口形態(tài)、沙流體積分?jǐn)?shù)及下游坡度對(duì)潰壩砂流的流動(dòng)特性及演進(jìn)規(guī)律的影響。RICO等[12]在2008年分析了尾礦庫(kù)壩體一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，會(huì)導(dǎo)致洪水的可能性問(wèn)題及其關(guān)鍵影響因素。SUN等[13]運(yùn)用物理模型試驗(yàn)方法，建立尾礦庫(kù)覆頂演化模型，分析尾礦庫(kù)潰壩演化特性，得到飽和線高度、壩體位移、潰壩演變和最大流量過(guò)程。DIEGO等[14]將合成孔徑雷達(dá)(SAR)技術(shù)應(yīng)用于尾礦壩壩體表面變形監(jiān)測(cè)。

基于此，本文通過(guò)對(duì)不同礦漿濃度潰壩泥石流的影響因素及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，系統(tǒng)地研究了導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩的危險(xiǎn)因素，并對(duì)潰決泥石流隨時(shí)間、位移的變化規(guī)律進(jìn)行分析，為尾礦庫(kù)潰壩事故分析、庫(kù)區(qū)下游居民的搬遷提供依據(jù)。

1 工程概況

某銅礦尾礦庫(kù)地處四川省，溝谷朝向大致為北南向，屬于山谷型尾礦庫(kù)，呈“V”字狀，尾礦庫(kù)底寬約為10～25 m，縱坡比較陡峭，平均坡降約為0.17。溝谷地貌大多為坡地和荒巖，植被比較少，初期壩采用堆石壩的形式，初期壩頂標(biāo)高大約為1 240 m，壩高為73 m，該尾礦壩堆積壩高目前已達(dá)115 m，總壩高185 m。上游坡比為1∶1.76，下游坡比為1∶2，在每升高15 m的地方建造一寬約1.5 m的馬道。

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)尾礦砂選自于該尾礦庫(kù)，通過(guò)測(cè)試可知，尾礦庫(kù)堆存尾礦砂粒徑為d10=0.02 mm，d30=0.065 mm，d60=0.11 mm；曲率系數(shù)Cc平均值約為1.92，不均勻系數(shù)Cu平均值約為5.5，級(jí)配良好；液限18.8%，塑限9.4%，塑性指數(shù)9.4%，液性指數(shù)0.33。試驗(yàn)選取濃度為20%、30%、40%、50%、60%的尾礦礦漿為試驗(yàn)材料進(jìn)行5組尾礦壩相似模擬試驗(yàn)，并從淹沒高程、流速、應(yīng)力三個(gè)方面分析不同尾礦礦漿濃度對(duì)庫(kù)區(qū)下游流動(dòng)特性的影響。根據(jù)泥石流相似準(zhǔn)則和庫(kù)區(qū)地形地貌，綜合考慮工程需求、試驗(yàn)室場(chǎng)地和設(shè)施設(shè)備等情況，各要素比尺見表1。

表1 相似模擬比

該試驗(yàn)裝置為潰決泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由模擬尾礦壩區(qū)、潰口擋板、玻璃溝槽、錄影觀測(cè)設(shè)備、應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成。整個(gè)裝置采用透明材料制成，便于記錄觀測(cè)潰決泥石流泥深、流速等變化，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

2.2 試驗(yàn)步驟及過(guò)程

通過(guò)利用尾礦壩潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)裝置，對(duì)不同濃度礦漿泥石流演進(jìn)變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)步驟如下：

1)首先按計(jì)算出的比例配制好模型尾礦漿；

2)調(diào)試觀測(cè)設(shè)備的位置使拍攝角度最佳，將應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)歸零，做好試驗(yàn)前的所有準(zhǔn)備；

3)密封壩體潰決口，將配制好的礦漿倒入庫(kù)區(qū)中；

4)提升潰壩擋板模擬尾礦壩潰決泥石流，用觀測(cè)設(shè)備記錄泥石流在庫(kù)區(qū)下游的運(yùn)功過(guò)程，用紅色浮標(biāo)測(cè)試流速。

通過(guò)觀測(cè)設(shè)備錄像片段觀察出各濃度在不同斷面處淹沒高程的變化規(guī)律，潰壩淹沒高程特性分析如圖2～7，可觀察出各濃度的淹沒高程有明顯差異，隨著濃度及距壩址的距離增大，淹沒高程呈現(xiàn)逐漸減小直至平緩的趨勢(shì)。為了更好地觀測(cè)潰壩礦漿濃度對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，本次試驗(yàn)分別從1.5、3、4.5、6 m取點(diǎn)，沿著潰壩流向選擇4個(gè)不同的點(diǎn)。

圖2 不同濃度潰壩泥石流淹沒高程變化(距壩址1.5 m處)Fig.2 Changes in elevation of submerged dam-break debris flows with different concentrations(1.5 m away from the dam site)

圖3 距壩址1.5 m處淹沒高程變化規(guī)律Fig.3 Change law of submerged elevation of the location with 1.5 m away from the dam site

由圖2可知，尾礦庫(kù)潰決泥石流濃度的增加導(dǎo)致泥沙流流經(jīng)庫(kù)區(qū)下游時(shí)，相同特征過(guò)流斷面處泥深有較大的差異，隨著濃度的增加，淹沒高程呈增大趨勢(shì)，其不同濃度淹沒高程分別為10.1、11.9、12.2、12.6、14 cm。圖3展示了不同泥漿濃度情況下泥沙流的淹沒高程變化過(guò)程線，可看出各濃度的最大淹沒高程分別為11、12、13、14、15 cm，1.5 s之內(nèi)，淹沒高程迅速達(dá)到峰值，隨著時(shí)間的變化，各個(gè)濃度的淹沒高程漸漸降低。

由圖4可知，隨著濃度的增大，淹沒高程也在逐漸增大。由圖5可知，在距壩址3 m位置處，各濃度的最大淹沒高程分別為7、8、8.4、9、10 m，相較距離1.5 m處各濃度最大淹沒高程范圍有所減小，隨著時(shí)間的流逝和距離的增加，淹沒高程逐漸減小。在2 s內(nèi)淹沒高程增長(zhǎng)迅速，比距離1.5 m處所達(dá)到淹沒高程峰值的時(shí)間延長(zhǎng)了0.5 s，在達(dá)到淹沒高程峰值及降低的過(guò)程中，增長(zhǎng)速率與下降速率有減慢的趨勢(shì)。

圖4 不同濃度潰壩泥石流淹沒高程(距壩址3 m處)Fig.4 Inundation elevation of dam-breaking debris flow with different concentrations(3 m away from the dam site)

圖6中對(duì)比各濃度的淹沒高程，隨著泥漿濃度變大，淹沒高程逐漸升高，20%濃度時(shí)淹沒高程為5.5 cm，60%濃度時(shí)淹沒高程為6.6 cm。由圖7可知，距壩址4.5 m處各濃度淹沒高程最大值分別為5、5.5、6、6.5、7 cm，相比3 m處下降了2～4 cm，最大淹沒高程的增長(zhǎng)速率也明顯變緩，隨后淹沒高程逐漸降低至平穩(wěn)流動(dòng)。

圖5 距壩址3 m處淹沒高程變化規(guī)律Fig.5 Variation law of submerged elevation 3 m from the dam site

圖6 不同濃度潰壩泥石流淹沒高程(距壩址4.5 m)Fig.6 Inundation elevation of dam-breaking debris flow with different concentrations(4.5 m away from the dam site)

圖7 距壩址4.5 m處淹沒高程變化規(guī)律Fig.7 Variation law of submerged elevation of the location with 4.5 m away from the dam site

經(jīng)過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)下游不同特征過(guò)流斷面的淹沒高程變化及不同濃度的淹沒高程變化折線圖分析預(yù)測(cè)，得到各斷面淹沒高程隨時(shí)間變化的規(guī)律及流體在下游的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，隨著尾礦庫(kù)潰決泥石流濃度的逐漸增大，泥石流在流經(jīng)庫(kù)區(qū)下游同一特征過(guò)流斷面時(shí)的淹沒高程有著較大差異。根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出：

1)在距壩址相同位置處，隨著礦漿濃度的變化，淹沒高程也表現(xiàn)出逐漸增大的走勢(shì)。而淹沒高程在下游的流動(dòng)中隨著流動(dòng)距離的逐漸變大而表現(xiàn)出變小的趨勢(shì)。距離潰口的位置越近，淹沒高程越高，隨著距離的增大，由于勢(shì)能的逐漸減少，淹沒高程越來(lái)越低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)距離潰口1.5 m處時(shí)，不同濃度的最大淹沒高程范圍大約為11～15 cm；而在距壩址3 m處，最大淹沒高程范圍為7～10 cm；距離4.5 m處，最大淹沒高程降低至5～7 cm。顯然離潰口距離越近的庫(kù)區(qū)下游災(zāi)害范圍越大。由圖4可知，距壩址1.5 m處，當(dāng)濃度由20%增大至60%時(shí)，淹沒高程由10.1 cm上升至14 cm；同理可知距壩址3、4.5 m位置處，泥漿濃度由20%濃度上升至60%時(shí)，淹沒高程分別由7.5、5.5 cm上升至9.2、6.6 cm。

2)泥漿在下游各個(gè)過(guò)流斷面處觀測(cè)點(diǎn)流速的演進(jìn)過(guò)程中有著極具明顯的衰弱現(xiàn)象，淹沒高程總體呈現(xiàn)出小—大—小的變化趨勢(shì)。各個(gè)斷面上的淹沒高程變化趨勢(shì)均體現(xiàn)為前面陡峭后面逐漸平緩，當(dāng)潰壩泥漿到達(dá)某一個(gè)斷面后，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，隨后就不斷降低，出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象[15]。整個(gè)淹沒高程過(guò)程曲線總體上可以總結(jié)為三個(gè)階段：第一階段為淹沒高程迅速增長(zhǎng)的階段。在該階段內(nèi)，淹沒高程迅速爬高，并且達(dá)到一個(gè)峰值，該段的曲線斜率較大。淹沒高程達(dá)到峰值的時(shí)間越短，代表該區(qū)域的人撤離的時(shí)間越短，所受災(zāi)害程度越大；第二階段為淹沒高程逐漸下降階段。該階段內(nèi)淹沒高程隨著時(shí)間的推移慢慢降低，下降速率明顯小于第一階段；第三階段為穩(wěn)定階段，伴隨著泥漿淹沒高程緩慢地變小，淹沒高程從最頂峰降至最低處并使泥漿停滯于溝槽。該階段的特點(diǎn)就是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，淹沒高程降低速率比較低。

通過(guò)觀察攝像系統(tǒng)拍攝的記錄結(jié)果，可得出不同過(guò)流斷面，在不同濃度情況下的流速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，潰壩流速特性分析見表2。試驗(yàn)中采用紅色泡沫小球追蹤記錄礦漿流速，當(dāng)流體流到下游溝槽時(shí)，間斷性地投入泡沫小球，由于小球較輕，將隨著流體一起流動(dòng)，通過(guò)小球的位移和經(jīng)過(guò)的時(shí)間即可計(jì)算出流體的流速。

表2 不同泥漿濃度各過(guò)流斷面觀測(cè)點(diǎn)流速

從表2中可以觀察出潰決泥石流在下游流槽中的流速在距壩址相同位置處，隨著礦漿濃度的增大，速度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)。以距壩址3 m處為例，20%濃度的流速2.01 m/s，而60%濃度的流速降低至1.36 m/s，初步研究判斷為泥漿濃度越高時(shí)，泥漿內(nèi)部的黏度也隨之變大，導(dǎo)致泥漿在下游溝槽活動(dòng)過(guò)程中累計(jì)消耗的能量也越多，所以流動(dòng)速度隨著泥漿濃度的增大而減小。

同一泥漿濃度的情況下，觀測(cè)點(diǎn)最大流速隨著距離壩址的位置增大而減小，以20%濃度為例，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)流速在3 m處時(shí)，流體速度的峰值達(dá)到2.01 m/s，當(dāng)泥石流到達(dá)下游6 m處時(shí)，流速降低至1.39 m/s。因?yàn)閹?kù)區(qū)泥砂流來(lái)源的減少和勢(shì)能的降低，且流動(dòng)過(guò)程中受到一定的阻力，使同一濃度泥漿流速隨著距離的增大而減小。以上現(xiàn)象說(shuō)明泥漿濃度越大，到達(dá)下游所需的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生潰壩事故時(shí)，有相對(duì)更多的時(shí)間采取應(yīng)急措施，使人員迅速撤離到安全區(qū)域。

圖8為不同濃度泥漿在1、2、3、4號(hào)傳感器(1號(hào)距壩址1.5 m，2號(hào)距壩址3 m，3號(hào)距壩址4.5 m，4號(hào)距壩址6 m)位置處潰壩應(yīng)力特性的變化規(guī)律。

圖8 不同濃度應(yīng)力變化Fig.8 Stress changes at different concentrations

由圖8可分析出潰壩泥石流濃度是影響應(yīng)力變化的重要因素，隨著泥石流濃度的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。以2號(hào)傳感器為例，20%濃度應(yīng)力峰值為6.4 kPa，60%濃度應(yīng)力峰值降低至0.79 kPa。因?yàn)闆_擊力受到濃度、運(yùn)動(dòng)速度的影響很大，使其隨著濃度的增加，泥沙流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變小，泥沙流濃度對(duì)沖擊力的影響反而更為明顯，因此隨濃度的增大使其對(duì)泥沙流的沖擊力表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

在相同濃度的情況下，2號(hào)傳感器應(yīng)力值最大，距潰口越遠(yuǎn)的傳感器所受應(yīng)力越小，4號(hào)傳感器應(yīng)力值最小。而1號(hào)傳感器所受應(yīng)力值小于2、3號(hào)傳感器的應(yīng)力值，因?yàn)闈⒖谔幨艿秸∥恢锰幍淖枇?，形成回蕩現(xiàn)象，使流體到1位置處的沖擊力對(duì)比2、3號(hào)傳感器的沖擊力更小，結(jié)果表現(xiàn)為1號(hào)應(yīng)力值小于2、3號(hào)傳感器應(yīng)力值。在同一濃度情況下應(yīng)力值迅速達(dá)到峰值后，隨即產(chǎn)生逐漸下降至平穩(wěn)的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，探析了不同礦漿濃度對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥石流規(guī)律的影響，針對(duì)不同濃度對(duì)潰決泥石流在下游的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析結(jié)果，通過(guò)一定的相似模擬比放大，將試驗(yàn)得到的結(jié)論結(jié)合到實(shí)際情況中，對(duì)發(fā)生潰壩事故時(shí)人員撤離高度、房屋耐壓等級(jí)和人員疏散時(shí)間提出合理的建議。

1)根據(jù)不同濃度泥石流淹沒高程特性分析結(jié)果，將相似模擬長(zhǎng)度比尺1∶400放大，得到人員應(yīng)安全撤離的高度。以泥漿濃度為60%為例，試驗(yàn)得出該濃度在距壩址0.6 km處，人員應(yīng)撤離到高于84 m的安全區(qū)域；在距壩址1.2 km處，人員應(yīng)撤離到高于60 m處；距壩址1.8 km時(shí)，應(yīng)撤離到高于39.6 m處。隨著濃度變小，淹沒高程將逐漸減小，所以當(dāng)泥石流濃度越低時(shí)，應(yīng)撤離的高度相對(duì)越低。

2)根據(jù)不同濃度泥石流應(yīng)力特性分析，庫(kù)區(qū)下游的建筑物須能夠承受一定的沖擊力，才能保證建筑物不被泥石流破壞。根據(jù)應(yīng)力特性分析結(jié)果，通過(guò)沖擊力比尺1∶557的相似模擬比計(jì)算得出建筑物應(yīng)達(dá)到的耐壓強(qiáng)度。當(dāng)泥漿濃度為20%時(shí)，在距壩址0.6 km處，建筑物抗壓程度應(yīng)大于1.73 MPa；在距壩址1.2 km處，建筑物抗壓程度應(yīng)大于3.56 MPa；而在距壩址1.8 km處，耐壓程度應(yīng)大于1.95 MPa；在距壩址2.4 km處，建筑物抗壓程度應(yīng)大于1.03 MPa。當(dāng)泥漿濃度增大到60%時(shí)，由于沖擊力相對(duì)減小，所對(duì)應(yīng)的建筑物必須達(dá)到的抗壓程度也隨之減小。在距壩址0.6 km處，建筑無(wú)耐壓程度應(yīng)大于0.28 MPa；距壩址1.2 km處，耐壓程度應(yīng)大于0.45 MPa；距壩址1.8 km處，耐壓程度應(yīng)大于0.33 MPa；距壩址2.4 km處，耐壓程度應(yīng)大于0.21 MPa。

3)根據(jù)不同濃度流速特性分析，根據(jù)流速比尺1∶20，計(jì)算出人員安全撤離的疏散時(shí)間。庫(kù)區(qū)下游按長(zhǎng)度比尺(1∶400)算出總長(zhǎng)為2 400 m，20%濃度時(shí)按流速比尺計(jì)算出的最大流速為40.2 m/s，安全撤離時(shí)間為59 s；30%濃度時(shí)最大流速為36.4 m/s，安全撤離時(shí)間為65 s；40%濃度時(shí)最大流速為30.8 m/s，安全撤離時(shí)間為78 s；50%濃度時(shí)最大流速為28.4 m/s，安全撤離時(shí)間為85 s；60%濃度時(shí)最大流速為27.2 m/s，安全撤離時(shí)間為88 s。當(dāng)濃度從20%增大至60%時(shí)，安全撤離時(shí)間延長(zhǎng)了29 s。