尾礦庫潰壩影響分析

王秀龍

（遼寧智誠中安安全技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

土石壩類型尾礦庫，是國內(nèi)尾礦庫占比最多的壩型。土石壩潰決過程存在很大的不確定性，絕大多數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法和由以往潰壩資料推導(dǎo)出來的經(jīng)驗(yàn)公式都不能很好的運(yùn)用于土石壩潰決過程，因?yàn)橥潦瘔蔚臐Q過程是一個(gè)隨潰口寬度和深度增加而逐漸潰決的過程。在潰決過程中，潰口流量過程是潰口形狀變化的函數(shù)，且該函數(shù)一般是非線性的，要求出這種函數(shù)關(guān)系式不容易，需要作進(jìn)一步的研究。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)跨尺度、多物理過程相耦合的復(fù)雜過程。傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)中幾個(gè)核心問題采用的理論方法及其局限性見表1。由此可以看出，傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)中的理論尚難以準(zhǔn)確描述挾沙水流的運(yùn)動(dòng)特征。

表1 傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)中的理論方法和存在問題[1]

目前針對(duì)尾礦庫潰壩分析，學(xué)者們主要通過建立物理模型進(jìn)行水工試驗(yàn)，但建立水工模型進(jìn)行試驗(yàn)不僅時(shí)間成本高，而且經(jīng)濟(jì)成本也較大，不易實(shí)現(xiàn)；也有學(xué)者基于Fluent、Flow等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，但操作性不佳，對(duì)于一般礦山企業(yè)和技術(shù)人員，難以完成。因此，探尋和提出一個(gè)現(xiàn)階段理論和經(jīng)驗(yàn)支持下比較可信、易操作、經(jīng)濟(jì)性較好的尾礦庫潰壩影響分析方法，是尾礦庫安全技術(shù)工作的迫切需要。

郭維東等認(rèn)為，根據(jù)以往潰壩洪峰流量、淹沒歷時(shí)與庫區(qū)泥沙中值粒徑值有關(guān)[2]。由于各類礦物經(jīng)濟(jì)價(jià)值、理化性質(zhì)的不同，磨礦粒度也不盡相同，筆者本次研究以我國最常見的磁選鐵礦尾砂為主要研究對(duì)象。通過分析水利行業(yè)對(duì)各類泥石流的研究成果，結(jié)合尾砂粒徑和尾砂堆放特點(diǎn)，提出一個(gè)專適用于礦山尾礦庫的潰壩影響分析。對(duì)于尾礦庫潰壩原因分析及安全防治具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 潰壩泥石流演進(jìn)

（1）泄砂總量。泄砂總量的取值主要取決于庫區(qū)呈飽和狀態(tài)的尾礦砂。對(duì)于水邊線距離壩軸線較遠(yuǎn)的尾礦庫，泄砂總量的計(jì)算可按尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)利用邊坡穩(wěn)定分析的方法，確定最危險(xiǎn)滑弧，然后進(jìn)行估算泄砂總量。對(duì)于水邊線距離壩軸線較近的尾礦庫，泄砂總量取某一高程以上的全部庫容。某一高程可以是初期壩以上，因初期壩一般建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，發(fā)生潰決的可能性相對(duì)較低。以圖2的地形舉例，圖中尾礦庫A溝庫長較長，水邊線較遠(yuǎn)，即使發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)洪水，也能確保符合標(biāo)準(zhǔn)的灘長，這種尾礦庫發(fā)生潰壩可能性較小，可以按照典型斷面的危險(xiǎn)滑弧估算這部分泄砂總量；B溝庫長短，壩前尾砂很容易飽和，這部分按某一高程以上全部庫容估算泄砂總量。

（2）潰口寬度。黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院于20世紀(jì)70年代就小浪底水庫進(jìn)行了水平比例為1/1000和垂直比例為1/100的潰壩模型試驗(yàn)，總結(jié)了潰壩流量過程經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：b—潰壩決口平均寬度，m；W—泄砂總量，104m3；B—潰壩時(shí)壩頂長度，m；H0—潰壩水頭或潰壩時(shí)壩前水深，m；k—與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，粘土取0.65，壤土取1.3。

（3）壩址處最大流量。壩址處最大流量因河槽、潰壩缺口等因素有不同的計(jì)算方法，考慮最危險(xiǎn)情況，即壩址處可出現(xiàn)的最大流量，假定下游河槽為矩形，尾礦庫潰決屬于部分潰壩的特點(diǎn)。依據(jù)肖克列奇經(jīng)驗(yàn)公：

式中：Qmax—壩址處最大流量，m3/s；H0—潰壩時(shí)壩前上游水深，等于尾礦庫最大壩高減去壩前淤深和校核水位距壩頂?shù)木嚯x，m。

（4）潰壩下游流量。潰壩下游流量計(jì)算，由經(jīng)驗(yàn)公式：

QL—距壩址控制斷面潰壩口距離L處時(shí)，最大流量，m3/s；L—控制斷面距尾礦庫壩址的距離，m；Vmax—特大洪水的最大平均流速（山區(qū)取3.0～5.0，m/s，丘陵區(qū)取2.0～3.0，平原區(qū)取1.0～2.0），取3.0；K-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（山區(qū)取1.1～1.5，丘陵區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.8～0.9），取1.1。

黃委水利委員會(huì)水力科學(xué)研究所根據(jù)實(shí)際資料分析，VK值應(yīng)取下列數(shù)值：山區(qū)河道，VK=7.15；半山區(qū)河道，VK=4.76；平原河道，VK=3.13。

（5）潰壩洪水傳播時(shí)間。潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠(yuǎn)，波速削減越快。黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得潰壩洪水傳播時(shí)間及概化流量過程線如下：

式中：K1—系數(shù)，取平均數(shù)為0.0007；t1—洪水到達(dá)時(shí)間。

（6）泥石流流速。泥石流流速是反映泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)的最重要的特征值，同時(shí)也是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。尾礦壩潰壩的流體是黏性較大的尾礦砂與水的混合體，體現(xiàn)出較強(qiáng)的非牛頓流體特征。吳積善等分析了國內(nèi)的黏性泥石流流速公式，認(rèn)為可按泥石流阻力大小分為低阻型、中阻型及高阻型泥石流計(jì)算公式。查閱國內(nèi)一些鐵礦選廠尾礦特性表，尾砂加權(quán)平均粒徑一般在0.05mm左右。結(jié)合吳積善研究成果，尾礦庫潰壩引發(fā)泥石流，在不考慮與下游河床交換的情況下，屬于中阻型粘性泥石流。這類泥石流的流速可按照楊針娘公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：K—斷面平均流速系數(shù)，一般取0.7；Hc—泥沙深；Jc—平均坡降。

（7）泥石流淤積厚度。泥石流的危害特點(diǎn)：稀性泥石流以沖刷為主，粘性泥石流以淤積掩埋為主。因此研究尾礦庫的潰壩影響，研究淤積厚度意義重大。泥石流的淤積厚度可通過泥石流體的容重、淤積坡度和泥石流體的屈服應(yīng)力計(jì)算得出。

式中：H—泥石流最大淤積厚度，m；t—泥石流漿體屈服應(yīng)力，Pa；θ—下游河道平均淤積坡度，°；g—重力加速度，9.8m/s2；ρ—泥石流漿體容重，kg/m3。

泥石流漿體的屈服應(yīng)力參照下表選取：

圖1 屈服應(yīng)力和礦漿濃度間關(guān)系

（8）泥石流沖擊力。泥石流防治工程需要考慮泥石流的沖擊力，尾砂泥石流沖擊力按照均質(zhì)漿體的動(dòng)壓力計(jì)算。

式中：f—單位面積沖擊力（KN/m2）；γ—泥石流重力密度（KN/m3）；v—泥石流流速（m/s）；

2 工程實(shí)例應(yīng)用

某尾礦庫總庫容20萬m3，總壩高22m（標(biāo)高604m～626m），壩軸線長110m，假設(shè)潰壩時(shí)壩前水深1.5m。按照本文提出的方法，對(duì)下游敏感建筑物進(jìn)行分析如下。

表2 工程下游建筑物數(shù)據(jù)分析

影響分析：辦公室標(biāo)高605m，距離壩腳直線距離130m，與尾礦壩之間區(qū)域?yàn)楠M長溝谷，谷底標(biāo)高580m，坡向東南，溝底無地面設(shè)施。谷底標(biāo)高加泥沙厚度為580.55m，未達(dá)到辦公室地面標(biāo)高，因而尾礦庫潰壩對(duì)辦公室不構(gòu)成威脅。

如果經(jīng)計(jì)算泥沙會(huì)沖擊敏感建筑物，需要設(shè)計(jì)擋墻進(jìn)行防護(hù)，這時(shí)候就會(huì)2.8節(jié)提出的公式對(duì)擋墻進(jìn)行驗(yàn)算。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用本文提出的方法基本可以對(duì)尾礦庫潰壩造成的泥石流影響進(jìn)行一定的評(píng)估，從而確定其影響范圍，影響程度，預(yù)先做好防災(zāi)措施。

（2）由于泥石流的復(fù)雜性，本文介紹的方法需要具備以下適用條件：尾礦庫類型為土石壩、尾礦壩為逐漸潰決、尾砂加權(quán)平均粒徑在0.05mm左右、不考慮形成泥石流后與下游河床的物質(zhì)交換、假定下游河槽為矩形。

（3）泥石流淤積遠(yuǎn)端確定、堆積扇上建筑物的阻擋效應(yīng)、更多案例驗(yàn)證等問題需要在將來的工作中考慮并進(jìn)一步研究。

（4）由于尾礦潰壩泥石流的事故案例有限，且披露不詳，需要收集資料對(duì)方案做進(jìn)一步的校核。