新余天賦礦業(yè)3 號尾礦庫潰壩數(shù)值模擬分析

張書濱，甘小艷，張立存

（江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西南昌 330025）

根據(jù)國家相關(guān)部門的數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)擁有約12 萬個(gè)尾礦庫，2012 年至2016 年每年的尾礦庫礦產(chǎn)量超過16 億噸[1]。 尾礦庫是一個(gè)具有高勢能的人造石流危險(xiǎn)源，存在潰壩危險(xiǎn)，一旦失事，容易造成重特大事故。尾礦庫潰壩的原因是多種多樣的，有滲流破壞、邊坡失穩(wěn)、構(gòu)造缺陷和洪水漫頂?shù)萚2-3]。 但無論是哪種原因，壩體的破壞過程都可以分為突然潰決的瞬潰和漸進(jìn)式破壞的漸潰。 相較于漸潰,瞬潰造成的潰壩洪峰流量更大，流速更快且造成次生災(zāi)害的程度更深。

為了分析潰壩對下游影響， 同時(shí)為制定應(yīng)急措施提供依據(jù)，眾多學(xué)者對潰壩進(jìn)行了一定的研究。葉仁強(qiáng)[4]通過數(shù)值模擬分析了模型沙容重與水下休止角對相似性的影響， 并得出中型容重且水下休止角與原型接近的模型沙潰壩后時(shí)間相似性、 淤積厚度相似性均最好。 姜永豐、余國平等[5-10]借助 Flow-3D軟件進(jìn)行數(shù)值仿真模擬， 分析了尾礦庫流量變化并確定了潰壩對下游的影響范圍。葉帥[11]采用AHP-模糊綜合評價(jià)法研究了尾礦庫漫頂潰壩災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)評估方法和應(yīng)急救援機(jī)制。 郭順[12]通過顆粒級配、固結(jié)等試驗(yàn)了解尾砂特性并分析尾砂對增大潰壩風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。 肖利興[13]基于尾礦工程分析水砂流對下游開闊地的影響程度。 武立功[14]通過物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)探究不同粒徑尾砂筑壩時(shí)發(fā)生漫頂潰壩時(shí)的潰決反應(yīng)。 胡良才[15]基于VOF 方法、RNG k-ε 紊流模型研究鈾尾礦庫潰壩泥石流演進(jìn)規(guī)律及其對下游環(huán)境的影響。

本文基于新余天賦礦業(yè)3 號尾礦庫加高擴(kuò)容工程，比較尾礦庫潰壩潰口寬度不同經(jīng)驗(yàn)公式，分析尾礦庫潰壩潰口寬度大小， 采用Flow-3D 軟件分析尾礦壩在一定潰口寬度下發(fā)生瞬間潰壩時(shí)潰壩砂流的運(yùn)移范圍，以及對下游產(chǎn)生的影響。

1 項(xiàng)目概況

1.1 礦山基本概況

天賦3 號尾礦庫位于江西省分宜縣鈐山鎮(zhèn)境內(nèi)，屬鈐山鎮(zhèn)管轄，有鄉(xiāng)村公路相通，交通較為方便。 尾礦庫壩頂中心點(diǎn)地理坐標(biāo)為：X=3 058 292，Y=38 566 139，現(xiàn)壩頂高程為 150.00 m。

該尾礦庫為五等庫，尾礦壩壩型為攔擋壩，一次性機(jī)械碾壓土石壩，設(shè)計(jì)壩頂高程為136 m。 考慮到尾礦廠長遠(yuǎn)發(fā)展需要， 尾礦庫又存在一定的加高擴(kuò)容條件，加高設(shè)計(jì)將尾礦壩高程從136.00 m 加高至150.00 m，加高后壩頂高程為 150.00 m，尾礦壩總壩高為 36.52 m，尾礦庫總庫容為 314.5×104m3，有效庫容為 232.6×104m3。 擴(kuò)容后該尾礦庫為四等庫，庫內(nèi)主要水工構(gòu)筑物等級為4 級，防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 年。尾礦庫剖面見圖1，主壩現(xiàn)狀情況見圖2。

1.2 尾礦庫下游情況

天賦3 號尾礦庫加高擴(kuò)容工程采用碾壓土石壩筑壩。尾礦庫為山谷型尾礦庫，庫區(qū)下游壩腳直線方向1 km 以內(nèi)存在村莊、公路等設(shè)施，詳見圖3。

由圖3 可知，下游主要情況為：正下方是大片較為平整農(nóng)田，高程在98.5 m 左右；距離壩腳最近的民房（下田村）直線距離僅 808.43 m。 民房沿 224 省道（分宜至安福公路）往北分布，民房地面高程大約為 97.5～101.5 m；下田村民房西側(cè) 224 省道路面高程為102.5 m 左右，公路面高程比下田村民房地面高出值≥1 m。公路的西側(cè)還分布有渣村、松山村，其地面高程基本與公路高程相同；越遠(yuǎn)離公路往西，房屋地面高程越高，見圖4。

2 尾礦庫瞬潰潰口計(jì)算

2.1 潰壩經(jīng)驗(yàn)公式分析

潰壩潰口平均寬度計(jì)算主要是基于經(jīng)驗(yàn)公式，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法， 對有關(guān)工程潰壩資料進(jìn)行收集整理，進(jìn)行回歸分析，建立潰壩潰口平均寬度與壩高、壩型、潰壩時(shí)水頭、水庫庫容等參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。 國內(nèi)學(xué)者針對尾礦庫潰壩經(jīng)驗(yàn)公式已有眾多研究。

務(wù)境飛[16]在潰口寬度計(jì)算上，通過經(jīng)驗(yàn)公式法對下塢尾礦庫潰壩尾砂演進(jìn)過程進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合潰口變化規(guī)律試驗(yàn)數(shù)據(jù)對水庫潰壩理論的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正， 以期最大程度展現(xiàn)尾礦庫潰壩真實(shí)情況。袁兵、王飛躍[17]根據(jù)多個(gè)大壩的實(shí)際潰決資料,提出尾礦壩潰壩的數(shù)學(xué)模型, 模型考慮尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)及流動變形特征， 并確定了潰壩口平均寬度的重要參數(shù)。

Johnson 等[18]最早對土石壩、重力壩和拱壩的潰口寬度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析， 其中土石壩的潰口平均寬度取值范圍為：

式中：Bavg為潰口平均寬度，m；hd為壩高，m。

唐友一[19]根據(jù)實(shí)際資料分析認(rèn)為，潰壩潰口平均寬度主要是由引起潰壩的水流沖刷能力與壩體材料抗蝕能力相互作用的結(jié)果， 所得到的土壩潰口平均寬度計(jì)算公式為：

式中：k 為與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，k黏土約為 0.65，k壤土約為 1.3；W 為潰壩時(shí)水庫蓄水量，m3；B 為潰壩時(shí)壩前水面寬度或壩頂長度，m；H 為潰壩時(shí)水頭或潰壩時(shí)壩前水深，m。

梅世昂等[20]等針對均質(zhì)壩對模型輸入變量進(jìn)行無量綱化處理，選擇庫容形狀參數(shù)、水位比參數(shù)及壩高參數(shù)等作為自變量進(jìn)行回歸分析， 建立了可模擬土石壩潰口平均寬度（均壩質(zhì)）的計(jì)算公式：

式中：hw為潰壩時(shí)潰口底部以上水頭深度，m；hb為潰口最終深度，m；Vw為潰壩時(shí)潰口底部以上水庫庫容，m3；h0為單位高度，設(shè)定 h0=1 m。

王旭[21]利用國內(nèi)外 57 組土石壩漫頂潰決實(shí)測資料， 建立了土石壩漫頂和管涌潰決潰口平均寬度的回歸預(yù)測模型：

式中：H 為潰壩時(shí)水頭，m；W 為泄砂總量，m3。

2.2 潰口寬度計(jì)算結(jié)果

漫頂潰壩是最主要的潰壩模式， 本項(xiàng)目計(jì)算中的潰壩模式設(shè)定為漫頂潰壩， 且假定潰壩高度是從地基以上全部潰決，由此可得公式（2）中泄砂總量W 為 314.5×104m3，壩頂寬度 B 為 400 m，潰壩時(shí)水頭 H 為 36.52 m，材料系數(shù) k 取 0.65；公式（3）中壩時(shí)潰口底部以上水庫庫容 Vw為 314.5×104m3， 潰壩時(shí) hw=hb=hd=36.52 m，單位高度 h0取 1 m；公式（4）中泄砂總量 W 為 314.5×104m3， 潰壩 時(shí)水頭 H 為36.52 m。 最終計(jì)算結(jié)果得出：公式（2）、（3）、（4）的潰口平均寬度 Bavg分別為 74.97 m、74.39 m、76.85 m。

綜合考慮經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測精度和安全性角度，本文采用3 個(gè)公式的平均值，堆積壩最終潰口平均寬度為 75.40 m。

3 尾礦庫潰壩數(shù)值模擬方法

3.1 分析工況

為掌握、 分析尾礦庫排水系統(tǒng)失效或者發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的情況， 本文采用Flow-3D 軟件針對洪水漫頂潰壩事故對下游的影響范圍進(jìn)行數(shù)值模擬。

尾礦壩潰壩模擬采用瞬間潰壩的模擬。 給定土石壩一定潰口寬度及深度（由經(jīng)驗(yàn)公式確定），考慮瞬潰時(shí)，沿潰口潰出的尾礦漿體與壩頂平齊，即庫內(nèi)尾砂頂面高程為150.0 m。報(bào)告潰壩模擬采用定床模型， 即不考慮潰壩漿體對溝谷兩岸山坡的沖擊破壞和對河床下墊面的沖刷下切破壞， 不考慮動力液化破壞的影響。

3.2 計(jì)算模型及控制方程

采用Auto CAD Civil 3D 進(jìn)行三維數(shù)字建模，壩體模型見圖5，計(jì)算網(wǎng)格見圖6。

如圖6 所示， 將計(jì)算區(qū)域整個(gè)原型設(shè)置為1 個(gè)網(wǎng)格，尺寸為2 100 m×1 300 m。 單個(gè)網(wǎng)格塊的尺寸為3.5 m，總有效網(wǎng)格數(shù)控制在900 萬個(gè)內(nèi)。

選擇泥沙模型和湍流模型。湍流模型選擇RNG k-ε 模型，對庫內(nèi)尾砂，取泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，即1 m3泥漿中含泥沙1 700 kg； 壩體部分設(shè)置為固定邊界。 Flow-3D 泥沙沖刷模塊可以模擬流體中泥沙的運(yùn)動過程，通過預(yù)測泥沙的侵蝕、平流擴(kuò)散和沉積來模擬泥沙運(yùn)動。 泥沙模型尾砂特性見表2。

表2 泥沙模型尾砂特性

Flow-3D 考慮泥沙以懸沙和底沙兩種形式存在。 懸沙即懸浮在流體中的泥沙， 質(zhì)量濃度一般較低，由對流擴(kuò)散方程控制；底沙即堆積于河床上的泥沙， 不隨水流運(yùn)動且在計(jì)算域內(nèi)以臨界底沙體積分?jǐn)?shù)的形式存在，臨界值可由用戶自定義。

3.3 初始條件及邊界條件

初始條件： 假定潰壩發(fā)生在最終堆積壩頂高程150.0 m 處，考慮極端情況，洪水位與尾礦堆積壩頂齊平，水位以下為水砂混合體。上游邊界、左側(cè)邊界、右側(cè)邊界由于山體阻擋，流體無法流出,故將其設(shè)置為壁面（Wall）邊界條件；下側(cè)邊界由于有道路等較低地形，流體會逐漸流出，因而設(shè)置為自由出流（Outflow）邊界條件；底面邊界為壁面（Wall）邊界條件；頂面邊界為壓力邊界（Pressure）條件，即自由液面。

3.4 后處理

Flow-3D 自帶后處理功能FlowSight， 可利用該功能處理監(jiān)測斷面。 為分析潰壩淹沒過程中尾砂厚度、流量及速度情況，共截取3 個(gè)斷面，見圖7。 其中，1-1 斷面為沿下游溝谷的縱斷面，起點(diǎn)位于壩腳處；2-2、3-3 剖面分別位于居民房的附近。

3.5 尾礦庫瞬潰模擬結(jié)果分析

1）尾礦庫潰壩淹沒情況。從潰壩開始計(jì)時(shí)，一共計(jì)算1 050 s。不同時(shí)刻潰壩及尾砂淹沒情況見圖8。尾礦壩潰壩過程中水流的動力完全來自于壩體內(nèi)尾礦庫的重力影響產(chǎn)生的泄流，在重力作用下庫內(nèi)尾砂沿潰口朝山溝潰下，70 s 內(nèi)，尾砂已運(yùn)移到溝口；140 s時(shí)，由于溝谷處地勢較低，尾砂將溝谷全部填滿，并繼而向?qū)掗煹霓r(nóng)田區(qū)擴(kuò)散，由于右岸山體阻擋，尾砂稍微向南方向偏移；420 s 時(shí)，尾砂已經(jīng)大部分流入農(nóng)田；840 s 時(shí)，尾砂沉積范圍趨于穩(wěn)定；1 050 s 尾砂運(yùn)移范圍與840 s 基本相同。 雖然潰壩屬于最危險(xiǎn)的狀況，但由于壩高度不高，庫區(qū)內(nèi)尾砂含量也較高，水含量相對較少，出溝口后為大片寬闊農(nóng)田，尾砂動能得到減小，所以潰壩后最終并未產(chǎn)生較大淹沒范圍，尾礦主要沿著潰壩的主方向運(yùn)動并且堆積，尾礦堆積并沒有到達(dá)房屋與公路處，對其影響很小。

2）不同斷面淹沒厚度。 其堆積厚度見圖9。

由圖9 可知，斷面1-1 為沿溝谷尾砂堆積厚度，可以看出1～300 m 溝谷段尾砂堆積厚度較厚， 出溝口后堆積厚度逐漸減小，末端堆積厚度僅0.2 m，潰壩尾砂最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為750 m， 運(yùn)移距離雖比漸潰遠(yuǎn)，但還未到達(dá)房屋位置，距離房屋位置約50 m，如圖 9（b）、圖 9（c）所示，對房屋及公路無影響。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬及相應(yīng)的分析與研究， 可以得出以下結(jié)論：1）通過水槽潰壩模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比表明，采用Flow-3D 軟件可以合理反映尾礦庫潰壩尾砂運(yùn)移范圍， 能較好模擬尾礦庫潰壩對下游的影響。 2）提出了尾礦庫潰壩潰口平均寬度的計(jì)算方法，以不同的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，分別獲取了潰口的平均寬度， 并以經(jīng)驗(yàn)理論公式和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了逐一的探討和驗(yàn)證，確定了潰口寬度，為后續(xù)進(jìn)行尾礦庫瞬潰潰壩的數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。 3）通過尾礦庫漸潰潰壩數(shù)值模擬分析表明， 潰壩所淹沒的范圍距壩腳最遠(yuǎn)約600 m， 運(yùn)移距離不遠(yuǎn)， 未到達(dá)下游房屋，潰壩對下游房屋、公路無影響。 4）通過尾礦庫瞬潰潰壩數(shù)值模擬分析表明，1～300 m 溝谷段尾砂堆積厚度較厚，出溝口后堆積厚度逐漸減小，末端堆積厚度僅0.2 m， 潰壩尾砂最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為750 m，運(yùn)移距離雖比漸潰遠(yuǎn)，但還未到達(dá)房屋位置，距離房屋位置約50 m，潰壩對下游房屋及公路無影響。 5）為了減小尾礦庫潰壩發(fā)生的概率， 汛期應(yīng)加強(qiáng)對尾礦庫排洪系統(tǒng)、尾礦壩體的巡查，確保尾礦庫排洪系統(tǒng)完好暢通及壩體完好。