中線式尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩演化規(guī)律模擬研究

羅志雄，王 迪，夏洪波，高尚青，李培良，呂言東

(1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外尾礦庫(kù)潰壩事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境造成重大損失。2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)公司“9.8”特別重大尾礦庫(kù)潰壩事故造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失9 619.2萬(wàn)元[1]。2019年1月25日，巴西東南部米納斯吉拉斯州布魯馬迪紐市發(fā)生尾礦庫(kù)潰壩事故，致使超過(guò)250人死亡[2]。尾礦庫(kù)潰壩事故的時(shí)有發(fā)生，為我國(guó)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行和管理敲響警鐘。

尾礦庫(kù)潰壩原因包括洪水漫頂、壩體失穩(wěn)、地震和靜力液化等因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的研究方法對(duì)尾礦庫(kù)的潰壩機(jī)理、影響范圍和防治措施等開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。陳生水等[3]建立的尾礦庫(kù)邊坡失穩(wěn)潰壩數(shù)學(xué)模型，可考慮連續(xù)降雨條件下尾礦庫(kù)的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化、潰口和底床變化對(duì)潰壩下泄物流量過(guò)程影響；王儀心等[4]基于蒙特卡洛方法分析尾礦壩的失效概率，利用深度積分方法，模擬潰壩發(fā)生后下泄尾砂流的影響范圍及其沖擊強(qiáng)度；Hanson等[5]通過(guò)多次物理試驗(yàn)，對(duì)高度為1.5～2.3 m的堤壩進(jìn)行大規(guī)模逐漸潰壩的試驗(yàn)；劉磊等[6]和張力霆等[7]采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程進(jìn)行研究，試驗(yàn)成果可預(yù)測(cè)尾礦庫(kù)漫頂潰壩洪水流量及潰口變化過(guò)程，還可用于尾礦庫(kù)潰壩事故的反演分析；李火坤等[8]采用FLOW-3D軟件對(duì)尾礦庫(kù)逐漸潰壩過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了尾礦庫(kù)逐漸潰壩時(shí)潰口隨時(shí)間的變化過(guò)程以及潰壩后尾砂的淹沒(méi)范圍；王昆等[9]采用SPH方法對(duì)尾礦庫(kù)潰壩演進(jìn)進(jìn)行模擬，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量重建得到高精度正射影像與衛(wèi)星遙感數(shù)字表面模型，并結(jié)合SPH算法實(shí)現(xiàn)更高分辨率的潰壩演進(jìn)預(yù)測(cè)。在現(xiàn)行政策要求和同等壩高的前提下，中線式尾礦庫(kù)能獲得更大的庫(kù)容。對(duì)企業(yè)而言，在同一溝谷內(nèi)能獲得更大庫(kù)容的筑壩方式具有天然的吸引力，因此我國(guó)中線式尾礦庫(kù)的數(shù)量有逐漸增多的趨勢(shì)，尤其是一些大型企業(yè)的尾礦庫(kù)多采用中線法筑壩，如江西德興銅礦4#及5#尾礦庫(kù)、山西峨口鐵礦第一尾礦庫(kù)、西藏巨龍銅礦甲瑪溝尾礦庫(kù)等，該類尾礦庫(kù)具有庫(kù)容大、總壩高較高的特點(diǎn)，一旦發(fā)生潰壩將對(duì)下游居民生命財(cái)產(chǎn)和當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大的影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外潰壩事故類型統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)為滲透破壞、洪水漫頂所致。與上游式尾礦庫(kù)相比，中線式尾礦庫(kù)的安全度相對(duì)較高，主要表現(xiàn)在大量的粗尾砂堆筑在壩前，且浸潤(rùn)線的埋深較大，在嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制好堆積壩總坡比的前提下，發(fā)生滲透破壞而導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩的可能性很?。淮送?，中線式尾礦庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，壩坡會(huì)隨旋流器排出沉砂的蠕動(dòng)出現(xiàn)上游坡陡、下游坡緩的現(xiàn)象，一般情況下，設(shè)計(jì)文件中會(huì)對(duì)臨時(shí)邊坡坡比、臨時(shí)邊坡高度作出要求，在浸潤(rùn)線埋深極低、壩前區(qū)域堆筑粗尾砂的前提下，中線式尾礦庫(kù)有發(fā)生局部邊坡失穩(wěn)、垮塌的可能性，但因局部邊坡失穩(wěn)、垮塌而導(dǎo)致潰壩的可能性極低。針對(duì)工程實(shí)際，本文采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，對(duì)某中線式尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩的動(dòng)態(tài)過(guò)程和潰決機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析，旨在提出可行的工程措施，科學(xué)制定減輕潰壩影響的方案。

1 尾礦庫(kù)基本概況

擬研究的尾礦庫(kù)總壩高170 m，總庫(kù)容1.9億m3，尾礦庫(kù)等別為二等庫(kù)。該尾礦庫(kù)屬于狹長(zhǎng)型尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)從初期壩壩址到庫(kù)尾約有4 km，只有1個(gè)主溝，沒(méi)有支溝。尾礦庫(kù)兩岸山脊線之間的寬度1.8～2.0 km，走向?yàn)槲鞅?東南走向。尾礦庫(kù)縱剖面示意如圖1所示。

圖1 中線式尾礦庫(kù)堆積壩縱剖面示意 Fig.1 Schematic of longitudinal section of mid-line tailings pond accumulation dam

尾礦壩筑壩區(qū)由初期壩、堆積壩、攔砂壩、排滲設(shè)施及截水溝組成。初期壩采用不透水堆石壩，堆積壩采用中線式尾礦筑壩，即始終保持堆積壩軸線與初期壩軸線重合，將旋流器均勻地布置在壩頂，分級(jí)出的粗尾砂排往下游筑壩，溢流細(xì)尾砂排往庫(kù)內(nèi)，庫(kù)內(nèi)灘面平均坡度約1%。在尾礦堆積壩下游最終邊線設(shè)碾壓堆石攔砂壩。在初期壩與下游攔砂壩之間鋪設(shè)排滲墊層，墊層由合理級(jí)配的新鮮碎石組成，在筑壩區(qū)兩側(cè)支溝溝谷處設(shè)指狀排滲盲溝。

尾礦庫(kù)防滲設(shè)施由庫(kù)區(qū)防滲設(shè)施和庫(kù)外防滲設(shè)施組成，庫(kù)區(qū)防滲設(shè)施采用全庫(kù)區(qū)鋪設(shè)1.0 mm 的HDPE土工膜進(jìn)行水平防滲，庫(kù)外防滲設(shè)施采用截滲壩和垂直帷幕灌漿型式。尾礦庫(kù)排洪采用框架式排水井-隧洞式排洪系統(tǒng)。

2 物理模型試驗(yàn)

作為研究尾礦庫(kù)潰壩的1種手段，尾礦庫(kù)物理模型試驗(yàn)就是仿照原型尾礦庫(kù)，遵循相似的準(zhǔn)則，縮制成模型，依據(jù)其所受的主要作用力，進(jìn)行試驗(yàn)研究，以模型重演與原型相似的自然形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，取得數(shù)據(jù)，然后按照一定的相似準(zhǔn)則引申于原型，可得原型的實(shí)際現(xiàn)象和性質(zhì)。

2.1 模型相似條件

本模型屬于超常規(guī)的大型整體模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)依據(jù)尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)方法[10-11]和相關(guān)規(guī)范規(guī)程[12-13]，并參考泥石流模型設(shè)計(jì)的新進(jìn)展[14-15]，給出如下相似條件：水流重力相似條件、水流阻力相似條件、水流挾沙相似條件、泥沙懸移相似條件、河床變形相似條件、泥沙起動(dòng)相似。本次試驗(yàn)選擇容重適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的擬焦沙作為尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)的模型砂。模型建立時(shí)，根據(jù)中線式尾礦庫(kù)的特點(diǎn)，將尾礦分層概化為2層，即旋流器沉砂部分的粗砂層和溢流部分的細(xì)砂層，以初期壩壩軸線為界限，模型的沉積灘面坡度按設(shè)計(jì)灘面坡度考慮。

2.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

本試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對(duì)潰壩過(guò)程、演進(jìn)過(guò)程及影響范圍等進(jìn)行全程詳細(xì)記錄。潰壩流量通過(guò)測(cè)量表面流速推求平均流速，查閱斷面形態(tài)資料等方式求得。

在尾礦庫(kù)庫(kù)尾設(shè)置1套降雨裝置，待水位逐漸升高淹沒(méi)至壩頂附近時(shí)，采用人工引流的方式，自堆積壩頂向上游庫(kù)區(qū)開(kāi)挖1條引流道，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)的洪水漫頂潰壩試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 中線式尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩模型試驗(yàn)全景Fig.2 Panoramic view of model test of overcrowding dam of mid-line tailings pond

隨著水量的增加，干灘長(zhǎng)度越來(lái)越短，水位逐漸漫流至堆積壩頂，即將開(kāi)始溢流，開(kāi)挖初始引流道后作為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻。初始泄流沿壩坡面向下沖刷形成小槽，如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程歷時(shí)54 min時(shí)，庫(kù)區(qū)溯源沖刷距壩頂108 m左右，壩頂潰口寬度約11 m，此時(shí)初期壩下游溝道泄流情況如圖4所示。經(jīng)過(guò)此段時(shí)間的泄流沖刷，堆積壩壩頂至攔砂壩之間壩面上的泄洪形成了上下貫通的狀態(tài)。歷時(shí)56 min時(shí)，洪水到達(dá)下游居民點(diǎn)，溝內(nèi)洪水平均流速約1.52 m/s。

圖3 后期壩頂潰口位置及初始泄流情況Fig.3 Location of dam crest break and early discharge situation in later period

圖4 初期壩下游溝道內(nèi)泄流狀況Fig.4 Discharge condition in channel downstream of starter dam

堆積壩底部的初期壩被泄流不斷沖刷后裸露，庫(kù)區(qū)泄流槽內(nèi)由于兩側(cè)尾礦滑塌或坍塌而形成的淤積面上，在壩前約630 m處形成溯源沖刷。庫(kù)區(qū)內(nèi)泄洪通道約630 m處出現(xiàn)尾礦滑塌并堵塞泄流，但上游泄流仍以暗流的形式從堵塞的尾礦下潛出。試驗(yàn)結(jié)束后上游庫(kù)區(qū)內(nèi)尾砂的沖淤狀態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，潰壩結(jié)束后大部分尾砂仍滯留庫(kù)內(nèi)，潰口底部和兩側(cè)沖刷侵蝕嚴(yán)重，潰口處存在崩塌面。

圖5 試驗(yàn)結(jié)束后上游庫(kù)區(qū)內(nèi)沖淤狀態(tài)Fig.5 Erosion and siltation status in upstream reservoir area after end of test

尾礦庫(kù)潰壩后對(duì)下游的影響程度是模型試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。潰壩后被洪水沖刷的尾礦隨水流下泄，沿程不斷淤積。不同斷面的淤積形態(tài)與初始溝道的對(duì)比如圖6所示。試驗(yàn)表明，潰壩過(guò)程持續(xù)時(shí)間約14.5 h，壩頂被泄流沖刷形成的潰口寬約289 m，尾礦庫(kù)下游溝道研究范圍內(nèi)尾礦淤積約871萬(wàn)m3。

圖6 潰壩后下游溝道沿程不同位置斷面淤積情況 Fig.6 Sedimentation of sections at different locations along downstream channel after dam break

通過(guò)粒子圖像測(cè)速儀PIV系統(tǒng)重點(diǎn)在初期與洪峰時(shí)對(duì)右側(cè)靠近山體的壩頂潰口、攔砂壩壩址及下游居民點(diǎn)附近的流場(chǎng)及流速進(jìn)行測(cè)量，并以左岸沖刷邊界為起點(diǎn)進(jìn)行沖淤計(jì)算，如圖7～8所示。可得攔砂壩附近最大流速11.9 m/s；最大洪峰流量為17 000 m3/s。

圖7 洪峰期攔砂壩壩址附近流場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of flow field near sand-retaining dam site in flood peak period

圖8 洪峰期攔砂壩壩址斷面表面流速分布Fig.8 Velocity distribution on surface of sand-retaining dam site during peak flood period

3 數(shù)值模擬分析

中線式尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩數(shù)值模擬中，尾砂流體性質(zhì)控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 尾砂流體性質(zhì)控制參數(shù)Table 1 Tailings fluid properties control parameters

根據(jù)所建立的整體計(jì)算模型，模擬區(qū)域包含重點(diǎn)研究對(duì)象(庫(kù)區(qū)及其下游居民點(diǎn))，為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，模擬區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1 m，總網(wǎng)格共計(jì)2.1億網(wǎng)格。將尾礦庫(kù)庫(kù)尾上游邊界設(shè)為流量邊界，潰壩初始時(shí)刻為滿庫(kù)水位，潰壩的起始時(shí)刻為尾礦庫(kù)內(nèi)洪水漫頂?shù)拈_(kāi)始時(shí)刻，洪水填滿庫(kù)容的時(shí)間過(guò)程在本數(shù)值模擬中忽略。由于在數(shù)值模型中無(wú)法模擬尾礦壩在洪水漫頂過(guò)程中的薄弱部位，本模型在模擬時(shí)通過(guò)人為設(shè)定初始潰口來(lái)模擬尾礦壩漸潰的薄弱部位，考慮漸潰的最不利情況，初始潰口設(shè)置在尾礦堆積壩頂中部位置。尾礦庫(kù)及所在區(qū)域地形三維數(shù)值模型[16]和不同計(jì)算時(shí)刻的潰壩物質(zhì)流體形態(tài)如圖9所示。從尾礦壩不同時(shí)刻的潰壩流體在溝谷內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)情況來(lái)看，其演化趨勢(shì)與物理模型試驗(yàn)基本一致，整體模擬計(jì)算過(guò)程中，水流沿著初始潰口不斷沖刷底部和兩側(cè)，位于壩軸線前的截面先被沖刷，隨著水量減少，沖刷速度減弱，潰口沖刷程度劇烈且形狀不規(guī)則。計(jì)算結(jié)束時(shí)，尾砂大部分滯留在庫(kù)內(nèi)，堆積壩受沖刷程度較大，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)28 min時(shí)尾砂流到達(dá)下游居民點(diǎn)，數(shù)值模擬的尾砂流整體流動(dòng)速度快于物理模型試驗(yàn)，但尾砂在下游溝谷內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和物理模型試驗(yàn)結(jié)果較接近。

圖9 不同計(jì)算時(shí)刻的潰壩物質(zhì)流體形態(tài)Fig.9 Dam break material and fluid form at different calculation times

4 應(yīng)急攔砂壩防治措施效果分析

以往潰壩事故表明，處于山谷地形的尾礦庫(kù)下游無(wú)攔擋工程，潰壩下泄的尾砂流具有流速快、影響距離大等特點(diǎn)。根據(jù)中線式尾礦庫(kù)洪水漫頂潰壩流體演進(jìn)規(guī)律，考慮在初期壩下游2.5 km狹窄溝谷處，修建1座24 m高的混凝土應(yīng)急攔砂壩工程，以此分析此措施的攔淤作用，如圖10～11所示。

圖10 初期壩下游2.5 km設(shè)置應(yīng)急攔砂壩Fig.10 Set up an emergency sand-retaining dam 2.5 km downstream of starter dam

圖11 潰壩洪水到達(dá)應(yīng)急攔砂壩前Fig.11 Dam-break flood reaches front of emergency sand dam

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，壩下溝道試驗(yàn)范圍內(nèi)尾礦淤積約845萬(wàn)m3，其中應(yīng)急攔砂壩以上淤積約510萬(wàn)m3，應(yīng)急攔砂壩下至模型出口淤積約329萬(wàn)m3，如圖12～13所示。設(shè)置混凝土應(yīng)急攔砂壩后，能攔滯尾礦洪水38 min，從壩頂溢流至尾砂流到達(dá)居民點(diǎn)位置約需94 min，表明應(yīng)急攔砂壩的攔淤作用良好。

圖12 尾礦庫(kù)下游設(shè)置應(yīng)急攔擋壩三維數(shù)值模型Fig.12 Three-dimensional numerical model of emergency blocking dam downstream of tailings pond

圖13 應(yīng)急攔砂壩攔擋尾砂流效果Fig.13 Effect drawing of emergency sand dam for blocking tailings sand flow

數(shù)值模擬結(jié)果表明，尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程從壩頂溢流至尾砂流到達(dá)攔砂壩需約22 min，到達(dá)下游3 km處居民點(diǎn)位置約需44 min。設(shè)置混凝土應(yīng)急攔砂壩后，能攔滯尾礦洪水約16 min，可為下游居民爭(zhēng)取更多的撤離時(shí)間，一定程度上可減輕潰壩事故造成的危害。

5 結(jié)論

1)與上游式尾礦庫(kù)相比，中線式尾礦庫(kù)安全度相對(duì)較高；在遭遇洪水漫頂時(shí)，由于中線式尾礦庫(kù)外壩坡采用粗尾砂堆積，其滲透系數(shù)偏大，中線式尾礦庫(kù)潰口發(fā)展的速率較上游式尾礦庫(kù)更快，但大量的尾礦仍滯留在庫(kù)內(nèi)，潰決尾礦量較小，不足總庫(kù)容的5%。

2)與物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬的演化趨勢(shì)與物理模型試驗(yàn)基本一致；由于初始潰口的破壞機(jī)理不同，潰口發(fā)展的特征有所區(qū)別，采用數(shù)值模擬得出的尾砂流整體流動(dòng)速度較快，但尾砂在下游溝谷內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和物理模型試驗(yàn)結(jié)果較接近。

3)根據(jù)潰壩后下游溝道內(nèi)的尾砂的淹沒(méi)程度，可考慮在初期壩下游狹窄溝谷處，修建應(yīng)急攔砂壩工程，一是可進(jìn)一步減輕潰壩對(duì)下游居民的影響，二是可為下游居民爭(zhēng)取更多的撤離時(shí)間。