基于SPH模型的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)模擬研究

摘要：作為一種具有高勢(shì)能的危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)可能發(fā)生潰壩事故，進(jìn)而產(chǎn)生泥石流，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的深度積分方法在模擬泥石流演進(jìn)過程時(shí)存在局限性，而光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是一種新型的數(shù)值模擬方法，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的缺陷。以攀枝花市某尾礦庫(kù)為例，構(gòu)建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流的演進(jìn)過程，獲得泥石流的流量數(shù)據(jù)，研究潰口寬度與深度對(duì)泥石流演進(jìn)特征的影響。模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，因此SPH模型可以有效模擬尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果為尾礦庫(kù)安全管理和風(fēng)險(xiǎn)防控提供新方法，有利于保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)；潰壩風(fēng)險(xiǎn)；光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD926.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.026

Simulation Study on dam failure risk of tailings Ponds based on SPH model

ZHOU Yuxi1， ZHANG Xinxin1， FAN Meng2

（1. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China;

2. Changshou District Emergency Management Bureau of Chongqing City， Chongqing 401121， China）

Abstract： As a hazardous source with high potential energy， tailings ponds may experience dam collapse accidents， leading to mudslides and causing serious casualties and economic losses. The traditional depth integration method has limitations in simulating the evolution process of debris flows， while Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） is a new numerical simulation method that can compensate for the shortcomings of traditional methods. Taking a tailings pond in Panzhihua City as an example， a SPH model for dam failure debris flow is constructed to simulate the evolution process of debris flow under different working conditions， obtain flow data of debris flow， and study the influence of breach width and depth on the evolution characteristics of debris flow. The simulation results are in good agreement with the actual situation， so the SPH model can effectively simulate the dam failure risk of tailings ponds. The research results provide new methods for the safety management and risk prevention of tailings ponds， thereby ensuring the safety of people’s lives and property and promoting sustainable development of the mining industry.

Keywords： tailings ponds; dam failure risk; Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）; numerical simulation

尾礦庫(kù)是一種具有高勢(shì)能的危險(xiǎn)源，其安全管理一直是礦業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。受自然因素和人為因素影響，尾礦庫(kù)可能發(fā)生潰壩事故，進(jìn)而誘發(fā)泥石流，這不僅會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-5]，還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成長(zhǎng)期且嚴(yán)重的污染[6]。因此，尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。在尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)研究中，數(shù)值模擬發(fā)揮著越來越重要的作用[7-15]。傳統(tǒng)的深度積分方法能夠模擬泥石流的演進(jìn)過程，但無(wú)法準(zhǔn)確描述復(fù)雜地形條件下泥石流流動(dòng)特性，忽略泥石流內(nèi)部的相互作用，使得模擬結(jié)果往往與實(shí)際情況存在較大的偏差。因此，尋找一種更為先進(jìn)、準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方法成為尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)研究中急待解決的問題。

近年來，作為一種新型數(shù)值模擬方法，光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）

逐漸嶄露頭角，其在處理復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)問題方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9]。SPH模型具有計(jì)算精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使得其在處理尾礦庫(kù)潰壩泥石流等復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)問題時(shí)具有較大的應(yīng)用潛力。目前，尾礦庫(kù)潰壩泥石流模擬研究較少。尾礦庫(kù)潰壩泥石流具有獨(dú)特的流動(dòng)特性，地形地質(zhì)因素較為復(fù)雜，這就需要針對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行專門的模擬研究。以攀枝花市某尾礦庫(kù)為例，構(gòu)建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流演進(jìn)過程，分析泥石流的流動(dòng)特性、堆積規(guī)律以及影響因素。

1 SPH模型建立

該尾礦庫(kù)堆積壩長(zhǎng)度約為1 200 m，寬度約為170 m，高度為50 m，設(shè)計(jì)壩頂標(biāo)高約為1 000 m。建立SPH模型，模擬該尾礦庫(kù)潰壩而形成泥石流的過程。尾礦庫(kù)模擬范圍如圖1所示，東南側(cè)有河流穿過。研究區(qū)地形起伏較大，其地貌線、三維幾何模型和SPH模型分別如圖2、圖3和圖4所示。根據(jù)SPH模型的需要，模擬設(shè)置2種工況，即寬深潰口和窄深潰口。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 寬深潰口工況

在寬深潰口工況下，隨著時(shí)間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發(fā)生明顯變化，如圖5所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，尾礦庫(kù)潰壩形成的泥石流啟動(dòng)后，經(jīng)過7 min左右便抵達(dá)溝口，溝口流量峰值達(dá)到2 250 m3/s。泥石流發(fā)生17 min時(shí)，部分河道已堵塞。泥石流發(fā)生2 h后，隨著尾礦庫(kù)內(nèi)剩余尾礦的逐漸消耗，泥石流流量逐漸下降，最終接近0 m3/s。

2.2 窄深潰口工況

在窄深潰口工況下，隨著時(shí)間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發(fā)生明顯變化，如圖6所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，泥石流啟動(dòng)后，經(jīng)過8 min左右便抵達(dá)溝口，比寬深潰口工況稍慢一些。泥石流發(fā)生15 min時(shí)，部分河道已被堵塞，與寬深潰口工況較為一致。隨著時(shí)間的變化，泥石流流量逐漸減小，并呈現(xiàn)出間歇性流出的特征。經(jīng)數(shù)值模擬，泥石流的潰口流量峰值約為1 000 m3/s，泥石流發(fā)生1 h時(shí)，溝口流量逐漸下降至100 m3/s。窄深潰口工況下，尾礦庫(kù)潰壩泥石流的最終堆積情況與寬深潰口工況較為相似，但窄深潰口工況的流量較小，最終堆積范圍也稍小一些。

3 結(jié)論

不同潰口工況下，構(gòu)建SPH模型，模擬尾礦庫(kù)潰壩泥石流演進(jìn)過程。結(jié)果表明，SPH模型模擬效果優(yōu)異，能夠獲得較為準(zhǔn)確的泥石流流量數(shù)據(jù)。尾礦庫(kù)潰壩泥石流流量與潰口寬度、深度的相關(guān)性較強(qiáng)，相比潰口寬度，潰口深度對(duì)泥石流流量的影響更大?？傮w來看，寬深潰口工況的潰壩泥石流規(guī)模大于窄深潰口工況。

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