劉 洋 齊清蘭 張力霆

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

由于尾礦庫潰壩泥石流突發(fā)性強(qiáng)，因此其演進(jìn)過程的實(shí)地觀測(cè)資料較少，目前尾礦庫潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)的研究方法主要有模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬2 種。我國尾礦庫潰壩的模型試驗(yàn)研究起步較晚［1］。2010 年，尹光志［2］以云南某尾礦庫的設(shè)計(jì)資料為依據(jù)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，通過模擬尾礦庫潰壩砂流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到泥石流淹沒深度以及典型過流斷面沖擊力的變化規(guī)律。2012 年，王永強(qiáng)［3］以四川某尾礦庫設(shè)計(jì)資料為依據(jù)進(jìn)行全潰壩模型試驗(yàn)，得到泥石流演進(jìn)過程中沖擊力、流速等要素的變化規(guī)律，從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)泥石流的影響范圍。在數(shù)值模擬方面，Takahashi［4］提出了二維有限差分模型，該模型以膨脹流模型和分散應(yīng)力為理論基礎(chǔ)，同時(shí)還考慮了泥流顆粒的碰撞運(yùn)動(dòng)。2013 年，金佳旭［5］以遼寧某尾礦庫為例，對(duì)其潰壩過程進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察分析了潰壩砂流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、堆積變化過程以及潰壩影響范圍，為下游的防護(hù)工作提供了重要依據(jù)。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，人們對(duì)尾礦庫潰壩泥石流發(fā)生原因和內(nèi)部作用力的研究較多，對(duì)泥石流防護(hù)措施的研究較少。本研究以某潰壩尾礦庫為實(shí)例，對(duì)潰壩泥石流的演進(jìn)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并討論攔擋導(dǎo)流壩在泥石流防護(hù)中的作用。

1 尾礦庫潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)的控制方程

尾礦庫潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)的控制方程包括連續(xù)方程

動(dòng)量方程

k 方程

ε 方程

考慮到泥石流數(shù)值模擬計(jì)算采用賓漢流體模型，經(jīng)查閱相關(guān)資料并反復(fù)對(duì)比，決定選用模型參數(shù)黏滯系數(shù)為100 Pa·s，屈服應(yīng)力為2 kPa。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況及計(jì)算模型

河北省某尾礦庫總壩高為53 m，平均壩坡比為1∶ 1.87。2009 年該尾礦庫發(fā)生潰壩事故，下泄尾砂量約25 萬m3，淹沒農(nóng)田、河床約5 萬m2，損壞選廠供電線路約150 m，損壞變壓器1 臺(tái)，房屋約70 m2，皮卡車1 輛，死亡3 人，直接經(jīng)濟(jì)損失約200 萬元。淹沒范圍如圖1 中實(shí)線所包圍的區(qū)域。

圖1 某潰壩尾礦庫Fig.1 A dam break

根據(jù)實(shí)地調(diào)研和實(shí)測(cè)資料，潰體分3 次崩塌，總潰量約25 萬m3，在下游的淹沒范圍約為5 萬m2。數(shù)值模擬假定3 次潰量相同，潰體的流通區(qū)根據(jù)尾礦庫周邊地形情況建立，三維潰壩模型如圖2 所示。

圖2 尾礦庫三維潰壩模型Fig.2 Three-dimensional dam break model of tailing pond

2.2 無防護(hù)措施的模擬結(jié)果

2.2.1 淹沒范圍

無防護(hù)措施時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，圖4 為實(shí)測(cè)淹沒范圍與計(jì)算范圍對(duì)比圖。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，下游的淹沒范圍約5 萬m2，泥石流沿谷口方向淹沒的最大長度為220 m，垂直于谷口方向淹沒的最大長度為405 m。模擬計(jì)算的淹沒范圍約為6 萬m2，泥石流沿谷口方向淹沒的最大長度為234 m，垂直于谷口方向淹沒的最大長度為413 m。二者基本吻合，說明可以通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)潰壩范圍，分析泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為下游的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 計(jì)算淹沒范圍Fig.3 Submerged area of calculation

圖4 計(jì)算范圍與實(shí)測(cè)范圍對(duì)比Fig.4 Calculation and measurement area

2.2.2 泥石流運(yùn)動(dòng)速度

為了研究泥石流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在下游選取典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置如圖5 所示，每2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離均為50 m。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Schematic diagram of monitoring point

點(diǎn)①、③、⑥、⑧處泥石流速度隨時(shí)間的變化情況如圖6 ～圖9 所示。點(diǎn)①處第1 次潰壩泥石流的最大速度為14.09 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為13.71 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為12.59 m/s;點(diǎn)③處第1 次潰壩泥石流的最大速度為14.33 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為8.96 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為6.36 m/s;點(diǎn)⑥處第1 次潰壩泥石流的最大速度為8.50 m/s，第2 次潰壩泥石流的最大速度為4.37 m/s，第3 次潰壩泥石流的最大速度為2.80 m/s;點(diǎn)⑧位于泥石流淹沒范圍的邊界，流到此處的泥石流為3 次疊加的結(jié)果，故只有1 個(gè)峰值流速，約為0.95 m/s。總體上看，3 次潰壩泥石流通過典型位置的最大流速均呈減小趨勢(shì)。這是由于第1 次潰壩時(shí)地形上沒有阻礙其流動(dòng)的堆積物(泥砂);而第2 次潰壩時(shí)壩坡上殘留了第1 次潰壩堆積的泥砂，致使摩擦阻力增大，速度隨之減小;同理，由于前2 次潰壩的影響，第3 次潰壩時(shí)摩擦阻力進(jìn)一步增大，流速減小。

圖6 測(cè)點(diǎn)①流速變化Fig.6 Velocity of measuring point ①

2.2.3 泥石流堆積厚度

點(diǎn)①、③、⑥、⑧處泥石流堆積厚度隨時(shí)間的變化情況如圖10 ～圖13 所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)③流速變化Fig.7 Velocity of measuring point ③

圖8 測(cè)點(diǎn)⑥流速變化Fig.8 Velocity of measuring point ⑥

圖9 測(cè)點(diǎn)⑧流速變化Fig.9 Velocity of measuring point ⑧

圖10 測(cè)點(diǎn)①厚度變化Fig.10 Depth of measuring point ①

點(diǎn)①處第1 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為13.26 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為11.32 m，第3 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為9.88 m。這是由于點(diǎn)①距潰體很近，第1 次潰壩的堆積厚度受到第2 次、第3 次下泄泥石流的沖擊后使其呈減小趨勢(shì)，穩(wěn)定后的堆積厚度約為1.48 m。

圖11 測(cè)點(diǎn)③厚度變化Fig.11 Depth of measuring point ③

圖12 測(cè)點(diǎn)⑥厚度變化Fig.12 Depth of measuring point ⑥

圖13 測(cè)點(diǎn)⑧厚度變化Fig.13 Depth of measuring point ⑧

點(diǎn)③處第1 次潰壩泥石流的最大堆積厚度5.34 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度7.24 m，第3次潰壩泥石流的最大堆積厚度10.09 m。這是由于潰壩泥石流在此處疊加堆積使得堆積厚度不斷增大。穩(wěn)定后的堆積厚度約為5.59 m。同理，點(diǎn)⑥處第1次潰壩泥石流的最大堆積厚度為3.66 m，第2 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為6.28 m，第3 次潰壩泥石流的最大堆積厚度為7.57 m，穩(wěn)定后泥石流的堆積厚度約為6.28 m;第1 次和第2 次潰壩后泥石流均未到達(dá)點(diǎn)⑧處，第3 次潰壩泥石流在此處的最大堆積厚度為2.41 m，穩(wěn)定后泥石流的堆積厚度為2.33 m。

2.3 有防護(hù)措施的模擬結(jié)果

如圖14 所示，在谷口附近距壩體約25 m 處設(shè)置1 道高5 m、長度與谷口寬度相同、位置與谷口方向垂直的攔擋導(dǎo)流壩。潰壩時(shí)高勢(shì)能的泥石流迅速?zèng)_向下游，此攔擋導(dǎo)流壩可以有效減小泥石流的速度，降低其對(duì)下游的沖擊力，同時(shí)也可以攔擋一部分泥石流。在第1 道攔擋導(dǎo)流壩下游沿中線距離72 m 處設(shè)置第2 道攔擋導(dǎo)流壩，其高度為6 m，長度150 m，呈30°放置。第3 道壩距離第2 道壩72 m，高度與長度與第2 道相同，且位置與第2 道平行。加設(shè)導(dǎo)流壩后的計(jì)算結(jié)果如圖15 所示，圖16 為未設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩與設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后淹沒范圍對(duì)比圖。

圖14 攔擋壩設(shè)置示意Fig.14 Schematic diagram of landslide dam

圖15 設(shè)置攔擋后潰壩范圍Fig.15 Debris area of setting landslide dam

圖16 設(shè)置攔擋前后淹沒范圍對(duì)比Fig.16 Debris area comparison under two conditions

計(jì)算結(jié)果表明:未設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩時(shí)，泥石流在下游的淹沒面積為6 萬m2，在重要設(shè)施方向的最大淹沒距離為234 m;設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后，泥石流在下游的淹沒范圍為4.6 萬m2，在此方向的最大淹沒距離為160 m，有效攔截了泥石流，使其避開了對(duì)重要設(shè)施的破壞。

為了進(jìn)一步分析攔擋導(dǎo)流壩對(duì)泥石流堆積厚度的影響，結(jié)合圖5 中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)①～⑥對(duì)其泥深數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表1 所示。結(jié)果表明，設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后的泥石流深度均大于設(shè)置前的深度，說明攔擋導(dǎo)流壩不僅對(duì)泥石流起到導(dǎo)流作用，還可攔蓄一部分泥石流，以減小泥石流向下游的演進(jìn)距離。

表1 防護(hù)前后下游堆積厚度對(duì)比Table 1 Depth comparison under pre and post protection

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)潰壩泥石流速度和堆積厚度分析，得到了尾礦庫潰壩泥石流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于相同的位置點(diǎn)，多次潰壩所形成的泥石流最大速度呈遞減趨勢(shì);對(duì)于不同的位置點(diǎn)，距離壩體越遠(yuǎn)，泥石流最大速度越小;在距離壩體較近位置，多次潰壩的泥石流最大堆積厚度呈減小趨勢(shì);在距離壩體較遠(yuǎn)位置，多次潰壩的泥石流最大堆積厚度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)泥石流運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，在泥石流堆積區(qū)域的中間部位堆積厚度較大，邊緣部位的堆積厚度較小。

(2)數(shù)值模擬了設(shè)置攔擋導(dǎo)流壩后的泥石流演進(jìn)過程，通過對(duì)比泥石流淹沒范圍和淹沒深度證明攔擋導(dǎo)流壩對(duì)泥石流的防護(hù)效果明顯。

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