肖經光

摘要： 本文采用上游式筑壩工藝制作尾礦壩室內物理模型，并基于相似理論在該模型上進行模擬降雨漫頂的潰壩試驗，重點研究了上游式尾礦壩漫頂潰壩過程中的潰口擴展機理。分別得到了潰口深度與時間的變化關系和潰口頂寬與時間的變化關系；同時，模型試驗顯示潰口頂寬出現(xiàn)間歇性的展寬現(xiàn)象，理論分析了出現(xiàn)該現(xiàn)象的機理。該研究不僅完善了上游式尾礦壩漫頂潰壩的機理，同時對尾礦壩事故的防災減災工作提供了指導。

Abstract： The dam overtopping rainfall simulation experiment was carried based on similarity theory， focuses on the upstream tailings dam overtopping dam during the break expansion mechanism. The relationship between the breach depth， breach top width and time change respectively are obtained. At the same time， the model tests show that the breach appears top width broadening intermittent. The mechanism of this phenomenon is analyzed. This study not only perfects the mechanism of overtopping failure of tailings dam， but also provides guidance for the disaster prevention and reduction of tailings dam accident.

關鍵詞： 尾礦壩；物理模型；漫頂；潰口擴展；機理

Key words： tailings dam；physical model；overtopping；breach expansion；mechanism

中圖分類號：TU411 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0117-03

0 引言

尾礦壩后期堆積壩按照筑壩工藝的不同可以分為上游式筑壩、下游式筑壩、中線式筑壩以及混合式筑壩。其中，我國95%的尾礦壩的后期堆積壩采用上游式筑壩。通過歷年來尾礦壩失事事故的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用上游式筑壩工藝的尾礦壩失事次數占統(tǒng)計總數的75.4%，如統(tǒng)計圖1所示。

漫頂導致的尾礦壩潰壩是一個復雜的過程，不僅由于尾礦具有離散性和不規(guī)律性等內部因素，而且還取決于很大的外界因素。目前，該領域內通常采用的是借助現(xiàn)代計算機技術進行有限元數值模擬或者從理論上進行簡化分析計算，直接針對尾礦壩物理模型的室內潰壩試驗相對較少。模型試驗能夠獲取潰壩過程的定性結論，并且通過試驗得到的定性結論與理論計算相結合，能夠揭示某一現(xiàn)象發(fā)生的內部機理。但模型試驗中的相似性問題一直影響試驗結論的準確性。本文將基于相似理論，采用上游式筑壩工藝制作尾礦壩物理模型，并設計整套模擬放礦筑壩設備和模擬降雨設備進行室內物理模型的降雨潰壩試驗。重點分析上游式尾礦壩漫頂潰壩過程以及潰壩過程中潰口的擴展機理。

1 模型試驗的相似理論

1.1 材料、幾何相似

本次模型試驗所用尾礦取自云南元謀某礦業(yè)公司的銅礦尾礦庫。經過不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)將配制尾礦的濃度控制在73%[1]左右時，尾礦漿能依靠自重流入庫內，且不會沖蝕已沉積尾砂；同時，以筑壩干密度為相似控制條件，模擬放礦后壩體材料的干密度，將尾礦壓實干密度控制在1.73g/cm3左右，從而較大程度上滿足材料相似條件。

本次室內模型試驗參照尾礦庫手冊中各類實際運行中的小型尾礦庫常見工程比尺1：50進行模型試驗，可以較大程度上滿足幾何相似條件。

1.2 重力和雨滴擊濺動能相似

僅滿足材料相似和幾何相似的條件并不能保證模型試驗結論的準確性。按照材料和幾何相似條件將原型縮小之后，其漫頂潰壩過程中的漫頂水流的作用效果與原型差距較大，主要原因在于模型試驗中的漫頂水流所受重力的作用效果與原型不同，而且模型試驗中降雨設備降落的水滴與天然降雨的雨滴的擊濺效果不同。所以必須考慮重力相似和雨滴的擊濺動能相似。

限于試驗條件，本次模型試驗在借鑒文獻資料[4]的基礎上，通過反復測試，主要通過提高筑壩過程中的放礦濃度，同時減緩后期子壩的堆筑速度（控制在平均每天上升4cm左右，兩天堆筑一級子壩），以此來近似重力相似條件。

根據能量守恒定律，天然降落的雨滴在從空中降落直到觸碰地面的過程中，其重力勢能在逐漸減小，而動能在不斷加大。在觸碰地面之后，其動能轉化為沖擊能對接觸面產生沖擊作用。在進行模型試驗之前需要制備特殊的降雨設備來滿足室內試驗的 “降雨”效果與自然降雨相似。徐向舟[5]進行了室內人工模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)管網式降雨器比噴射式降雨器的降雨均勻度更高。Park等[6]進行了從不同高度降落“雨滴”的試驗，并對降落過程中的“雨滴”進行受力分析，導出了以初速度Vs（m/s）的雨滴從固定高度H（m）降落時，到達接觸面的擊濺速度為Vh（m/s）：

2 物理模型及設備

2.1 尾礦壩物理模型

設計本次試驗所用的設備總共包括四部分：管網式降雨系統(tǒng)、浸潤線監(jiān)測系統(tǒng)、放礦系統(tǒng)和模擬壩體，如圖2所示。其中，模擬壩體如圖3所示。模擬壩體有四部分組成，分別是初期壩、后期子壩、黏土堆和排水管組成。初期壩為土石混合透水堆石壩。后期子壩為尾礦堆積壩。黏土堆底寬300mm、高 733mm。模擬壩體的具體參數如表1所示。

2.2 模擬降雨系統(tǒng)

模擬降雨系統(tǒng)包括可升降支架、供水管和降雨管網組成，如圖4所示。降雨管采用直徑150mm的PVC管，并用直徑0.5mm的鉆頭在管身上每隔80mm鉆一個孔，通過雨降均勻度理論公式（5）和公式（4）的率定，確定相鄰PVC管中心距為100mm。試驗過程中控制降雨強度大于1.3mm/min的范圍，其有效雨降均勻度均達到了80%以上，雨滴粒徑在3mm以內[7]，降雨高度3.15m，降雨穩(wěn)定，且易于控制。

3 試驗過程及機理分析

3.1 試驗過程

采用壩前分散放礦模式堆筑后期子壩，并將筑壩速度控制在兩天一級。將堆筑完成的模擬壩體放置一周左右進行模擬降雨潰壩試驗。

試運行管網式降雨系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定之后調節(jié)供水閥門，以改變供水流量的方式來控制降雨強度在1.3mm/min左右。試驗過程通過手工測量獲取潰口特性數據（包括潰口頂寬和潰口深度），以及通過高速攝像機記錄整個潰壩過程。選取漫頂100s時的潰口狀態(tài)和460s時的潰口狀態(tài)如圖5和圖6所示。

3.2 潰口間歇性展寬機理

試驗得到了潰口頂寬隨時間的變化關系如圖7所示，潰口深度隨時間的變化關系如圖8所示。

對比圖7和圖8可以看出：潰口深度—時間曲線整體平滑，而且顯示漫頂潰壩的前130s左右，潰口深度單位時間變化大，而后趨于平穩(wěn)；潰口頂寬—時間曲線的折點較多，而且分別在60s、80s和150s的時候出現(xiàn)了陡增的趨勢。通過攝像機捕捉的潰壩過程影像資料顯示，分別在60s、80s和150s的時候出現(xiàn)了潰口兩側邊坡垮塌的現(xiàn)象。分析其機理如下：

為了簡化分析，做出了兩點假定。首先假定潰口兩側邊坡破壞的滑移面為垂直面；其次，鑒于潰壩時，壩體內部的水無法即刻排出，所以假定壩體內部水位無變化。得到的簡化力學模型如圖9所示。

壩體兩側的邊坡失穩(wěn)是潰口頂寬出現(xiàn)間歇性展寬的主要原因。根據公式（6）并結合簡化力學模型可以得到公式（7）。

公式（7）中的H1和H2分別表示潰口一側和壩體內部的靜水壓力；W、Ws和Wu分別表示干燥區(qū)域、飽和區(qū)域和壩體內水下堆積體的重量。

當F大于1時，潰口一側的邊坡雖有裂縫出現(xiàn)，但整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；當F小于1時，潰口一側的邊坡裂縫發(fā)展迅速，并且開裂邊坡內側的坡體崩塌落入水中。如圖10所示。

當漫頂水流不斷沖刷潰口兩側的邊坡導致潰口不斷擴寬，從而形成梯形截面的潰口，隨著持續(xù)的沖刷作用，潰口兩側的邊坡會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。通過實驗過程中捕捉的影像資料顯示的潰口展寬的過程如圖11所示。

4 總結

本文以模型試驗為研究方式，基于相似理論進行了尾礦壩室內物理模型的降雨潰壩試驗，重點研究了尾礦壩物理模型在漫頂潰壩過程中的潰口擴展特性。實驗發(fā)現(xiàn)：

①潰口深度隨時間的變化曲線較為平滑，表現(xiàn)出前期變化率高，而后趨于穩(wěn)定的總體趨勢；潰口頂寬隨時間的變化曲線則存在較多的折點，曲線突變的位置較多。

②潰口的頂寬出現(xiàn)間歇性展寬的主要原因在于潰口兩側的邊坡失穩(wěn)。潰口頂寬—時間曲線的折點處分別對應潰口兩側邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的時間節(jié)點。

參考文獻：

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[6]PARK S W， MITCHELL J K， BUBENZER G D. Rainfall characteristics and their relation to splash erosion[J]. Transactions of the ASAE， 1983， 26（3）： 795-804.

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