許志發(fā),王光進(jìn),趙懷剛,唐永俊,高亞偉

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)礦業(yè)大國(guó)，每年各行業(yè)的礦山產(chǎn)出尾礦約3×108t，大部分尾礦排入尾礦庫(kù)內(nèi)堆存[1]。近年來(lái)國(guó)家對(duì)尾礦庫(kù)新建、改建、擴(kuò)建提高了準(zhǔn)入門(mén)檻，各企業(yè)對(duì)原有尾礦庫(kù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使得庫(kù)容和壩高逐年增長(zhǎng)。因此，研究尾礦庫(kù)潰壩后尾砂流對(duì)下游人員和建構(gòu)筑物的影響具有重大的意義。

許多學(xué)者對(duì)尾礦庫(kù)潰壩進(jìn)行了大量相關(guān)研究，南京水科院對(duì)局部的潰口及潰決過(guò)程開(kāi)展模型試驗(yàn)研究，對(duì)潰壩方式、潰壩機(jī)理和過(guò)程加深了認(rèn)識(shí)[2]。阮德修等[3]以湖南某尾礦庫(kù)為例，通過(guò)FLO-2D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同溝谷潰壩情況進(jìn)行模擬，結(jié)合3DMine對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化分析，對(duì)潰壩尾砂流災(zāi)害過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)推演，模擬得到的災(zāi)害程度三色圖和下游淹沒(méi)范圍可以為應(yīng)急預(yù)案編制和下游人員撤離提供可靠依據(jù)。辛保泉等[4]以四川鑫聯(lián)礦業(yè)尾礦庫(kù)為原型，探究2種溝槽條件下，潰壩泥石流流速變化、沖擊高度和沉積深度等特性，并預(yù)測(cè)下游潰壩影響范圍。

本文以四川某尾礦庫(kù)為對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究原始坡降、提升5%和10%這3種下游河道坡降情況下(簡(jiǎn)稱工況1、工況2、工況3)尾礦庫(kù)潰壩后尾砂流流速、演進(jìn)規(guī)律、下游特征點(diǎn)沖擊力、最終堆積深度以及影響范圍。

1 尾礦庫(kù)潰壩模型建立

模型試驗(yàn)是對(duì)實(shí)際工程對(duì)象在現(xiàn)場(chǎng)不具試驗(yàn)條件的情況下，通過(guò)一定的相似變換(幾何相似、動(dòng)力相似、材料相似等)構(gòu)建室內(nèi)模型，對(duì)實(shí)際工程的現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)行研究[5-6]。本文通過(guò)室內(nèi)潰壩模型試驗(yàn)對(duì)潰壩后的尾砂流進(jìn)行模擬，試驗(yàn)的主要目的是研究3種不同工況下尾礦庫(kù)潰壩后潰壩尾砂流的演進(jìn)過(guò)程和其對(duì)下游的影響。

1.1 工程概況

該尾礦庫(kù)為山谷型尾礦庫(kù)，采用上游法方式筑壩，尾礦庫(kù)最終總庫(kù)容為3 843萬(wàn)m3，最終壩高147 m，為二等庫(kù)。尾砂流通區(qū)上游為溝谷地區(qū)，與初期壩之間落差大，流通區(qū)中游兩側(cè)山體與溝谷之間存在高差60 m，流通區(qū)下游地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，山體低矮，全流通區(qū)域中上游存在較多彎型轉(zhuǎn)彎區(qū)域。

1.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

潰壩模型設(shè)計(jì)對(duì)模擬至關(guān)重要。一方面室內(nèi)潰壩模型要和尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際具有相似性，以保證試驗(yàn)結(jié)果具有合理性；另一方面由于下游地形具有復(fù)雜性，要在合理的前提下對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化。本次試驗(yàn)以實(shí)際尾礦庫(kù)為對(duì)象，對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩試驗(yàn)，研究不同坡降條件下尾礦庫(kù)潰壩后尾砂流演進(jìn)規(guī)律和對(duì)下游的影響。根據(jù)相似理論[7-8]確定潰壩模型試驗(yàn)相似參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 潰壩模型試驗(yàn)相似參數(shù)Table 1 Similar parameters of the dam break model test

1)試驗(yàn)裝置

室內(nèi)潰壩模型試驗(yàn)裝置由以下幾個(gè)部分組成：①透明玻璃槽2 m×1 m×1 m(長(zhǎng)、寬、高)，采用高強(qiáng)度鋼化玻璃制成，方便觀察實(shí)驗(yàn)中尾砂演進(jìn)；②下游地形建構(gòu)筑物模擬，模擬下游地形和建構(gòu)筑物，實(shí)現(xiàn)對(duì)潰壩尾砂流演進(jìn)過(guò)程的全地形模擬，模擬地形以及下游建構(gòu)筑物對(duì)潰壩尾砂流推進(jìn)路線的影響和沖擊力；③高速攝影儀，用于檢測(cè)潰壩模擬各個(gè)時(shí)間段潰壩尾砂流的流動(dòng)規(guī)律和沖擊高度。潰壩模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 潰壩模型試驗(yàn)裝置Fig.1 Dam break model test device

2)試驗(yàn)材料

模擬地形的材料采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集回來(lái)的紅黏土作為地形模擬材料，紅黏土孔隙比大，多處于飽和狀態(tài)，在天然含水量條件下呈硬塑、堅(jiān)硬的狀態(tài)，其具有較低壓縮性、較高強(qiáng)度，因此可以將其作為模擬地形使用。周必凡等[9]認(rèn)為模型材料的選取應(yīng)該滿足粘度相等的條件，即模型材料的粘度ηcm和現(xiàn)場(chǎng)原形尾砂的粘度ηcn的比值為1，因而為了滿足模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證模型與現(xiàn)場(chǎng)物理力學(xué)性質(zhì)主要參數(shù)的相似，本次試驗(yàn)選用現(xiàn)場(chǎng)取樣的尾砂作為堆壩材料。

1.3 潰壩災(zāi)害模擬

1)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)開(kāi)始前，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在玻璃槽中按照相似比構(gòu)建好下游模擬地形和村莊模型；然后進(jìn)行放礦，待放礦完成后在玻璃槽末端放置尾砂收集裝置，架設(shè)好高速攝影儀，按照預(yù)先設(shè)計(jì)模擬降雨環(huán)境下尾礦庫(kù)漫頂潰壩后尾砂流的演進(jìn)和對(duì)下游的影響，試驗(yàn)完成后，使用提升裝置，河道坡降分別提升5%和10%，筑壩時(shí)尾礦壩模型坡度不變，坡頂隨著坡降的提升而抬升。

2)潰壩模擬試驗(yàn)觀測(cè)

不同下游坡降情況下尾砂運(yùn)動(dòng)規(guī)律與最終淤積范圍示意，如圖2所示。

圖2 不同下游坡降情況下尾砂運(yùn)動(dòng)規(guī)律與最終淤積范圍Fig.2 Sediment movement and final deposition range under different downstream slope conditions

3)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由圖2并結(jié)合潰壩尾砂流特點(diǎn)和相似理論，分析可以得出：

①根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)可知，下游尾礦庫(kù)不會(huì)受到潰壩尾砂流的影響而產(chǎn)生潰壩，因此在下文的潰壩模擬中，不將其納入考慮范圍。

②不同工況下潰壩后尾砂流都呈現(xiàn)出清流-濁流-清流的變化趨勢(shì)，隨著坡降的增加，潰壩后潰口展開(kāi)速度逐漸加快，前期清流轉(zhuǎn)變?yōu)闈崃魉?jīng)歷時(shí)間縮短；潰口發(fā)展過(guò)程中下泄尾砂量呈指數(shù)增加，清流轉(zhuǎn)化為濁流，坡降增加使得潰砂量、濁流時(shí)間也隨之增加；潰口完全展開(kāi)，尾砂經(jīng)過(guò)沉積后呈現(xiàn)清流狀態(tài)，下游坡降越平緩，尾砂流演進(jìn)速度越緩慢，清流越早出現(xiàn)。

③潰壩后流速呈現(xiàn)先緩慢增加后減小的過(guò)程。前期尾砂流啟動(dòng)后，受水流推動(dòng)力和切向重力加速度作用，速度逐漸增加，因此在上中段流速較大且逐漸增加；末端水流和砂流呈現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，砂流所受的摩擦力大于推力，速度逐漸降低，直至停止流動(dòng)。

④尾砂流的影響范圍隨著坡降增加逐漸增大，淤積深度向下游逐漸增大；影響范圍呈現(xiàn)壩前寬，中游窄，下游展寬，壩前尾砂沉積類似泥石流沖積扇。對(duì)下游建構(gòu)筑物影響監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，坡度增加淹沒(méi)范圍增大，對(duì)村莊影響增大，淹沒(méi)的房屋數(shù)量也隨之增加。

2 潰壩災(zāi)害數(shù)值模擬

2.1 FLO-2D數(shù)值計(jì)算模型

控制方程用來(lái)處理流速與泥深問(wèn)題。由于水平方向變化量比豎直方向大，可將三維Navier-Stokes方程組，簡(jiǎn)化成二維方程[10]，求解簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間縮短。假設(shè)橫向?yàn)榱魉佴?，豎向?yàn)榱鞫萮，數(shù)值模型所采用的控制方程為孟凡奇、趙鑫等提出[11-12]，流變方程為O’Brien[13]提出：

(1)

(2)

(3)

(4)

η=α1eβ1CV，τy=α2eβ2CV

(5)

其中，(1)～(3)為控制方程，(4)～(5)為流變方程。式中：h為流深，m；I為水力坡降，%；μ，υ分別為水平和垂直切向速度，m/s；Sfx及Sfy分別為x，y切向摩擦坡降，%；Sox及Soy分別為x，y切向河道坡降，%；g為重力加速度，m/s2；Sf，Sy，Sυ，Std為摩擦坡降、屈服坡降、粘性坡降和紊流—分散坡降；τy為屈服應(yīng)力；γm為比重；K為層流阻力系數(shù)；η為粘滯系數(shù)；n為曼寧系數(shù)；Cυ為體積濃度；α1，β1，α2，β2均為屈服應(yīng)力及黏滯系數(shù)，由流變?cè)囼?yàn)或查表設(shè)置[14]。

2.2 尾礦庫(kù)潰壩模型的建立

1)初始條件及邊界條件

運(yùn)用FLO-2D計(jì)算潰壩后尾砂流的演進(jìn)，需要建立尾礦庫(kù)所在區(qū)域數(shù)字地形模型，搜集所研究尾礦庫(kù)全庫(kù)容、最大庫(kù)水位、曼寧系數(shù)、流動(dòng)屈服應(yīng)力和粘滯力系數(shù)等基礎(chǔ)資料。在保證精度前提下，將區(qū)域劃分為20 m×20 m的計(jì)算網(wǎng)格，選擇與室內(nèi)模型(2 m×1 m)一樣的比例尺寸作為計(jì)算區(qū)域，計(jì)算范圍為(2 km×1 km)，共劃分6 666個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元。尾砂流體基本模擬參數(shù)見(jiàn)表2，模擬地形如圖3所示。

表2 尾砂流體模擬參數(shù)Table 2 Tailings fluid simulation parameters

圖3 模擬地形DEM 3D視圖Fig.3 Simulating Terrain DEM 3D View

2.3 潰壩模擬結(jié)果

根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合相似比確定數(shù)值模擬的時(shí)間為1.5 h。經(jīng)計(jì)算，在該區(qū)域尾砂流泥深、流速和沖擊力等結(jié)果，如圖4所示。

1)潰壩尾砂流流深

潰壩計(jì)算范圍選取尾砂流流通區(qū)域作為研究對(duì)象，建立模型，與室內(nèi)模型試驗(yàn)所選取的范圍一致。由圖4可知，3種工況下潰壩后，尾砂流沿著流通區(qū)域內(nèi)的地勢(shì)最低點(diǎn)向下游演進(jìn)。

尾砂在流通區(qū)域上游和下游淹沒(méi)面積相較于中游更大，下游最大和最終淹沒(méi)范圍均隨著下游河道坡降抬升而增加，3種工況最大淹沒(méi)范圍分別為393 200，477 200和562 000 m2，在前期水的體積含量大于尾砂，洪峰流量逐漸增大，尾砂流沖擊高度隨著地勢(shì)的下降增大，淹沒(méi)面積隨之增大；隨著尾砂體積含量的逐漸增大，尾砂流的粘滯性增大，拖曳力與摩擦力達(dá)到平衡，速度和沖擊高度達(dá)到最大，淹沒(méi)面積達(dá)到最大值；最終尾砂依靠勢(shì)能繼續(xù)向下演進(jìn)，最終停止運(yùn)動(dòng)，達(dá)到淹沒(méi)最大面積，這個(gè)結(jié)果符合物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程中蓄能-啟動(dòng)-消能過(guò)程[15]。

圖4 模擬下游最大影響范圍Fig.4 Simulation of the maximum range of downstream impact

其中，圖5為谷底剖面淹汲示意。由圖5可知，工況1潰壩后尾砂主要沉積在上游150～650 m和下游1 270～1 860 m地勢(shì)低洼點(diǎn)，工況2和工況3由于抬升后坡降變急，尾砂在上游堆積面積和淤積深度減小，因而尾砂主要沉積在下游地勢(shì)平緩區(qū)。

圖5 谷底剖面淹沒(méi)示意Fig.5 Schematic diagram of submerged bottom section

工況1沖擊高度與沉積深度差值前期最大，為18.6 m，后期較??；工況2差值前中期在10.9～18.3 m，最大沖擊高度21.8 m，但最終沉積深度低，尾砂往下游沉積；隨著地勢(shì)抬升，工況3最大沖擊高度減小至19.3 m，尾砂在上、中游沉積深度為1～2 m。3種工況下尾砂最大沖擊點(diǎn)分別位于初期壩下游230，330和1 430 m處，沖擊高度分別為37.6，30.4和26.8 m，尾砂流最大沖擊高度隨著下游河道坡降的抬升而逐漸降低，最深淤積點(diǎn)也隨著往下游發(fā)展。

2)潰壩尾砂流流速

圖6為3種工況尾砂流動(dòng)速度分布。不同工況尾砂流速度最大分別位于初期壩下游210，290和1 400 m，最大速度分別為34.44，21.88和19.59 m/s。工況1在初期壩下游500 m內(nèi)速度較大，這段區(qū)域地形和高差下降幅度變化大，在下游速度隨著距離增大減?。还r2在初期壩下游200 m和下游邊界地勢(shì)較低處速度較大；工況3在下游邊界地勢(shì)較低處速度較大。3種工況下最大速度逐漸減小，由圖6可知，工況2和工況3速度從庫(kù)內(nèi)到下游邊界速度一直在增加，而工況1速度在中游運(yùn)動(dòng)速度最快，到下游速度逐漸變慢。

3)潰壩尾砂流沖擊力

應(yīng)用計(jì)算公式(6)～(8)對(duì)尾砂流沖擊力進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中受沖擊角度尾砂流流速等多種因素綜合影響。

Pi=kρfυ2

(6)

k=1.261eCw

(7)

F=Pih

(8)

式中：Pi為沖擊壓力，通過(guò)流體密度ρf，系數(shù)k，網(wǎng)格中最大移動(dòng)速度υ來(lái)計(jì)算。單位面積沖擊力F為Pi所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格最大流深h的乘積。

3種工況最大沖擊力分別為9 969.8，9 847.0和9 870.1 kN/m，如圖4所示，3者均在相鄰位置，且流速和流深越大，沖擊力越大，模擬結(jié)果與理論計(jì)算相近。

2.4 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)模擬計(jì)算可將潰壩尾砂流分為3個(gè)階段，0～25 min為漫頂侵蝕階段，尾砂流流量緩慢增加，尾砂在這段時(shí)間內(nèi)少量沉積于上游溝谷；25～35 min為潰口展寬階段，流量急劇增加，尾砂流向下游演進(jìn)速度加快，隨著尾砂含量增大，大量尾砂開(kāi)始沉積于中上游；35～90 min為下游展寬階段，尾砂流流量逐漸降低，演進(jìn)速度放緩，尾砂運(yùn)動(dòng)至下游平緩地段開(kāi)始大量沉積，直至最終停止運(yùn)動(dòng)。從數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)演進(jìn)和沉積規(guī)律具有相似性。

圖6 模擬下游尾砂最大流速分布Fig.6 Simulated maximum flow rate of downstream tailings

3 潰壩后下游災(zāi)害預(yù)估

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和模擬結(jié)果，研究3種工況下尾砂流致災(zāi)影響程度，結(jié)合最大與最終淹沒(méi)范圍和尾砂流流動(dòng)強(qiáng)度，其致災(zāi)影響程度標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

根據(jù)潰壩災(zāi)害程度判定標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)，表3中采用3種不同顏色來(lái)表示潰壩災(zāi)害程度，其中淺灰色為低危險(xiǎn)，泛濫或沉降可能影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)，房屋遭受損失很小，對(duì)人員危險(xiǎn)很低或不存在；深灰色為中度危險(xiǎn)，建筑物可能遭受破壞，人員在房屋外面處于危險(xiǎn)之中；黑色為高度危險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)有被破壞危險(xiǎn)，人在房屋內(nèi)外均有危險(xiǎn)。結(jié)合尾礦庫(kù)區(qū)域地形圖，3種工況潰壩可能致災(zāi)程度，如圖7所示。其中，圖例中數(shù)字3代表高度危險(xiǎn)，2代表中度危險(xiǎn)，1代表低危險(xiǎn)。

表3 潰壩災(zāi)害程度判定標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Criteria for judging dam-break disasters

圖7 尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害Fig.7 Diagram of the dam-breaking disaster in tailings

從圖7可直觀看出3種工況下潰壩的災(zāi)害情況，隨著河道坡降抬升，淹沒(méi)面積增大，農(nóng)田和房屋等基礎(chǔ)設(shè)施被摧毀，受潰壩影響的下游村莊、房屋數(shù)量增加，不僅造成重大直接經(jīng)濟(jì)損失而且由于尾砂中含有的重金屬將會(huì)對(duì)環(huán)境造成大面積污染。

4 結(jié)論

1)采用3種下游河道坡降進(jìn)行室內(nèi)潰壩模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，潰壩后尾砂流呈現(xiàn)清流-濁流-清流的變化趨勢(shì)，隨著坡降抬升，潰口發(fā)展速度加快，前期清流轉(zhuǎn)變?yōu)闈崃鹘?jīng)歷時(shí)間縮短；同一下游剖面沖擊高度隨坡降抬升而降低；尾砂流影響范圍、淤積深度隨坡降抬升而增大；坡降抬升使尾砂流速度加大，淹沒(méi)高度增大，對(duì)下游建構(gòu)筑沖擊力隨著速度和接觸面積增加而增加。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致性較高。

2)以四川某尾礦庫(kù)為研究對(duì)象，運(yùn)用FLO-2D模擬3種工況潰壩后尾砂流演進(jìn)過(guò)程。結(jié)果表明：地勢(shì)改變對(duì)于尾砂流演進(jìn)有較大影響，溝谷、轉(zhuǎn)彎和地勢(shì)平緩區(qū)域有利于尾砂沉積，溝谷和轉(zhuǎn)彎通過(guò)減小尾砂沖擊動(dòng)能，將尾砂截留、轉(zhuǎn)向，促進(jìn)尾砂沉積，而地勢(shì)平緩的區(qū)域擴(kuò)大尾砂的流動(dòng)區(qū)域，重力勢(shì)能低，尾砂流流動(dòng)阻力增加，加快尾砂沉積；尾砂流對(duì)下游建構(gòu)筑物沖擊力與最大移動(dòng)速度平方和流深呈正比例關(guān)系，3種不同工況下的最大沖擊力所處的位置都與最大移動(dòng)速度或最大流深相鄰。

3)根據(jù)試驗(yàn)和模擬結(jié)果繪制的潰壩尾砂流致災(zāi)影響程度圖，可為生產(chǎn)企業(yè)新建、擴(kuò)建尾礦庫(kù)提供重要的依據(jù)，保證下游人員生命財(cái)產(chǎn)安全。