周 橋

(遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110003)

尾礦庫主要用于堆存金屬礦物、非金屬礦山的廢渣場所，一般位于山谷的谷口區(qū)域[1]，是維持礦山生產(chǎn)的必要措施，同時(shí)也是金屬非金屬礦山的重大危險(xiǎn)源。尾礦庫可以視作人造的具有高勢能的泥石流形成區(qū)[2]。對礦庫潰壩情景下的水土流失模擬，可以有助于區(qū)域做好相關(guān)防洪規(guī)劃。當(dāng)前，對于尾礦庫潰壩模型大都集中在對洪水的模擬[3- 7]，但對于水土流失的模擬研究還較少，為此本文結(jié)合水力-泥沙耦合模型[8- 10]，對遼寧省某尾礦庫潰壩條件下的水土流失進(jìn)行模擬研究，研究成果對于尾礦庫的防洪措施治理具有重要參考價(jià)值。

1 水力-泥沙耦合模型

相比于傳統(tǒng)模型，改進(jìn)模型首先計(jì)算尾礦庫的潰壩寬度，主要采用以下方程進(jìn)行計(jì)算。

b=K1K2W1/4B1/7H1/2

(1)

式中，b—計(jì)算的潰壩寬度，m；K1—尾款庫的穩(wěn)定性系數(shù)，本文取值為1.8；K2—尾礦庫的特性參數(shù)，本文取值為1.4；W—尾礦庫的總的容量，本文庫容為4872萬m3；B—尾礦庫的總體長度，研究的尾礦庫總體壩長為350m；H—尾礦庫的總體高度，研究的尾礦庫總體高度為80m。

就尾礦庫而言，潰壩時(shí)水位一般較高，整個(gè)尾礦庫處于液化狀態(tài)，考慮其總體安全性，采用圣維南方程進(jìn)行其潰壩最大洪水值的計(jì)算。

(2)

式中，Qm—潰壩洪水的最大流量，m3/s；K—計(jì)算系數(shù)，本文取值為0.35；g—重力學(xué)加速度，為9.8m/s2；b—尾礦庫潰口的總體寬度，m；H0—尾礦庫水位，m。

尾礦庫一旦潰壩，堆存的細(xì)粒尾礦在地表水的作用下形成潰決型泥石流，給下游人民生命財(cái)產(chǎn)帶來極大損失。潰決最大流量沿程演進(jìn)，就是模擬最大流量演進(jìn)到某一斷面時(shí)其流量、水位、流速、傳播時(shí)間等水文參數(shù)，為下游防洪安全服務(wù)。從尾礦庫壩址沿程演進(jìn)流量可采用以下方程進(jìn)行估算。

(3)

式中，QL—從壩址演進(jìn)后經(jīng)過斷面的最大流量值，m3/s；QW—尾礦庫潰壩情景下的最大水土流失體積，m3；L—從其壩址向下游傳播的最遠(yuǎn)距離，m；Vm—演進(jìn)的最大速度，m/s；K—計(jì)算參數(shù)，本文取為1.4。

泥石流傳播時(shí)間可采用黃委會(huì)水科所根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得的傳播時(shí)間計(jì)算公式。

(4)

式中，t—傳播時(shí)間，s；k—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，1.0；W—潰壩下泄泥石流體積，為431.5萬m3；H—壩前水深，本文取為19.6m；hm—最大流量平均水深，m。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

某尾礦庫壩址以上總占地面積為2605.9hm2，其中耕地(山坡地)面積408hm2，林地面積2014.2hm2，宅基面積11.7hm2，余者為河流、道路、自留山地面積。庫區(qū)原居住總農(nóng)業(yè)人口2024人，目前現(xiàn)庫區(qū)已無人居住。大壩依照使用年限共分十級，在建設(shè)初期尾礦庫的總體設(shè)計(jì)高度為200m，其頂部的最大高程為250m，壩高之間的間距為40m，尾礦庫的總體中心軸線的長度為300m，壩體的總體寬度為5m，上游到下游的總體比降為1∶2.0，下游斷面的總體比降達(dá)到1∶1.6，尾礦庫的總體特性為堆石壩體，三維地形如圖1所示。

圖1 尾礦庫三維地形示意圖

2.2 尾礦庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

結(jié)合遼寧地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法對尾礦庫不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)尾礦庫的最大防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到300年一遇時(shí)，尾礦庫所能夠進(jìn)行的最大防洪庫容已經(jīng)大于其設(shè)計(jì)條件的庫容值，考慮到原有設(shè)計(jì)條件下未對其出流泄水曲線進(jìn)行設(shè)定，因此其防洪標(biāo)準(zhǔn)能力復(fù)核時(shí)未能總體考慮尾礦庫自身的下泄水流能力。通過對其設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生超過300年一遇洪水時(shí)，尾礦庫發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)程度最高，而現(xiàn)有尾礦庫的庫容淤積情況十分嚴(yán)重，已經(jīng)不能滿足防洪庫容的要求，因此防洪標(biāo)準(zhǔn)已不能達(dá)到300年一遇。在考慮整體庫區(qū)所在流域的進(jìn)出水量平衡的原因，其防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，總體只能達(dá)到200年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 潰壩洪水計(jì)算

采用經(jīng)驗(yàn)公式復(fù)核潰決寬度、壩址處潰決流量、流量沿程演進(jìn)傳播時(shí)間分析結(jié)果見表1—2及圖3。

表1 潰壩最大流量沿程演進(jìn)計(jì)算結(jié)果表

圖2 不同頻率下的尾礦庫潰壩洪水模擬研究

表2 潰壩最大流量傳播時(shí)間成果對比表

圖3 潰壩洪水及泥沙傳播曲線

根據(jù)上文尾礦庫水文計(jì)算及調(diào)洪演算結(jié)果，尾礦庫在遭遇200年一遇(P=0.5%)以上超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，因調(diào)洪庫容和排洪系統(tǒng)最大泄量的不足，極易發(fā)生尾礦庫壩前積水及子壩擋水，造成洪水漫頂而潰壩。從表1中可看出，各斷面平均水深在2～8m，最大流量可達(dá)到16242m3/s，基本可達(dá)到200年一遇標(biāo)準(zhǔn)。從表2中可看出傳播時(shí)間最短為7.8s，最大流量和泥沙傳播時(shí)間隨著時(shí)間的推移，流量呈現(xiàn)衰減變化，而泥沙呈現(xiàn)增對變化趨勢。

2.4 潰壩泥沙計(jì)算

結(jié)合潰壩泥沙計(jì)算方法對各斷面的泥沙沿程負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 潰壩最大流量沿程演進(jìn)成果表

潰決最大流量沿程演進(jìn)，就是模擬最大流量演進(jìn)到某一斷面時(shí)其流量、水位、流速、傳播時(shí)間等水文參數(shù)。從表3中可看出，隨著尾礦庫潰壩洪水傳播時(shí)間及距離的增加，尾礦庫水土流失的影響面積逐步衰減，其傳播的最大距離為其壩址下游的4.5km處，因此這個(gè)區(qū)域?qū)儆谳^為危險(xiǎn)的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)該重點(diǎn)水土流失防治和人員安全轉(zhuǎn)移。

2.5 潰壩水土流失演進(jìn)結(jié)果

結(jié)合水力-泥沙耦合模型對不同時(shí)段的水土流失演進(jìn)結(jié)果進(jìn)行三維展示，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同時(shí)段泥沙演進(jìn)結(jié)果

從圖4可以看出，不同時(shí)段尾礦庫礦砂向下游淹沒的影響范圍逐步衰減，從各個(gè)時(shí)段的水土流失演進(jìn)結(jié)果可看出，隨著潰壩洪水傳播的時(shí)間和距離的增加，潰壩洪水淹沒的最低高程為170m，高于附件居住地的最低高程，故發(fā)生潰壩時(shí)，河道被堵塞，房屋受到潰壩尾砂的影響較小。

3 結(jié)語

改進(jìn)的水力學(xué)-泥沙耦合模型為尾礦庫潰壩洪水水土流失計(jì)算提供了重要依據(jù)，可進(jìn)行推廣應(yīng)用，隨著潰壩泥沙演進(jìn)時(shí)間和距離的增加，其水土流失量呈現(xiàn)逐步衰減的變化效應(yīng)；

本課題在進(jìn)行尾礦庫潰壩洪水演進(jìn)時(shí)未結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校核，在以后研究中應(yīng)對模型的適用性進(jìn)行分析。