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        尾礦庫潰壩研究及數(shù)值模擬

        2020-11-21 01:16:28劉曉峰
        關(guān)鍵詞:潰口潰壩尾砂

        劉曉峰

        (中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330038)

        尾礦庫是礦山企業(yè)生產(chǎn)中用于貯存選礦后尾礦的重要設(shè)施,也是潛伏巨大安全隱患的危險(xiǎn)源。尾礦庫的安全穩(wěn)定不僅關(guān)系到礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)行,還關(guān)系到下游人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全。 國內(nèi)外尾礦庫潰壩事故累見不鮮[1]:2008 年山西襄汾新塔礦業(yè)“9·8”潰壩事故造成 277 人死亡;2010 年廣東信宜紫金礦業(yè)“9·21” 潰壩事故造成 22 人死亡;2014年陜西商洛場“10·4”潰壩事故造成 5 人死亡;2019 年巴西淡水河公司“1·25”潰壩事故造成235 人死亡。

        導(dǎo)致尾礦庫潰壩事故發(fā)生的原因較多[2],且通常是由多種致災(zāi)因素疊加后共同作用的結(jié)果。 由于尾礦庫潰壩事故影響較大, 國家對尾礦庫的運(yùn)行安全越來越重視,因此特別要求對尾礦庫,尤其是“頭頂庫”進(jìn)行尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評估,研究制定治理和預(yù)防事故的措施,科學(xué)制定居民搬遷計(jì)劃。尾礦庫潰壩模擬能為尾礦庫應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù), 指導(dǎo)確定安全緊急疏散路線, 對于尾礦庫災(zāi)害預(yù)防及下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全保障有著重要的意義[3]。

        1 尾礦庫潰壩機(jī)理

        尾礦庫潰壩的致災(zāi)機(jī)理[4]主要包括滲透破壞、地震液化、壩體滑坡及洪水漫頂?shù)取?1)滲透破壞。 滲透破壞主要是由于尾礦庫庫內(nèi)水位的上升,導(dǎo)致尾礦庫干灘長度減小,尾礦壩壩內(nèi)浸潤線升高,最終誘發(fā)滲流破壞。2)地震液化。地震液化主要是由于堆積壩尾砂粒度較細(xì)或尾礦欠密實(shí),在地震作用下,超靜孔隙水壓力迅速增加,導(dǎo)致尾砂液化,進(jìn)而形成裂隙滲流通道,造成壩體失穩(wěn)破壞等。 3)壩體滑坡。 壩體滑坡主要因壩體坡度較陡、 筑壩材料黏聚力及抗剪強(qiáng)度較低,進(jìn)而引起壩體局部或整體失穩(wěn)破壞。4)洪水漫頂。 洪水漫頂主要是因突發(fā)超標(biāo)準(zhǔn)暴雨、洪水,或排洪設(shè)施失效等,導(dǎo)致尾礦庫庫內(nèi)水位持續(xù)上升,致使子壩擋水,且洪水最終漫過子壩,進(jìn)一步誘發(fā)了壩面拉溝、壩體失穩(wěn)坍塌及尾礦水外泄等危害。

        滲透破壞、地震液化及壩體滑坡這3 類致災(zāi)機(jī)理傾向于尾礦壩穩(wěn)定分析范疇,在設(shè)計(jì)過程中可通過降滲、抗液化及壩坡放緩等措施控制。而洪水漫頂則是由于出現(xiàn)了突發(fā)暴雨,且排洪系統(tǒng)堵塞失效而造成尾礦庫事故。相對前3 類潰壩方式,洪水漫頂導(dǎo)致的尾礦庫潰壩事故對下游影響范圍更廣,危害更嚴(yán)重。

        尾礦壩漫頂潰決過程及其機(jī)理[5]可以大致描述為:洪水漫過尾礦壩,漫頂水流在重力作用下不斷沖刷尾礦壩。在尾礦庫下部位置,漫頂水流率先達(dá)到尾砂起動流速, 尾礦壩壩身的尾砂開始與漫頂水流一起形成挾砂的尾礦水進(jìn)一步?jīng)_刷壩體下游。 尾礦壩壩體經(jīng)過不斷地沖刷和掏深,形成了坡度很陡的深溝。 當(dāng)深溝兩側(cè)尾砂體不能維持重力作用下的穩(wěn)定時(shí),壩體發(fā)生垮塌,使得潰口不斷變寬變深,并逐漸向上游延伸,致使更多的尾礦水流出。尾礦水流速在崎嶇地形和沿程阻力的作用下逐漸降低, 尾砂的水挾砂能力也逐步降低,最終尾砂沿程沉積。

        2 模擬方法

        目前對于尾礦庫潰壩模擬主要有物理模型試驗(yàn)[6]和數(shù)值模擬[7]兩種方法:1)物理模型實(shí)驗(yàn)。 物理模型試驗(yàn)是將地形地貌等按比尺縮小制作, 根據(jù)水平向及豎向比尺縮小比例是否相同, 可分為正態(tài)模型和變態(tài)模型,然后再根據(jù)相似原理,選擇與實(shí)際尾砂相似條件較好的模型砂, 對潰壩過程及影響進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)。2)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬則主要通過電子計(jì)算機(jī)制作好尾礦庫庫區(qū)以及其下游周邊地形的模型,再結(jié)合數(shù)值計(jì)算軟件, 選擇好數(shù)學(xué)模型, 設(shè)置模型參數(shù)、邊界條件、初設(shè)條件及監(jiān)測點(diǎn),最終通過圖像顯示潰壩過程及潰壩后對下游影響范圍及程度。 相比而言,物理模型試驗(yàn)搭建耗時(shí)較長,重復(fù)性較差,造價(jià)高,而數(shù)值模擬簡便靈活,便于邊界條件的調(diào)整,重復(fù)性較好,相對經(jīng)濟(jì)。

        本文以某“頭頂庫”為例,采用CFD 軟件數(shù)值模擬分析尾礦庫漫頂潰壩后的淹沒范圍及影響程度。

        3 初始潰口

        根據(jù)潰壩過程的時(shí)間長短,可分為瞬間潰壩與逐漸潰壩。 由于尾礦壩壩體破壞不像剛性壩體那樣瞬間潰決,且其潰口是逐步發(fā)展擴(kuò)大的,故尾礦壩漫頂潰壩一般為逐漸潰壩??紤]到尾礦壩與水庫中的土壩相對較為相似,且尾礦庫漫頂潰壩的水流與水庫潰決也頗為相似,因此可用工程類比法,借用水利學(xué)中的潰壩公式[8]。為反應(yīng)尾礦庫逐漸潰壩過程,在制作尾礦庫模型時(shí),事先在尾礦壩上設(shè)置一缺口,其寬度根據(jù)黃河水利委員提出的堤壩潰口寬度經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置:

        式中:b 為潰口寬度,m;W 為水庫總庫容,m3;B 為主壩長度,m;H 為壩高,m;k 為壩體材料經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(黏土類取0.65,壤土取1.30)。

        為體現(xiàn)尾礦庫潰壩后最不利情況, 初始潰口位置設(shè)置于尾礦壩最大斷面處。

        4 應(yīng)用成果

        潰壩數(shù)值模擬應(yīng)用成果見圖1~圖8。

        圖1 尾礦庫及下游構(gòu)筑物模型

        圖2 下游村莊監(jiān)測點(diǎn)

        圖3 潰壩10 min 后流速云圖

        圖4 潰壩20 min 后流速云圖

        圖5 潰壩1 h 后流速云圖

        圖6 潰壩2 h 后流速云圖

        圖7 尾砂淤積厚度云圖

        圖8 下游村莊尾砂厚度監(jiān)測值

        5 成果分析

        通過潰壩模擬結(jié)果可知:1)模擬實(shí)驗(yàn)開始后,潰壩水流在勢能作用下沿預(yù)設(shè)潰口發(fā)生漫頂, 漫頂水流沖刷壩體下游側(cè)壁面,形成沖溝。 在水流漫頂10 min 后,沖溝正式形成,此時(shí)沖溝內(nèi)水流流速達(dá)8 m/s。2)隨著水流繼續(xù)沖刷壩體,沖溝迅速發(fā)育,發(fā)展成潰口, 下泄流量劇增, 流速增大, 在水流漫頂20 min后,最大水流流速達(dá)9 m/s,前端水舌已達(dá)谷口開闊地。 此處地勢開闊,水流速度下降,并造成淤積。 同時(shí),庫內(nèi)水面下降,潰口繼續(xù)擴(kuò)寬,下泄流量增大,導(dǎo)致下游窄谷中水位上升。3)漫頂潰壩發(fā)生1 h 后,水流開始對壩體下游村莊建筑造成影響。 此時(shí)潰口已經(jīng)擴(kuò)展到最大,庫內(nèi)水面大幅度降低,下泄流量相應(yīng)減小,尾砂沿程沉積于壩體下游溝谷中。4)庫內(nèi)水位逐步干涸,潰口停止發(fā)展,下泄流量持續(xù)減小,直至斷流。2 h 后,潰口下游基本無徑流,只有少部分低洼地帶還有少量水流殘存。5)在潰壩發(fā)生后,尾砂隨水流下泄,其中大部分尾砂都沉積于下游的溝谷之中,僅小部分尾砂隨水流移動至村莊低洼區(qū)沉積。 最終村莊內(nèi)僅幾棟建基面較低的建筑會受尾砂沉積影響(僅 probe3 和 probe4 監(jiān)測點(diǎn)附近受影響,probe1 和probe2 監(jiān)測點(diǎn)區(qū)未受影響),最大深度約1.8 m。

        6 結(jié)論

        1)通過尾礦庫潰壩數(shù)值模擬,可預(yù)測潰壩后對下游的影響范圍及程度。 據(jù)此可為尾礦庫失事提前預(yù)警、人員疏散及相關(guān)安全預(yù)防措施等提供重要的依據(jù)。

        2)利用流體力學(xué)軟件對尾礦庫潰壩進(jìn)行數(shù)值模擬是較新的一個(gè)研究方向,為使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)工況,應(yīng)結(jié)合實(shí)際潰壩案例,給模型賦予準(zhǔn)確的參數(shù)。

        3)為盡量避免或減輕潰壩造成的危害,應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求,加強(qiáng)尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行管理;同時(shí)可引導(dǎo)找出萬一潰壩發(fā)生其潰口的位置, 即在筑壩過程中, 靠厚實(shí)山體一側(cè)較其它段的尾礦壩灘頂高程可稍低些。

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