趙 野

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

0 引 言

尾礦庫主要是存放非金屬礦山廢渣以及金屬礦物的場所，一般主要位于山谷地帶，是礦山生產(chǎn)不可或缺的場所。同時(shí)礦山挖掘最大的風(fēng)險(xiǎn)來源之一，尾款庫受到人為影響是泥沙流形成區(qū)中具有較高勢能的類型、尾礦庫潰壩條件下的風(fēng)險(xiǎn)評估是當(dāng)前對于尾礦庫安全評估的重要措施，因此對于尾礦庫的安全風(fēng)險(xiǎn)評估也逐步得到研究，但這些研究成果大都針對尾礦庫潰壩條件下的洪水進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，而對于尾礦庫而言，其潰壩條件下的水土流失影響也十分嚴(yán)重，在進(jìn)行尾礦庫潰壩條件下的安全風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，其水土流失影響不可忽略[1-3]。近些年來，水力-泥沙耦合模型在一些水利工程水沙模擬得到應(yīng)用，各研究成果表明該模型可綜合考慮泥沙沿程分布的影響，相比于傳統(tǒng)泥沙演算模型，更為準(zhǔn)確，但該模型在尾礦庫潰壩條件下的水土流失模擬影響還未得到應(yīng)用，為此文章結(jié)合水力-泥沙耦合模型，結(jié)合遼寧某尾礦庫工程，對其潰壩條件下的水土流失沿程分布進(jìn)行模擬，從而分析其潰壩條件下的水土流失風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

1 模型計(jì)算原理

水力-泥沙耦合模型首選需要對尾礦庫潰壩條件下的寬度進(jìn)行計(jì)算：

b=K1K2W1/4B1/7H1/2

(1)

式中：b為潰壩計(jì)算寬度，m；K1為尾礦庫穩(wěn)定程度系數(shù)，取值為1.5；K2為特征參數(shù)，主要表征為尾礦庫的防洪、水土流失特征，取值為1.3；W為總的庫容，萬m3；B為尾礦庫總長，m；H為尾礦庫高度，m。尾礦庫受到潰壩時(shí)期高水位影響，其整體液化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，綜合考慮其運(yùn)行安全，潰壩洪水采用圣維南方程進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：Qm為潰壩最大出口水量，m3/s;K為水力學(xué)系數(shù)，文章該參數(shù)取值為0.34；g為其重力加速度，m/s2；H0為潰壩時(shí)的初始時(shí)刻水位，m。尾礦庫發(fā)生潰壩時(shí)大量的礦物細(xì)粒受水流沖刷影響形成較大的泥沙流，從而影響尾礦庫下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，潰壩洪水到尾礦庫下游斷面水力、水文要素等特征的模擬可以分析其潰壩最大流量的沿程分布，從而為下游安全決策提供依據(jù)，潰壩沿程流量計(jì)算方程為：

(3)

式中：QL為沿程斷面流量最大計(jì)算值，m3/s;QW為潰壩水土流失最大體積量，m3;L為潰壩泥沙流傳播的距離，m;Vm為泥沙流演進(jìn)的最大流速，m/s;K為泥沙流演進(jìn)參數(shù)，取值為1.5。采用黃委會水科所推薦的泥沙流傳播時(shí)間計(jì)算其潰壩條件下泥沙流的傳播時(shí)間：

(4)

式中：t為泥沙流沿程演算時(shí)間，s;k為經(jīng)驗(yàn)計(jì)算參數(shù)，取值為0.9；W為潰壩泥沙流的計(jì)算體積；H為尾礦庫潰壩時(shí)的水深，m；hm為流量最大值時(shí)對應(yīng)的水深均值，m。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 尾礦庫概況

文章以遼寧某尾礦庫為具體實(shí)例，該尾礦庫耕地、林地面積、宅基面積分別為6148.3畝、30236.7畝以及183.5畝，占地總面積達(dá)到39185畝，其他用地類型主要為水域以及山地。原有居住在庫區(qū)的農(nóng)業(yè)人口總數(shù)為2035人，目前已全部搬遷出庫區(qū)。該尾礦庫設(shè)計(jì)總的高度為210m，壩頂高程最大值為250m，尾礦庫中軸長度約為300m，壩體寬度總長為5.5m，上下游坡比為1∶2.5, 壩體主要為堆石類型。尾礦庫總庫容為4896萬m3。

2.2 潰壩洪水演算

采用尾礦庫潰壩洪水對其潰壩流量以及傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 潰壩洪水流量演算成果

從該尾礦庫潰壩洪水演算成果可看出，該尾礦庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)為可抵御頻率為0.5%的洪水，當(dāng)發(fā)生超過此量級洪水時(shí)，尾礦庫泄洪能力有限，極容易發(fā)生潰壩洪水。從尾礦庫潰壩洪水流量演算成果可看出，第一個(gè)斷面的潰壩洪水最大為1299m3/s，隨著傳播距離的增加，其潰壩洪水流量逐步減小，這主要受沿程水量損失的影響，當(dāng)發(fā)生潰壩洪水時(shí)，下泄洪水沿程發(fā)生漫灘，可以使得其流量產(chǎn)生較為明顯的損失。從尾礦庫潰壩洪水的平均水深可看出，受沿程水量損失的影響，其潰壩水深均值也逐步減小，最大水深和最大流量均出現(xiàn)在第一個(gè)斷面。從洪水傳播時(shí)間可看出，當(dāng)洪水傳播到最后一個(gè)斷面時(shí)，其傳播時(shí)間為556.5s，表明潰壩洪水的傳播速率較快，通過對潰壩洪水傳播距離和傳播時(shí)間分析，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水后，尾礦庫傳播速率將可達(dá)到0.64m/s。

2.3 潰壩水土流失量計(jì)算

結(jié)合前面所述的水土流失演算模型對尾礦庫發(fā)生潰壩時(shí)的水土流失量沿程分布進(jìn)行演算，演算結(jié)果如表2所示。

表2 尾礦庫潰壩條件下水土流失沿程分布演算成果

當(dāng)尾礦庫發(fā)生潰壩洪水時(shí)，大量的尾礦庫區(qū)內(nèi)堆放的細(xì)粒廢渣將形成大量的泥水流，給下游人民財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。從尾款庫潰壩條件下的水土流失沿程分布情況可看出，隨著傳播距離的增長，潰壩洪水?dāng)y帶的水土流失量將逐步減小，沿程出現(xiàn)較為明顯的水土流失量遞減變化，這主要是因?yàn)槟嗌持饕运磷鳛槠溥\(yùn)移的載體，而由于潰壩洪水沿程水量損失的影響，其水土流失量也必將有所減少。受水土流失量沿程損失的影響，尾礦庫潰壩條件下泥石流的寬度也將逐步減小，最大寬度主要出現(xiàn)在1#斷面，該斷面也是潰壩洪水流量最大斷面，水土流失傳播時(shí)間總體要低于洪水的傳播時(shí)間 ，這主要是受到泥沙顆粒重量的影響，其傳播速度要低于潰壩洪水的傳播速度，從潰壩水土流失沿程距離和沿程分布時(shí)間可看出，潰壩洪水條件下的水土流失傳播速率為0.53m/s，從其傳播距離可看出，在發(fā)生尾礦庫潰壩洪水后，其水土流失最大傳播距離壩址為4.3km，該區(qū)域?qū)儆谒亮魇е攸c(diǎn)防范區(qū)域。

2.4 潰壩水土流失淹沒范圍分析

結(jié)合文章構(gòu)建的水力-泥沙耦合模型對該尾礦庫發(fā)生潰壩洪水條件下不同時(shí)刻水土流失淹沒范圍進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖1所示。

T=15min

結(jié)合水力-泥沙耦合模型對四種不同計(jì)算時(shí)刻下尾礦庫發(fā)生潰壩洪水時(shí)水土流失淹沒范圍進(jìn)行了分析，從不同時(shí)刻水土流失淹沒范圍可看出，隨著傳播時(shí)刻的增加，水土流失的淹沒范圍有所減少，這主要是因?yàn)檠爻趟亢蜕沉慷加休^為明顯的損失，使得當(dāng)計(jì)算時(shí)刻為65min時(shí)，其水土流失的淹沒范圍最低。從各計(jì)算時(shí)刻的水土流失淹沒影響范圍看出，當(dāng)發(fā)生該尾礦庫的潰壩洪水時(shí)，其淹沒最低高程均低于附件居民地的高程值，潰壩洪水?dāng)y帶的泥沙會對河道進(jìn)行淤積，但是由于淹沒高程低于居民地高程，因此其水土流失對于附件居民地的影響相對較小，但是大量的細(xì)粒廢渣將對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接影響。

3 結(jié) 語

1)發(fā)生潰壩洪水時(shí)，下泄洪水沿程發(fā)生漫灘，可以使得其流量產(chǎn)生較為明顯的損失。從尾礦庫潰壩洪水的平均水深可看出，受沿程水量損失的影響，其潰壩水深均值也逐步減小，最大水深和最大流量均出現(xiàn)在第一個(gè)斷面。

2)隨著傳播距離的增長，潰壩洪水?dāng)y帶的水土流失量將逐步減小，沿程出現(xiàn)較為明顯的水土流失量遞減變化，這主要是因?yàn)槟嗌持饕运磷鳛槠溥\(yùn)移的載體，而由于潰壩洪水沿程水量損失的影響，其水土流失量也必將有所減少。

3)結(jié)合水力-泥沙耦合模型可實(shí)現(xiàn)不同傳播時(shí)刻下的水土流失淹沒范圍，從而對其發(fā)生潰壩洪水時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評估。