朱遠(yuǎn)樂(lè) 劉婷 王淇萱 伍梁龍

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙縣白石洞水庫(kù)管理所）

尾礦庫(kù)潰壩時(shí)泥沙流速大，應(yīng)急時(shí)間非常短，潰壩造成的事故和危害巨大。尤其在我國(guó)的礦山企業(yè)中存在著大量的頭頂庫(kù)，尾礦庫(kù)的下游通常分布著居民區(qū)和交通等設(shè)施，一旦發(fā)生潰壩事故，將嚴(yán)重威脅到下游村民和財(cái)產(chǎn)的安全［1-3］。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于尾礦庫(kù)潰壩事故的研究，主要有理論分析、模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法等。例如，陳殿強(qiáng)等［4］直接借助水庫(kù)潰壩演進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)鳳城市某鐵礦尾礦庫(kù)進(jìn)行了潰壩分析，預(yù)測(cè)潰壩泥石流的最大流量、下游不同斷面的到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)范圍及深度。在模型試驗(yàn)研究領(lǐng)域，陶東良［5］對(duì)某鉬礦尾礦庫(kù)進(jìn)行了洪水漫頂潰壩模型試驗(yàn)，模擬洪峰形成至尾礦庫(kù)大規(guī)模潰壩過(guò)程，同時(shí)分析了不同壩坡比條件下的潰壩差異，為下游居民及時(shí)撤離提供了理論依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，阮德修等［6］采用FLO2D泥石流模擬軟件對(duì)湖南省某尾礦庫(kù)進(jìn)行了潰壩災(zāi)害過(guò)程仿真。陳星等［7］運(yùn)用分步數(shù)值模擬法分析尾礦庫(kù)潰壩后尾砂對(duì)下游的淹沒(méi)范圍、尾砂的運(yùn)移規(guī)律及尾砂對(duì)下游公路的撞擊。

本研究以湖北省某鐵礦尾礦庫(kù)為例，借助地理信息系統(tǒng)軟件對(duì)尾礦庫(kù)下游地形及重要建筑物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，并采用數(shù)值模擬方法分析不同工況下尾礦庫(kù)潰壩后的砂流運(yùn)移規(guī)律，通過(guò)分析尾砂厚度、尾砂流速分布，得出尾礦庫(kù)潰壩后尾砂的淹沒(méi)范圍，為尾礦壩失事的早期預(yù)警、人員疏散和抗洪救災(zāi)等提供重要的決策信息。

1 尾礦庫(kù)概況

湖北省某鐵礦尾礦庫(kù)三面靠山，一面筑壩，屬于山谷型尾礦庫(kù)。尾礦庫(kù)主要由初期壩、堆積壩、排洪及排滲系統(tǒng)組成，最終堆積標(biāo)高為225 m，總壩高為152.5 m，總庫(kù)容為3 042.4×104m3，為二等庫(kù)。尾礦庫(kù)初期壩為透水堆石壩，最大壩高為24.5 m，壩頂長(zhǎng)度為152.1 m，寬度為5.5 m，標(biāo)高為97.0 m，下游總坡比約為1∶2，坡面采用干砌塊石護(hù)坡。堆積壩采用上游尾砂筑壩，采用人工配合推土機(jī)筑子壩的堆壩方式，子壩高度為3.0 m，寬度為3 m，堆積壩平均坡比為1∶4。該尾礦庫(kù)下游有5 個(gè)村莊及316 國(guó)道，下游居民、設(shè)施較多，為典型的“頭頂庫(kù)”。

2 潰壩砂流數(shù)值計(jì)算

2.1 潰決工況

尾礦庫(kù)潰壩初始滑動(dòng)面可按尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)，利用土坡穩(wěn)定分析方法進(jìn)行估算。尾礦壩的穩(wěn)定性分析應(yīng)嚴(yán)格滿足規(guī)程要求，然而為分析潰壩對(duì)下游道路的影響，需假定尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩，這樣就需假設(shè)在某一特殊工況下尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩災(zāi)害，本次模擬的特殊工況為洪水的不同頻率。

根據(jù)實(shí)測(cè)剖面圖，建立穩(wěn)定性計(jì)算模型，采用瑞典圓弧法，對(duì)設(shè)計(jì)洪水頻率條件下的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，尾砂層滲透系數(shù)和力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)洪水頻率條件下的滑動(dòng)面底標(biāo)高為122.0 m。

本研究結(jié)合工程實(shí)際及類似工程經(jīng)驗(yàn)，除考慮最危險(xiǎn)滑動(dòng)面情況下瞬時(shí)全潰以外，同時(shí)還考慮初期壩以上堆積壩潰壩情況。

2.2 潰決參數(shù)

（1）潰決方式。本研究采用瞬時(shí)全潰計(jì)算方式。

（2）潰決后下泄量。由于尾礦壩潰決時(shí)往往伴隨著暴雨，庫(kù)區(qū)尾砂呈飽和狀態(tài)，為安全起見(jiàn)，考慮最不利的情況，泄砂總量為某一高程以上的全部庫(kù)容，即取初期壩以上1/3 堆積壩（166.0 m 標(biāo)高）、最危險(xiǎn)滑動(dòng)面122.0 m標(biāo)高及初期壩97.0 m標(biāo)高以上的全部庫(kù)容潰決3種工況進(jìn)行計(jì)算。

（3）底部阻力。本研究采用曼寧系數(shù)的變化作為剪切力的函數(shù)，模擬出尾礦漿不同于水的流動(dòng)特征（圖2）。

圖2 中，τc為尾礦漿開(kāi)始流動(dòng)的臨界剪切力，τcu為尾礦漿從屈服假塑性體變化為賓漢塑性體的臨界剪切力。M1為曼寧系數(shù)的最小值，表征尾礦漿開(kāi)始流動(dòng)時(shí)受到的底摩擦，取2；Mμ為最大值，表征從屈服假塑性體變化為賓漢塑性體時(shí)受到的底摩擦，取20。

2.3 網(wǎng)格劃分

本研究取自初期壩壩址向下游延伸約1.3 km，初期壩下游的水庫(kù)壩腳（距初期壩腳約0.7 km）向南側(cè)延伸約1.2 km 作為陸地邊界，計(jì)算地形如圖3所示。

根據(jù)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)影響區(qū)1∶1 000 地形圖，借助地理信息系統(tǒng)軟件，采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形對(duì)尾礦庫(kù)影響地區(qū)進(jìn)行剖分。網(wǎng)格尺寸按照最大三角形面積不大于20 m2的標(biāo)準(zhǔn)剖分，共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)1175 15，劃分三角形單元數(shù)量233 651 個(gè)。無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有復(fù)雜區(qū)域適應(yīng)性好、局部加密靈活和便于自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，能很好地模擬自然邊界及復(fù)雜的水下地形，提高邊界模擬精度，得到尾礦庫(kù)影響區(qū)網(wǎng)格剖分圖，見(jiàn)圖3。

2.4 結(jié)果分析

瞬時(shí)潰壩歷時(shí)時(shí)間較短，最大流量出現(xiàn)在潰壩初瞬間，本研究分析3種不同工況10 min 內(nèi)潰壩范圍情況。通過(guò)數(shù)值模擬可以得出下游尾砂厚度及流速隨潰壩時(shí)間的分布圖（部分）以及尾砂達(dá)到下游敏感點(diǎn)（根據(jù)構(gòu)筑物的重要性選取）的計(jì)算結(jié)果，庫(kù)區(qū)內(nèi)的尾砂厚度為相對(duì)于160.0 m 標(biāo)高時(shí)的厚度，結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6及表2、表3。

（1）初期壩以上1/3 堆積壩（166.0 m）潰決。由圖4、表2、表3 可知，當(dāng)初期壩以上1/3 堆積壩潰決，0 s時(shí)壩體發(fā)生潰決，庫(kù)區(qū)尾砂流開(kāi)始向下游宣泄，1 s時(shí)主壩潰決出口處流速最大達(dá)到14.1 m/s；潰壩100 s時(shí)，尾砂流到達(dá)下游水庫(kù)（小庫(kù)區(qū)）庫(kù)尾處，其流速為3.3 m/s左右，尾砂厚度為6.3 m左右；潰壩600 s時(shí)，尾砂流到達(dá)下游約1 300 m 處尾砂流速為0.7 m/s 左右，尾砂厚度為2.4 m 左右，向左側(cè)流至水庫(kù)壩腳南側(cè)的村莊，流經(jīng)距離約560 m，尾砂流速為0.5 m/s左右，尾砂厚度為4.0 m左右。

（2）最危險(xiǎn)滑動(dòng)面（122.0 m）標(biāo)高潰決。由圖5、表2、表3 可知，當(dāng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面標(biāo)高潰決，0 s 時(shí)壩體發(fā)生潰決，庫(kù)區(qū)尾砂流開(kāi)始向下游宣泄，1 s時(shí)主壩潰決出口處流速最大達(dá)到14.6 m/s；潰壩99 s時(shí)，尾砂流到達(dá)下游水庫(kù)（小庫(kù)區(qū)）庫(kù)尾處，其流速為3.4 m/s 左右，尾砂厚度為6.4 m左右；潰壩600 s時(shí)，尾砂流到達(dá)下游約1 310 m 處尾砂流速為0.8 m/s 左右，尾砂厚度為2.5 m左右，向左側(cè)流至水庫(kù)壩腳南側(cè)的村莊，流經(jīng)距離約570 m，尾砂流速為0.6 m/s 左右，尾砂厚度為4.2 m左右。

（3）初期壩（97.0 m）標(biāo)高潰決。由圖6、表2、表3可知，當(dāng)初期壩標(biāo)高處潰決，0 s 時(shí)壩體發(fā)生潰決，庫(kù)區(qū)尾砂流開(kāi)始向下游宣泄，1 s 時(shí)主壩潰決出口處流速最大達(dá)到15.7 m/s；潰壩96 s時(shí)，尾砂流沿堆積壩宣泄，到達(dá)初期壩腳處，此時(shí)壩腳處流速為4.6 m/s 左右，尾砂厚度為7.3 m左右；潰壩600 s時(shí)，尾砂流到達(dá)下游約1 320 m 處尾砂流速為0.9 m/s 左右，尾砂厚度為2.8 m左右，向左側(cè)流至水庫(kù)壩腳南側(cè)的村莊，流經(jīng)距離約580 m，尾砂流速為0.8 m/s 左右，尾砂厚度為4.6 m左右。

3 結(jié)論

（1）3 種工況條件下尾礦庫(kù)潰決產(chǎn)生尾砂流到達(dá)下游敏感地區(qū)的時(shí)間基本上一致，對(duì)下游的影響規(guī)律基本一致。

（2）從3 種工況的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，尾礦庫(kù)潰壩庫(kù)容越小，下游各敏感點(diǎn)的最大淹沒(méi)深度越小，最大流速越??；潰壩宣泄的尾礦流量越大，對(duì)下游產(chǎn)生的影響越大，因此初期壩以上瞬時(shí)全潰為潰壩影響最大的工況。

（3）尾礦庫(kù)潰壩泥石流在壩址附近區(qū)域影響較大，距離尾礦壩壩址越遠(yuǎn)，最大淹沒(méi)深度越小，最大流速也越?。ㄋ畮?kù)除外）。

（4）潰壩模擬分析給出了潰壩尾砂流到達(dá)下游重點(diǎn)建筑物的時(shí)間，為尾礦庫(kù)制定應(yīng)急救援預(yù)案和應(yīng)急響應(yīng)提供了依據(jù)。