尾礦壩潰壩模擬及影響范圍預(yù)測(cè)*

金佳旭 梁 力 吳鳳元 郭文亮，2 董天文

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院;2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司;3.后勤工程學(xué)院建筑工程系)

尾礦庫(kù)作為一種特殊的水工建筑物，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。研究尾礦庫(kù)的潰壩機(jī)理、預(yù)測(cè)潰壩尾砂流的淹沒(méi)范圍對(duì)尾礦庫(kù)防災(zāi)減災(zāi)、提高尾礦庫(kù)的安全管理和預(yù)防事故技術(shù)水平、保證庫(kù)區(qū)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全等具有重要的意義。因此，對(duì)尾礦壩潰壩機(jī)理及潰壩影響范圍的研究刻不容緩。國(guó)內(nèi)外關(guān)于尾礦壩穩(wěn)定性及潰壩機(jī)理研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，Jeyapalan［1-2］研究了尾礦砂流動(dòng)的黏滯性模型并對(duì)潰壩后尾砂波進(jìn)行預(yù)測(cè);Wang、陳青生、Bastani等人［3-8］先后對(duì)尾礦動(dòng)力穩(wěn)定及滲流液化和滑坡的數(shù)值模擬進(jìn)行研究。但這些理論大都基于經(jīng)驗(yàn)公式［9］，無(wú)法準(zhǔn)確定量地分析尾礦庫(kù)潰壩的實(shí)際影響范圍。如何構(gòu)建尾礦壩的實(shí)際模型，通過(guò)一定的分析手段，模擬出潰壩流對(duì)下游的影響范圍、到達(dá)的時(shí)間、淹沒(méi)范圍及深度，始終沒(méi)有得到很好的解決。本研究采用ANAYSCFX流體動(dòng)力學(xué)分析軟件［10］，以遼寧某尾礦庫(kù)為例，對(duì)潰壩過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬得出潰壩影響范圍、潰壩歷時(shí)、到達(dá)時(shí)間和尾砂堆積厚度等潰壩的基本規(guī)律，為潰壩災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案的編制和下游人員安全疏散方案的提出提供重要的理論依據(jù)。

1 工程概況

遼寧某礦選礦廠生產(chǎn)規(guī)模2 000 t/d，尾礦庫(kù)位于選礦廠西南側(cè)1.5 km，工程區(qū)地形起伏較大，高差懸殊，屬中等切割的高中山地貌。壩體位于南北向的河溝內(nèi)，呈“V”字型，屬山谷型尾礦庫(kù)。庫(kù)兩側(cè)地形相對(duì)較陡，地勢(shì)總體西高東低，南高北低，地形坡度15°～35°，海拔標(biāo)高1 024～1 651 m，相對(duì)高差627 m。坡植被覆蓋良好，覆蓋率達(dá)80%以上，多為灌木、針葉林等。尾礦庫(kù)區(qū)松散土層為第四系人工尾礦堆積物，以尾粉砂、尾粉土為主，基底及岸坡地層為第四系殘坡積、沖洪積成因的碎石土、卵石等組成，下伏基巖由三疊系上統(tǒng)一碗水組(T3y)砂巖、板巖、炭質(zhì)板巖組成。初期壩采用堆石壩，壩高27 m，設(shè)計(jì)總壩高112 m，有效庫(kù)容670萬(wàn)m3。選廠于2008年6月投入運(yùn)行，現(xiàn)堆筑子壩6級(jí)至1 201 m高程，每級(jí)約4 m，堆積壩高26 m，總壩高53 m。由于尾礦壩的各級(jí)子壩是用尾礦砂堆積而成，透水性差，導(dǎo)致壩體本身穩(wěn)定性較差。另外，該尾礦庫(kù)所處地區(qū)時(shí)有暴雨或輕度地震發(fā)生，在這些極端條件共同影響作用下，很可能造成尾礦壩的失穩(wěn)破壞。一旦發(fā)生潰壩，大量的尾礦將傾瀉下游，淤塞山谷，造成重大人員傷亡。

2 潰壩數(shù)值模擬

考慮到實(shí)際尾礦庫(kù)和下游山谷地形的復(fù)雜性，新尾礦堆積壩子壩較多，但均較小，建模時(shí)將各子壩合并到一起考慮，合并后的子壩高26 m，下游坡比1∶5。尾礦庫(kù)及山谷橫斷面定義為梯形，兩側(cè)坡度取45°，梯形下底邊取100 m，上底邊取260 m。尾礦庫(kù)底面及山谷下游坡度均取2°。利用ANSYSWorkbench建立有限元模型，其中包括尾礦砂域、固定域和空氣域3部分(尾礦庫(kù)上方空氣和下游山谷)，導(dǎo)入CFX－Pre生成整體計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 整體計(jì)算模型

在CFX－Pre中對(duì)整體計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度2 m，共有節(jié)點(diǎn)46 994個(gè)，單元22 511個(gè)。模擬類型定義為瞬態(tài)模擬，流變模型采用非牛頓流體模型中的Bingham模型，如圖2所示。模擬總持續(xù)時(shí)間設(shè)為400 s，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s，則總計(jì)算步數(shù)400步。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出尾礦砂主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 Bingham模型

表1 模型主要參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 潰壩堆積歷程分析

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)尾礦壩潰壩之后，尾礦砂流向下游演進(jìn)運(yùn)動(dòng)，沖出初期壩壩坡之后形成涌波，并逐漸向下游擴(kuò)散。壩前堆積區(qū)的面積和厚度在初期變化較大，到一定程度后變化較小，最后趨于穩(wěn)定。從潰壩到尾砂停止運(yùn)動(dòng)總歷時(shí)約400 s，通過(guò)CFX－Post創(chuàng)建尾礦砂等值面，幾個(gè)典型時(shí)刻的尾砂流態(tài)變化如圖3所示。

從圖3可以看出，尾礦壩潰壩砂流開始于子壩中部偏上的位置，上部尾礦砂在0～200 s的過(guò)程中，由庫(kù)內(nèi)傾瀉而出，重力勢(shì)能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沿初期壩壩坡向下游沖擊，速度快，破壞性大。200～350 s時(shí)，壩前堆積體逐漸形成，主要垂直壩體沿下游方向擴(kuò)大;在250 s時(shí)，中部偏下位置的尾礦砂在上部尾礦砂沖刷下，也開始運(yùn)動(dòng);350 s時(shí)，庫(kù)內(nèi)屈服面以下的尾礦砂停止瀉出，已流出的尾礦砂在后續(xù)砂流的推動(dòng)作用下繼續(xù)以流體形態(tài)向下游推移。350～400 s，尾礦砂端頭向下游方向運(yùn)移緩慢，直至停止，最終在壩前形成一個(gè)尾部厚、向邊緣逐漸變薄的尾礦砂堆積體。通過(guò)以上分析得出:尾礦潰壩堆積厚度主要形成在350 s以內(nèi)，前200 s破壞性最大，由此定義潰壩前200 s為最危險(xiǎn)時(shí)段，200～350 s為潰壩堆積擴(kuò)展階段，由于前200 s潰壩堆積量大、時(shí)間短、堆積比較集中，造成堆積密級(jí)，在潰壩堆積物應(yīng)力作用下，此階段開始卸載內(nèi)部應(yīng)力，最終完成尾礦砂堆積體形成。

3.2 潰壩尾砂泄流速度分析

圖4為潰壩后幾個(gè)典型時(shí)刻尾礦砂泄流運(yùn)動(dòng)的速度矢量圖。從圖中可以看出，任意時(shí)刻尾礦砂的速度大小均呈現(xiàn)出漸進(jìn)式的變化，從尾部至端頭速度逐漸增大，屈服面以上的尾礦砂在重力作用下，速度從零急劇增大，且近地面速度比表面速度大。潰壩初期，壩體內(nèi)部的尾礦砂呈現(xiàn)出明顯的滑移面; 100 s之后潰壩砂流到達(dá)壩體與地面的交點(diǎn)處發(fā)生碰撞，改變方向，砂流速度減慢，但在后續(xù)砂流的推動(dòng)下，仍以較快的速度向下游推進(jìn)一段距離，隨后逐漸減慢，直至停止。圖5是尾礦砂端頭速度時(shí)程曲線。圖中0～100 s時(shí)，速度增大很快;100 s時(shí)，尾礦砂端頭速度為9.7 m/s，達(dá)到前期的高值;100～150 s時(shí)，速度下降至6.9 m/s;160 s時(shí)達(dá)到速度的最大值10.16 m/s;之后尾礦砂流速度緩慢減小，尾礦砂以較低的運(yùn)動(dòng)速度繼續(xù)運(yùn)移和堆積，直至最后停止運(yùn)動(dòng)。

圖3 不同時(shí)刻的流態(tài)變化

圖4 不同時(shí)刻的速度矢量

圖5 端頭速度時(shí)程曲線

由以上分析可得:潰壩初期尾礦砂克服自身的重力和黏聚阻力，由原來(lái)的約束體變?yōu)樽杂审w，因此流速迅速增大，很快達(dá)到前期高值;當(dāng)砂流撞擊地面時(shí)，改變運(yùn)移方向，造成能量損失，速度驟減;而在后續(xù)砂流推動(dòng)下，速度再次增大并達(dá)到最大值;隨后在自身黏聚力及地表摩阻力的共同作用下，速度逐漸變慢，停止運(yùn)動(dòng)。通過(guò)尾礦砂泄流速度更加驗(yàn)證了尾礦潰壩前200 s為潰壩主要堆積時(shí)間，在160 s速度達(dá)到最大值，為潰壩的最危險(xiǎn)階段。

3.3 潰壩尾砂堆積形態(tài)分析

潰壩結(jié)束時(shí)，壩前堆積形態(tài)如圖6所示。從圖中可以看出，壩體下游尾礦砂堆積體呈現(xiàn)為尾部厚、向邊緣逐漸變薄的楔形體，尾部最大堆積厚度約為17 m，堆積體體積46.8萬(wàn)m3，最遠(yuǎn)流動(dòng)距離為距初期壩外側(cè)壩角1 150 m，潰壩后大部分尾礦砂流入下游。如此大量的尾礦砂泄入下游勢(shì)必淤塞河道，淹沒(méi)道路和農(nóng)田，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。而處于屈服面以下的尾礦砂在整個(gè)潰壩過(guò)程中始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，堆積于庫(kù)區(qū)內(nèi)，并沒(méi)有受到潰壩的影響，其堆積厚度為中間大，兩端小，最大堆積厚度位于尾礦庫(kù)中部。

圖6 最終堆積形態(tài)

庫(kù)區(qū)內(nèi)的尾礦砂之所以沒(méi)有完全流出，而是形成具有一定坡度的楔形體，這是因?yàn)槲驳V砂流自身具有較大的黏聚阻力，隨著尾礦瀉出，尾礦砂流表面的坡度逐漸減小，重力在該坡度方向產(chǎn)生的促使尾礦流動(dòng)的剪切應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)尾礦砂坡度減小到一定程度時(shí)，即該坡面上重力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和尾砂砂流屈服應(yīng)力相等時(shí)，尾礦砂流即停止運(yùn)動(dòng)，此楔形體的表面可以看作是尾礦砂流的屈服表面，該屈服表面以上的尾礦會(huì)在重力的作用下全部流出，而該表面下面的尾礦則會(huì)留在庫(kù)內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)遼寧某礦尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩砂流演進(jìn)模擬分析得出:潰壩過(guò)程中的前200 s為最危險(xiǎn)時(shí)段，壩前堆積體主要在此階段形成，堆積量大，速度快。尾礦砂流流速在潰壩后100 s時(shí)達(dá)到極大值，即9.7 m/s;160 s尾礦砂運(yùn)動(dòng)至壩體下游30 m，此時(shí)尾礦砂端頭速度為10.16 m/s，速度仍非常大，沖擊破壞力非常強(qiáng)。此后隨著尾砂不斷瀉出，尾礦砂流流速進(jìn)一步減小，350 s時(shí)尾礦砂基本停止運(yùn)動(dòng)。潰壩結(jié)束后，尾礦庫(kù)下游堆積的尾礦砂堆積體，其最大堆積厚度為17 m，最遠(yuǎn)距離為距初期壩外側(cè)壩角1 150 m的位置，如此大量的尾砂將會(huì)淤塞河道，淹沒(méi)河岸上的道路和農(nóng)田，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。

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