尾礦庫潰壩潰口發(fā)展?fàn)顟B(tài)模擬試驗

秦 柯 孟憲磊

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家研究中心有限公司；4.甘肅工程地質(zhì)研究院)

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尾礦庫潰壩潰口發(fā)展?fàn)顟B(tài)模擬試驗

秦 柯1，2，3孟憲磊4

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家研究中心有限公司；4.甘肅工程地質(zhì)研究院)

我國尾礦庫數(shù)量眾多，早期建設(shè)的尾礦庫標(biāo)準(zhǔn)偏低，存在較大的安全隱患。尾礦庫一旦發(fā)生潰壩，將對其下游居民的生命財產(chǎn)安全造成巨大損失，并導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。為此，需進行尾礦壩潰壩試驗研究。在尾礦庫潰壩試驗中，由于每座尾礦庫的具體情況不同，很難按照嚴(yán)格比例進行物理模擬，因此試驗中主要采用概化模型，通過試驗設(shè)計，對影響尾礦庫潰壩的部分比變量進行研究，找出一般規(guī)律，為尾礦庫潰壩治理提供參考。

尾礦庫 潰壩 模型 潰口 陡坎

據(jù)統(tǒng)計，尾礦庫災(zāi)害在世界各種重大災(zāi)害中居第18位，僅次于洪水、霍亂、地震等災(zāi)害。若尾礦壩發(fā)生潰壩事故，必將嚴(yán)重危害下游地區(qū)的人民生命和財產(chǎn)安全，同時導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。我國曾經(jīng)發(fā)生過多起嚴(yán)重的尾礦庫事故，2006年陜西省鎮(zhèn)安縣金礦尾礦庫在實施增容施工過程中，壩體突然垮塌，造成17人失蹤，40余間房屋被淹；2008年，山西省襄汾新塔礦業(yè)公司發(fā)生尾礦庫潰壩事故，礦砂泄漏達19萬m3，造成277人死亡，下游2.5 km范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物被淹沒，造成塔山礦的3層辦公樓整體向后推移達15 m；2010年9月，茂名市信宜紫金礦業(yè)有限公司銀巖錫礦高旗嶺尾礦庫發(fā)生潰壩事件，造成22人死亡，直接經(jīng)濟損失達3 187.71萬元人民幣，而其尾礦壩潰壩的直接原因就是洪水漫頂。這些重大事故發(fā)生后，不僅造成人員傷亡，財產(chǎn)極大損失，礦山也被迫停產(chǎn)。

研究表明[1]，尾礦壩壩體穩(wěn)定性破壞的因素很多，壩體穩(wěn)定性的破壞會直接導(dǎo)致潰壩。就其發(fā)生機理而言，是由于外界環(huán)境的影響使尾礦庫中的應(yīng)力場和滲流場發(fā)生了變化，導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)。按照尾礦庫失事的直接原因，尾礦庫災(zāi)害類型主要有：①排洪及排水系統(tǒng)失效的洪水漫頂而導(dǎo)致的尾礦壩失穩(wěn)；②尾礦壩壩體及壩基穩(wěn)定性不足，引起壩基壩坡失穩(wěn)；③自然災(zāi)害導(dǎo)致的尾礦壩失穩(wěn)。

1 尾礦庫潰壩方面的研究

在尾礦庫潰壩研究中，T.L.Wah提出尾礦壩侵蝕的兩個重要階段：潰口形成階段與潰口發(fā)展階段[2]。D.C.Froehlich則認(rèn)為，潰口發(fā)展階段的起始時刻應(yīng)為潰口劇烈擴大時刻，而潰口結(jié)束的時間是潰口側(cè)向侵蝕停止的時刻[3]。因此，大壩潰決的總時間可以認(rèn)為是潰口形成時間與潰口發(fā)展時間之和。歐洲和美國近年來做了大量潰壩試驗，基于試驗及潰壩實例觀察，拉爾斯頓(Ralston)、瓦爾和漢森等學(xué)者提出了一項新的尾礦壩漫潰機理——“陡坎”沖刷(headcuterosion)[4]，“陡坎”(headcut)指水在高程上的突降。當(dāng)水流流經(jīng)“陡坎”時，水流流速瞬間變大，對下游河床或渠道造成沖刷，同時在陡坎底部形成反向旋流，旋流在近似垂直的跌水面上施加剪應(yīng)力，沖刷床面并掏蝕跌水面基礎(chǔ)，造成跌水面失穩(wěn)斜塌[5]。

2 模型設(shè)計

由于尾礦庫尾砂堆排復(fù)雜，試驗中很難按照一定比例去設(shè)計模型，其相似性質(zhì)泥沙的選配也是難點。因此，在試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計中，將假定多個變量，只對其中一個或幾個變量進行試驗研究，由此得出的數(shù)據(jù)雖然具有一定的局限性，但對于研究尾礦庫潰壩某一參數(shù)的影響仍然有積極意義。

本試驗中設(shè)計制作了一個水槽系統(tǒng)進行研究，模型試驗水槽如圖1所示。槽體由有機玻璃制造，水槽一端安裝轉(zhuǎn)輪用于調(diào)整坡度，另一端與水平水槽連接，在水槽中鋪設(shè)尾砂模擬尾礦堆積壩，水槽末端設(shè)置沉砂池。

圖1 試驗水槽

本次試驗設(shè)計中采用11.30°坡度，模擬坡度為1∶5的尾砂堆積層，分別以尾砂干燥、濕潤狀態(tài)和潰口形態(tài)作為變量進行試驗，形成4中不同工況：①鋪設(shè)濕砂+潰口位于水槽中部；②鋪設(shè)干砂+潰口位于水槽中部；③鋪設(shè)濕砂+潰口位于水槽側(cè)面；④鋪設(shè)干砂+潰口位于水槽側(cè)面。觀察各種工況潰口狀態(tài)的發(fā)展變化，尋找潰口發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。潰口位于水槽中部模擬潰口斷面與水流方向垂直，潰口位于水槽側(cè)面模擬潰口與水流方向平行。

2.1 工況①

工況①沖刷形態(tài)變化見圖2。

圖2 工況①沖刷形態(tài)變化

通過對工況①中潰口變化狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，人為在水槽中部開口后，當(dāng)水深逐漸加高漫過尾砂時，尾砂面出現(xiàn)多個小股細(xì)流，由于受到水槽的限制，最終僅中部細(xì)流造成的尾砂沖刷逐步加深，潰口形成。隨著水流的繼續(xù)增大，水流的下切作用使水溝加深并形成“陡坎”，“陡坎”不斷向上游移動，并最終將尾砂潰口下游區(qū)域內(nèi)尾砂全部沖至沉砂池內(nèi)。

2.2 工況②

工況②沖刷形態(tài)變化見圖3。

圖3 工況②沖刷形態(tài)變化

通過工況②潰口變化狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，潰口的變化狀態(tài)與工況①相近，但對潰口下游尾砂的沖刷能力較工況①小。

2.3 工況③

工況③沖刷形態(tài)變化見圖4。

圖4 工況③沖刷形態(tài)變化

通過工況③潰口變化狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，工況③中潰口發(fā)展速度相對工況①、工況②較為緩慢。造成這一現(xiàn)象可能是由于潰口斷面與水流方向平行，潰口產(chǎn)生后，僅有部分水流對潰口具有下切作用，部分水流仍然按照原路徑沿水槽向下流淌，因此水流整體對工況③中潰口發(fā)展的作用較小。

2.4 工況④

工況④沖刷形態(tài)變化見圖5。

圖5 工況④沖刷形態(tài)變化

通過對工況④潰口變化狀態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，工況④中潰口發(fā)展速度相對工況③較小，且潰口上部尾砂仍然保持著完好狀態(tài)，僅靠近潰口一側(cè)尾砂被沖毀。

3 結(jié) 論

(1)由沖刷結(jié)果可以看出，潰口形態(tài)為矩形。泥沙受到水流的沖刷而不斷下切，隨著沖刷的進行，沖刷寬度不斷增大，但本設(shè)計中由于受到水槽槽體限制，潰口最大寬度與水量關(guān)系無法確定。

(2)潰口斷面與水流方向垂直時，潰口發(fā)展速度較快，且產(chǎn)生的破壞力度大，對下游尾砂的沖刷能力更強。

(3)尾砂處于干燥狀態(tài)下，潰口形成后遭到的破壞相對較小，且潰口發(fā)展速度較慢。

[1] 張力霆.尾礦庫潰壩研究綜述[J].水利學(xué)報，2013,44(5):594-600.

[2] 魏 勇,許開立.尾礦壩漫頂潰壩機理及過程研究[J].金屬礦山,2012(4):131-135.

[3] 徐 耀，張利民.土石壩潰口發(fā)展模式研究[J].中國防汛抗旱，2007(12):18-22.

[4] 陳生水，鐘啟明，陶建基.土石壩潰決模擬及水流計算研究進展[J].水科學(xué)進展，2008，19(6):903-910.

[5] 魏 勇.尾礦壩漫頂潰壩砂流演進數(shù)值模擬與風(fēng)險評價[D].沈陽：東北大學(xué),2011.

Simulation Test of the Development Status of the Breach of Tailings Dam Break

Qing Ke1,2,3Meng Xianlei4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Institute of Engineering Geology in Gansu Province)

There is a large number of tailings in China,the standard of the early period construction of tailings is low,the potential safety hazards is serious,if the tailings dam break is occurred,the life and property of the downstream residents will be threatened seriously and the significant environmental pollution could be caused.So,it is necessary to conduct the test of tailings dam break.During the test process of tailings dam break,due to the different specific circumstances of each tailings,so,it is difficult to conduct the physical simulation test based on the proportion strictly.Therefore,the generalized model is adopted in the test design in this paper,part of the proportion variables that affecting the tailings dam break are analyzed to discuss the general rules and some relative conclusions are drawn to provide some reference to deal with tailings dam break.

Tailings,Dam break,Model,Break,Scarp

2016-06-28)

秦 柯(1984—)，男，工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。