尾礦庫潰壩泥石流相似模擬試驗臺設計及驗證*

敬小非，潘昌樹，謝 丹，龔秀蘭，張小順

(重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331)

數字出版日期： 2017-07-19

0 引言

尾礦庫[1-3]是一種特殊的工業建筑物，也是一座具有高勢能的人造泥石流巨大危險源。通過對國內外資料的搜集與研讀，發現對尾礦壩[4-9]的研究多集中在環境污染、穩定性分析等方面，而對尾礦壩潰壩災害的研究基本為空白。而尾礦壩一旦發生潰壩，將對下游造成災難性的傷害。如2008年，山西省襄汾縣新塔礦業有限公司新塔礦區980平硐尾礦庫發生特別重大潰壩事故，直接經濟損失達9 619.2萬元[10]。

因此，研制泥石流相似模型試驗臺研究尾礦壩潰壩礦漿的流態演進過程以及礦漿運動過程中應力場和流場分布規律的測算和分析是尾礦壩潰壩流體力學發展之關鍵技術。通過對潰壩流態演進過程的分析計算，預測尾礦庫泄砂總量、壩趾最大砂流量、壩趾流量過程線、重要建筑物處的受力過程等潰壩重要參數，全面分析潰壩災害的影響范圍和程度(淹沒高程及流速[11])，為下游防災減災工程等一系列安全問題提供可靠、堅實的理論基礎。設計單位也可根據潰壩計算數據決定是否在壩體下游建立攔擋壩[12-13]、導流槽，以減緩礦漿對下游重要建筑物的沖擊力度，達到防災減災的作用。

1 試驗臺結構設計

1.1 設計思路

尾礦庫潰壩泥石流運動機制試驗裝置的具體設計思路如下：(1)采用亞克力材料制作尾礦庫、下游沖溝(由10個0.6 m長的U型槽構成)及彎度調節裝置；(2)采用鐵質材料制作支架(涂有紅漆以防止其生銹)，并在金屬支架上放置抱箍，固定一亞克力底板并在其上方放置上述尾礦庫、下游沖溝及彎度調節裝置；(3)通過調節支架上的抱箍位置以調節坡度；(4)在下游沖溝透明底板上固定支撐板，并在支撐板上固定壓力傳感器以測量泥石流的沖擊力；(5)采用亞克力材料制作2個直徑大于沖溝寬度的圓盤，在2個圓盤(上下放置)之間插入1個小圓柱，使上下圓盤可任意轉動，將下圓盤與上端沖溝底板下部固定，上圓盤與下端沖溝底板上部固定，在上下端沖溝外邊緣固定4個外盒，在盒內固定1個小圓柱，圓柱上纏繞透明軟膠，通過轉動轉盤以調節彎度，當彎度調好后在透明軟膠與轉盤接觸處用結合劑做好密封處理，如此模擬下游不同彎度沖溝，泥石流的動態變化過程；(6)采用攝像機拍攝透明側板的正面與透明底板的底面以及上游庫區作為觀測系統。整個裝置的三維示意如圖1所示。

圖1 裝置三維示意Fig.1 Three dimensional diagram of device

1.2 結構組成

1.2.1 尾礦庫

尾礦庫包括上游庫區(長×寬×高=2 m×0.6 m×0.6 m)、閘門裝置和閘門提升裝置，上游庫區具有潰口，在潰口的邊緣設置有邊框，閘門裝置設置于邊框上。如圖2所示，閘門裝置包括第1閘門和第2閘門，結合圖3，第2閘門的厚度小于第1閘門的厚度，2閘門設置在卡槽上，均可沿卡槽上下滑動，且第2閘門擁有多種類型，即第2閘門可換為多種幾何尺寸。全潰時，不用放置第2閘門；其他情況，第2閘門必須放置且均不能提起。

圖2 閘門裝置與閘門提升裝置裝配示意Fig.2 The schematic of gate device and gate lifting device

圖3 閘門裝置的側視圖Fig.3 Gate device side view

閘門提升裝置包括提升桿、氣缸和配電箱，配電箱通過電線與氣缸連接，氣缸位于第1閘門的上方，且與提升桿的一端連接，提升桿的另一端與第1閘門連接；配電箱為氣缸供電，由氣缸帶動提升桿上升或下降，從而使提升桿帶動第1閘門打開或關閉上游庫區的潰口。

1.2.2 下游沖溝

下游沖溝由10個0.6 m長、0.3 m寬的亞克力U型槽及2個彎度調節裝置組裝而成；2個彎度調節裝置分別位于下游沖溝2 m及4 m處，可調整出不同彎度結構的溝槽(如“S”型、“L”型及在這2大類型上微調的多種幾何形狀)。下游沖溝的前端與礦漿出口連通，末端與礦漿回收池連接。同時在貼有傳感器對應位置外側固定橫向及縱向量尺，縱向量尺記錄泥石流流動過程中泥深的動態變化；橫向量尺用于計算流過該斷面的泥漿流速。

1.2.3 坡度調節系統

坡度調節裝置包括支架和支撐底板(如圖4所示)，支架包括4根圓管及4根橫梁，在每根圓管上分別沿長軸方向開設有滑槽，相鄰的2根圓管之間通過橫梁固定連接；支撐底板支撐在透明底板的底部，在支撐底板的4個角部分別設置有用于在滑槽內滑動的滑塊，在4根圓管上分別套設有用于卡固滑塊位置的抱箍；通過改變抱箍位置以達到坡度調節作用，支架與支撐底板結構示意圖見圖5。

圖4 坡度調節裝置中支撐底板的結構示意Fig.4 The structure diagram of support plate in slope adjusting device

圖5 坡度調節裝置結構示意Fig.5 The structure diagram of slope adjusting device

1.2.4 彎度調節系統

彎度調節裝置設置在相鄰的2個透明亞克力凹槽之間，每個彎度調節裝置包括旋轉上盤、旋轉下盤和6個U型卡扣，4個U型卡扣分別卡固在相鄰的2個透明凹槽中每個透明側板相互靠近的一端，且卡扣分別與各自卡固的透明側板之間留有空隙(圖6所示)，并在形成此空隙的U型卡扣橫向、縱向分別開一小孔(如圖7所示)。在每個U型卡扣的側壁上均固定連接有外盒，每個外盒的底部封閉、頂部開口形成內腔，在每個外盒形成的內腔的底部固定有立柱，在相鄰的2個透明凹槽中，一個透明凹槽的2個立柱分別纏繞有透明軟膠，2個透明軟膠的自由端分別通過所述空隙纏繞在離各自最近的另一個透明凹槽的立柱上。剩下2個U型卡扣分別卡固在相鄰的2個透明凹槽的底板上，旋轉上盤與旋轉下盤通過短軸連接，旋轉上盤固定在一個透明凹槽上底部U型卡扣的頂部，而旋轉下盤固定在另一個透明凹槽底部U型卡扣的底部，旋轉上下盤的結構示意圖如圖8所示。

圖6 彎度調節裝置與相鄰2個透明凹槽的裝配示意Fig.6 The assembly diagram of bending adjustment device and two adjacent transparent groove

圖7 側方U型卡扣處放大圖Fig.7 The enlarged view U type buckle at the lateral

圖8 旋轉上盤與旋轉下盤結構Fig.8 The structure diagram of rotating upper plate and rotating lower plate

1.2.5 壓力測試系統

壓力測試裝置包括L型亞克力材料(長×寬×高=40 mm×25 mm×30 mm)傳感器支撐板、壓力傳感器、動態應變儀，支撐板固定在U型槽透明底板橫向1/4處(以長面與底板緊貼的形式固定，這樣能增大支撐板的抗沖擊力，以至不易被沖掉)，壓力傳感器與L型亞克力材料支撐板高面固定，同時與動態應變儀及計算機連接，壓力傳感器安設于潰口處、彎道處及其他需要研究的斷面。

本裝置的試驗步驟如圖9所示。

圖9 試驗步驟Fig.9 Test procedure

2 試驗驗證

考慮文章篇幅，本文只將全尾礦砂配制成30%，40%，50%，60%等4種質量濃度的礦漿，通過變化礦漿濃度研究礦漿質量濃度對尾礦庫潰壩泥石流動態演進過程的影響。

2.1 泥深變化情況

圖10 泥石流到達不同斷面處的淹沒高程Fig.10 The flood elevation of debris flow at different section

以壩趾、下游沖溝2 m處為觀測地點，記錄不同時刻泥漿在該斷面的淹沒高程，獲得不同礦漿濃度泥石流在不同斷面的動態演化規律，如圖10所示(以30%礦漿濃度泥石流到達參考點的時間為坐標原點)。從圖中可以得知，不同礦漿濃度泥石流到達同一斷面的時間具有明顯差異。表現為隨著濃度增加，礦漿到達同一斷面所耗時間呈逐漸增長趨勢。這就意味著下游居民的撤離時間有所增長，但這增長的撤離時間相比濃度變化帶來的淹沒高程變化是可以忽略的。隨著礦漿濃度增加，泥石流在各斷面處產生的淹沒高程峰值呈逐漸增長趨勢，產生這一現象的原因是濃度越大，漿體的黏度越大，與各斷面接觸面的摩擦力增加，繼而在各斷面的滯留時間增加，使漿體不能及時流出斷面，繼而使動能轉化為勢能的速度增加，最后使淹沒高程增加。同時不論尾礦壩礦漿濃度為多少，礦漿泥石流在任何斷面的流態都表現為：在短時間內淹沒高程增至峰值，接著隨礦漿泥石流的不斷演進逐漸減小，直到泥石流停止。淹沒高程的整個變化形式呈現角形形狀，結論與文獻[1]相吻合。

2.2 沖擊力變化情況

通過壓力傳感器及動態應變儀測得不同礦漿濃度泥石流在不同斷面處的沖擊力，如圖11所示。從圖中可以得知，隨著礦漿濃度增加，泥石流到達同一斷面所產生的沖擊力呈逐漸減小趨勢，且隨著距潰口距離越遠，沖擊力越小；以距潰口2 m處為研究對象，當礦漿濃度為30%時，泥石流所產生的沖擊力峰值為6.5 kPa；40%時為3.3 kPa；50%時為0.94 kPa；60%時為0.87 kPa。這是因為隨著礦漿濃度增加，泥石流黏度增加，與各接觸面間的摩擦阻力增大，流體在溝槽中流動速度固然減小。根據文獻[14]中流體流速與沖擊力的關系可知，泥石流沖擊力與流體流速呈正相關關系，同時還與泥石流中攜帶固體物質的大小有關，故尾礦庫中礦漿濃度很大程度上決定了下游建筑物所受沖擊力的大小。同時沖擊力隨距離(參考點與壩趾的距離)的增加而減小，這可能是由于下游沖溝經過水泥拉毛增大了粗糙度，泥石流每經過一個斷面其能量就會被縮減一次，且縮減的幅度大于2%坡度給礦漿流體增加的動能。再從圖11中可知，所有沖擊力曲線從沖擊力有突出變化開始，均表現為前端陡峭，后端平緩；說明沖擊力峰值是在短時間內產生的，而后隨著泥石流的演進逐漸減小。

圖11 不同礦漿濃度泥石流在不同斷面處的沖擊力Fig.11 The impact force of debris flow with different pulp density at different section

2.3 流速

圖12為含不同礦漿濃度泥石流在下游不同區域的龍頭速度。從圖中可以發現在下游任何區域，泥石流龍頭速度均隨礦漿濃度的增加而減少。這是因為礦漿泥石流濃度的增加，提高了流體的黏度，而黏度表征的是流體內部固-固、固-液及液-液之間的內摩擦力，且表現為黏度增大，流體內各物質間內摩擦力增大。故流體與溝槽間的摩擦阻力隨泥石流漿體濃度的增大而增大，使流體在流動過程中消耗更多的能量，從而降低泥石流流體的流速，使流體在溝槽內滯留的時間相對增加。

圖12 不同礦漿濃度泥石流的龍頭速度Fig.12 The leading speed of debris flow with different pulp density

對尾礦庫進行礦漿濃度對潰壩后產生泥石流流動特性的影響進行研究，獲得了如下結論：(1)礦漿在同一斷面產生的淹沒高程隨礦漿濃度的增加而呈增長趨勢，且到達同一斷面的時間隨濃度增加而逐漸增大；(2)隨著礦漿濃度增加，潰壩后形成泥石流到達同一斷面所產生的沖擊力呈逐漸減小趨勢，且隨距壩趾距離越遠，沖擊力越小；(3)同一斷面淹沒高程走勢呈三角形形狀，與理論概化線相吻合；(4)沖擊力在短時間內達到峰值，而后隨泥石流演進而逐漸減小。此結論與陳星[15]、敬小非[16]、王孟來[17]等人的研究成果相吻合，說明本試驗臺是切實可行的。

3 討論

本裝置與現有的技術相比，科學性和先進性體現在以下5個方面：(1)采用抱箍固定亞克力底板(盛放U型沖溝)實現下游沖溝的坡度變化，也可實現不同臺階情況下下游沖溝的溝谷情況；(2)尾礦庫潰口處有多種潰口類型閘門，可對尾礦壩不同潰口寬度的潰壩進行模擬；(3)下游沖溝的2側和底面全部全透明化，可清晰分析潰壩過程中礦漿的流態和演進過程；(4)彎度調節裝置可模擬不同彎度條件下，泥石流的運動規律；(5)本裝置也可對水壩潰壩或滑坡泥石流進行相似模擬試驗，大大拓寬了設備的使用范圍。

4 結論

1)本尾礦庫潰壩泥石流模擬試驗臺相比前人研究技術具有5大優勢。主要體現在：彎度調節系統可實現0～90°的彎度調節，制造出“S”和“L”等多種形式的下游沖溝；坡度調節系統可實現多種縱比降的下游沖溝；閘門裝置可實現不同的潰口形式(1/4潰、1/2潰、全潰等)，而且該試驗臺使用范圍較廣，可對水壩或滑坡泥石流等進行模型試驗。

2)通過相似模型試驗研究礦漿濃度對泥石流流動特性的影響，發現結果與多位研究學者的研究成果基本一致，說明此裝置是切實可行的。同時也獲得隨著礦漿濃度增加，泥石流在下游產生的淹沒高程及流速呈逐漸減小趨勢等新成果。

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