尾礦庫砂筑壩漫頂潰決模擬分析研究

李海濤

(宜昌市水利水電勘察設計院有限公司，湖北 宜昌 443005)

尾礦庫砂筑壩漫頂潰決分析研究，是尾礦庫砂筑壩工程安全建設必不可少的技術方面和工程組織實施的段落節點。本文參考尾礦庫壩工程案例和尾礦庫壩漫頂潰決基本原理，以模擬實驗和FLOW-3D比對計算分析的方式，重點圍繞不同筑砂粒度對尾礦庫砂筑壩漫頂潰決的影響關系，開展尾礦庫砂筑壩漫頂潰決專題分析研究，以為同類工程應用提供研究和技術參考，助力建設壩體結構更牢固、安全運行更長久的尾礦庫砂筑壩工程。

1 尾礦庫壩漫頂潰決原理概述

1.1 潰口層削與陡落坎沖淘刷

沙性土砂石壩漫頂潰決過程中，潰決面遭遇水流層削，越來越平整，潰決口一般都呈倒梯形擴大狀態。沙性土砂石壩漫頂層削潰決過程見圖1。圖1中的1-2層面為潰決初期的毀削層面，3-7層面為潰決發展階段的毀削層面。

圖1 沙性土砂石壩漫頂層削潰決過程簡圖

而黏結性土砂石壩的潰決口早期更趨于輕微梯階狀。隨潰決發展，沖損面從下游面漸次向上游面過渡，潰決口漸次加大，見圖2。圖2中的1-4層面為潰決初期的毀削層面，5-7層面為潰決發展階段的毀削層面。

圖2 黏結性土砂石壩漫頂層削潰決過程簡圖

選礦篩出的尾礦砂粒度多數小于0.074 mm，顆粒組分多數大于50%。故尾礦庫壩通常屬于黏結性壩體，尾礦庫壩漫頂潰決更相似于黏結性土砂石壩的漫頂潰決過程。尾礦庫壩漫頂潰決早期，壩趾裂縫區域有微小陡落坎形成。潰決陡落坎狀態見圖3。

水流在陡落坎處因底床回彈形成一個反向渦漩，在跌水面垂向形成剪切應力，沖刷底床并對下坡面形成淘刷，使下側坡面失穩，逐漸形成塌方。此后陡落坎向上側壩面漸次發展擴大，直至壩身潰決，有時甚至可能在下側壩身沿坡面構成梯階狀的數個陡落坎。

圖3 潰決陡落坎狀態示意圖

1.2 漫頂潰決流態分區

基于流態演繹和壩身沖蝕程度，尾礦庫壩漫頂潰決一般可劃分為a、b、c共3個不同區域，見圖4。

圖4 漫頂潰決流態分區

圖4中a區域為尾礦庫壩上側壩面，在開始漫頂時呈緩流狀態，水頭牽引力、流動速率、坡降均較小，只有極易被沖刷材料所筑成的壩身才會于此出現沖損。b區為緩流到急流的過度區域，水頭坡降、流動速率、牽引力急劇加大，上下壩面交界周圍若存在裂隙，可能會出現沖損。c區系急流區，幾乎蓋覆全部壩身下側，坡面土體受到水流的牽引力變得很大。此區域因為壩面間斷或者連續急速坡度演變，可能導致這種牽引力在此間某處某點更集中，從而更有可能沖刷損毀壩面。

c區域一般會首先發生沖損，且發生在壩趾的概率相對更大。先是出現沖損小坑，之后沖損面不斷變寬放大，沿坡面向上蔓延，繼而發生陡落坎沖損，發生潰決口，導致壩頂下降，過流量激增，直至庫壩潰決。

2 案例工程及實驗模擬簡介

2.1 案例工程簡介

某永平銅礦燕倉尾礦庫壩屬枝狀沖溝山谷型Ⅲ等尾礦庫壩，設計最終積淤高度150.0 m，總庫容設計6 600×104m3。該工程擁有5座壩體：分別為主壩1#和副壩2#-5#。副壩2#-5#早期為塊石護坡的黏土均質壩，主壩1#早期為斜墻黏土堆石壩。2#壩和3#壩設有坡腳排水棱體。淤積壩設計子壩內坡比為1∶1.5，外坡比1∶4，高程為2.5 m。

2.2 實驗建模及相關參數

實驗在當地工程安全實驗場地進行。創建未封閉尾部和上部的、規格為24 cm×30 cm×30 cm(長×寬×高)的開放透明式實驗玻璃水槽1座，一側槽體底部留有實驗中以橡膠塞封的直徑3 cm的開口。一個規格為46 cm×34 cm×27.5 cm(長×寬×高)的塑料收集箱，于實驗槽尾部下方，收集下泄流水。從案例庫壩處采集尾砂1 800 cm3，借助篩分儀以0.25～0.5和0.074～0.25 mm的差異粒度篩分成兩組。為使模型壩身密實均勻，避免發生顯著薄弱點，實驗尾砂烘干后給與再碾碎處理。模型斷面規格見圖5。模型實驗組尾砂材料基本參數見表1。

圖5 模型壩斷面規格

表1 模型實驗組尾砂材料基本參數

2.3 操作步驟

1) 清理擦拭干凈實驗槽并填砂，邊界標志以有色膠帶，自然堆積尾砂。

2) 在模型壩的上側，靠近玻璃槽體兩側處，自然均勻堆積少量尾砂，以使壩身兩側高于上側壩面的中間部分。

3) 將貼有貼尺的透明塑料收集箱放在玻璃槽體尾部泄流部位，以手機監測拍攝塑料箱內的水位狀態。

4) 以1 000 ml量筒測定水管過流量，按比例將過流量控制在0.1 m3/h左右，要求誤差不小于10%。

5) 在玻璃槽體尾部和側邊分別架設攝像機，觀測記錄沖損坑的進展、尾砂的淤積以及壩面潰決口發生時間和發展過程。

6) 在玻璃槽體中壩身的上側，斜插粘有土工布的木板，盡量使玻璃槽體與土工布間沒有間隙。隨后在土工布及木板上方固定已經調整好過流量的水管。

7) 給水開始漫壩過流。

8) 觀察漫頂潰決過程及現象。

9) 崩潰出現后，潰決口通過幾分鐘的變深變寬發展后，關掉給水，將木板取走，并拍攝記錄壩體崩潰狀況及潰決口最終形態。

10) 蒸發掉實驗壩體的表面液體至方便測定，用卷尺及游標卡尺測定底部、中部和壩頂潰決口的深寬等數據，測定下游淤積灘尾長及兩側高度，可通過寬高比算出淤積灘與槽體底面的夾角。

11) 參考塑料收集箱的水位演變錄像，繪制過流量與時程的關系曲線，觀察崩潰進程，統計試驗總耗時及壩體開始崩潰的時間點。

12) 向ACUTE-3D輸入工作參數合成三維圖像。輸出相關分析表格和圖形。

3 實驗結果比對分析

3.1 時程過流量關系比對

參考3組尾砂的數據參數實施比對能夠發現，模擬顆粒越細，壩體出現崩潰的時間點越遲，導致過流量發生明顯變更的時間點也越遲。3組模擬模型的潰決口發生的時間點，其前后相差小于10 s，潰決口擁有一定寬度時過流量才開始出現演變，因此重點比對在模擬實施到60～100 s時間段的過流量演變。3組尾砂模擬后的60～100 s內的時程過流量曲線見圖6，3組模擬完整的過流量曲線比對見圖7。

圖6 基于局部時間流量變化的分析曲線

再比對3組模擬過流量引發潰決口的演變狀態能夠發現，每當潰決口發展到一定寬度時，下游過流量會急劇攀升。兩組單一粒度的尾礦庫壩模擬過流量突變時，潰決口斷面見圖8及圖9。

粗粒度壩身潰決口深約0.15 m、寬約0.48 m，細粒度壩身潰決口深約0.18 m、寬約0.35 m，這與試驗后粗細粒度最終潰決口形狀和深寬規律基本一致。總體看來，越大粒度的尾砂所筑壩身出現潰決口后，其下游側過流量越大，直到壩身表面沖平后，過流量才會基本處于穩定，不再出現明顯演變。

圖8 基于0.25～0.5粒度的過流量突變時的潰口斷面

圖9 基于0.074～0.25粒度的過流量突變時的潰口斷面

3.2 潰決口深度演變比對

取坐標(15,0.25,0.15)設置一個位處壩頂開口部位的點，原點取該點，制作一個新坐標系，Y軸正方向取該點垂直玻璃槽體底部線。參考時程與該點到流面距離的關系，繪制分析曲線，當作壩頂側潰決口的深度值與時間演變關系的分析曲線，見圖10。

比對3組出現潰決口的時間，細粒尾砂在潰決口發生時，潰決口深度值較另兩組粒度更大的尾礦庫壩要小，并且潰決口加深的速率也小于另兩組，與實驗得出觀察結果相一致。經過分析曲線能夠明顯看到，壩體崩潰進程中，潰決口常出現突發性加深的現象，此深度值驟然加大的現象與試驗時壩體崩潰進程中沖損溝呈梯階狀塌陷、陡落坎上爬后導致潰決口也忽然下陷加深的現象擁有一致性。比對不同粒度狀態能夠發現，最細粒度對應出現突發性陷塌的次數為最少。

圖10 基于3組粒度模擬的潰決深度與時程關系曲線

4 結 論

本文參考尾礦庫壩工程案例和尾礦庫壩漫頂潰決基本原理，以模擬實驗和FLOW-3D比對計算分析的方式，圍繞不同筑砂粒度對尾礦庫砂筑壩漫頂潰決的影響關系，開展了尾礦庫砂筑壩漫頂潰決分析研究。主要結論如下：①闡述尾礦庫壩漫頂潰決基本原理；②結合案例工程開展尾礦庫壩漫頂潰決模擬實驗；③對實驗結果進行比對分析；④分析驗證了3種粒度的模擬壩身出現潰決口的時程表現跟模型實驗觀測結果基本規律一致；⑤分析驗證了越大粒度的壩身潰決后下游的過流量越大，并且過流量的變動率也越大。⑥分析驗證了不同粒度壩體潰決口崩潰發展規律與模型實驗觀測結果也基本一致，細粒度壩身潰決口更寬更淺，粗粒度壩身潰決口更窄更深。⑦分析驗證了數值模擬計算所得過流量時程關系規律，可以當作工程模擬實驗的定性規律參照，也可以為不同粒度壩身漫頂潰決進程的差異性及尾礦庫壩漫頂潰決發展規律提供分析參照。