基于FLUENT某尾礦庫潰壩數值分析

石滿生

（江西天億礦業有限公司，江西 貴溪 335424）

1 引言

傾 大多數尾礦壩依山而建，下游不乏人口密集區、重要建構筑物、交通要道和河流等，一旦潰壩，給下游人民生命和財產安全帶來嚴重危害，且污染下游生態環境［1,2]。因此，尾礦庫潰壩災害成為礦山防災減災的重要難題，深入研究尾砂流滑運移特征及對下游區域建構物的影響范圍，具有重要的現實意義［3,4]。李彥娥等［5]采用單溝泥石流經驗預測公式對尾礦庫潰壩后泥石流覆蓋范圍及影響程度進行定量分析評價。皇甫凱龍等［6]應用二維潰壩水流數值模型和尾礦壩潰決砂流數值模型，分別模擬某尾礦壩潰決洪水、砂流運動狀況。劉磊等［7]對尾礦壩潰口及壩體崩塌變化過程、下泄洪水演化過程等進行觀測。郭天勇等［8]建立潰壩滑坡體滑移距離的計算公式，分析擴散角、空氣阻力、殘余強度、撞擊動壓力和攔擋壩等對滑移距離的影響。

尾礦庫潰壩作為一種災害事故具有瞬間爆發性和很強的破壞性，要想得到真實可靠的潰壩現場監測數據是非常困難的，并且需要巨大的人力和財力的投入［9]。本文針對尾礦庫潰壩事故特點，把由尾砂和水組成的固液混合物視為均質、連續、不可壓縮的非牛頓流體，建立潰壩尾砂流滑數值模型，采用FLUENT軟件模擬潰壩尾砂的流滑運移過程，探究潰決尾砂流滑影響范圍，為尾砂潰壩災害的預報與災害的防治提供理論支撐與技術指導。

2 工程簡況

該尾礦庫位于選廠北側長約1600m，寬約400m的條帶狀溝谷中，植被茂密，清泉長流。最終堆積壩頂高程為310m，初期壩軸線底部最低高程為235m，計算尾礦壩最大壩高Hmax=75m，尾礦庫的總庫容為247.75×104m3。根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863-2013）［10]，該尾礦庫為三等庫，庫內主要水工構筑物為3級，次要構筑物為5級，臨時構筑物為5級。具體地形分布見圖1。尾礦庫下游有公路、河流，防護山脊下有居民區。

圖1 尾礦庫地形

3 FLUENT計算原理

尾礦庫潰決后，庫內尾水夾帶尾礦形成泥漿一起沖向庫區下游，對下游建構物造成巨大沖擊。把潰壩所形成的泥漿體看作是空氣和泥砂的兩相流體，可用歐拉-歐拉模型來描述其運動。在歐拉-歐拉模型中，不同相被認為互相貫穿的連續介質。體積率是空間和時間的連續函數，各相的體積率之和等于1.0。從各相的守恒方程可以推導出一組方程，這些方程對于所有的相都具有類似的形式［11]。從實驗得到的數據可以建立一些特定的關系，從而能使上述方程封閉，另外，對于小顆粒流（Granular Flows），則可以通過應用分子運動論的理論使方程封閉。在歐拉-歐拉模型中，常見的模型有三種，分別為：流體體積模型（VOF）、混合物模型及歐拉模型。

經過驗證，選用流體體積模型（即VOF模型）對尾礦壩潰壩水砂流的運動過程進行數值模擬比較合適［9]。水氣界面的追蹤可通過求解相體積分數F的運輸方程完成

4 潰壩數值模擬

4.1 計算模型

根據模擬現場壩體幾何尺寸，確定尾礦庫潰壩的計算模型。為了方便模型的建立、降低硬件資源消耗和縮短計算時程，將實際情況進行了適當簡化，如庫內溝谷上大下小斷面，折算成一個寬度的斷面，下游坡度和落差按實際地形確定，所建模型重點考慮潰壩水砂流對下游左側民宅的影響。壩體外坡為1∶4，總壩高為75m，庫容量為250萬m3，模型如圖2所示。

圖2 計算模型

假設尾礦庫潰壩是在最不利的情況下發生的，也就是瞬間全潰并且潰決水砂量最大的情況。經估算并結合現場情況，綜合確定模型壩體部分的尺寸，本文分析以壩高75m情況下潰決水砂流的流動過程模擬，一種是未采取防范措施，另一種是在下游228m平臺處修3m高混凝土擋土墻，通過模擬觀察潰壩水砂流的淹沒過程和壓力變化情況。

根據類似工程有限元數值分析的經驗，結合現場實際情況，確定邊界條件。由于該尾礦庫建在山谷中，則計算區域的下游斷面為開邊界，上游、兩岸和地面為閉邊界。

4.2 材料特性定義

在FLUENT中對多相流的設置中需要一些材料參數，這些參數是進行模擬的基礎和成敗的關鍵。根據現場取樣尾礦的物理力學性質測試的結果，以礦漿濃度為40%，下游溝谷按實際坡度和落差，潰決形式為瞬間全潰為基礎，參照國內外有關尾礦漿和泥石流等相關資料，綜合分析后，確定出各計算參數，見表1。

表1 模型計算參數

4.3 結果分析

建立幾何模型后，設立邊界條件，導入到FLUENT程序中，檢查網格質量，輸入計算參數，進行計算。

從圖3可知，10～20s時間段下游淹沒區增長最快，這主要是初期壩下游有一個7m的臺階落差，使得此段水砂流速度很大。由于下游左側突出防護小山體的阻擋作用，使得洪峰最高中心往遠離民宅方向發生了偏移，這大大減小了下游民宅的防洪壓力。在36s時刻，淹沒民宅區范圍最大，漫流水砂遇到民宅阻擋，水位抬到5m多高，對房子形成一定的沖擊壓力，整個影響時間大約在15s左右。在44～46s時間段，下游河邊的淹沒區最大，然后隨著上游水位的下降和下游的泄流，淹沒區緩慢減少。

圖3 不同時刻潰壩泥砂流的運行情況

針對上述模擬結果，經過實地調研并與業主充分討論，本著安全、經濟與實用的原則，擬采取在228m平臺處靠近民宅一側修建一3m高混凝土擋墻，以預防水砂流漫到居民區，起到保護民宅的作用。對比圖3（d）與圖4可知，修建擋土墻后，在同一時刻（36s），潰壩尾砂對民宅的影響大大減小。

從圖5可知，在潰壩泥砂作用下，增設擋土墻的總壓應力先增大后減小，在20s時最大，此時主要是上游尾礦從臺階上沖下，對下游平臺有較大的沖擊力所致，所以擋土墻設置處的防護措施應嚴格到位。隨著下游水砂的下泄，總壓應力總體上越來越小。

圖4 36s時潰壩泥砂流的淹沒情況（修筑擋墻后）

圖5 擋土墻總壓應力隨時間的變化

5 結 論

（1）為了減小潰壩發生的概率，汛期應加強對排洪系統、壩體的巡查，確保排洪系統完好暢通及壩體完好。

（2）事先對壩體潰壩數值進行研究分析，做好應急預案及防護措施，確保下游人民生命財產安全、減少對下游流域生態環境帶來的影響。

（3）采用FLUENT軟件模擬尾礦庫潰壩后泥砂流滑運移特征及影響范圍，進一步豐富了尾礦庫潰壩災害風險防范的手段，為業主在尾礦庫的安全管理及風險防范提供參考。

（4）本案由于下游坡度較陡，河谷狹窄，未采取任何措施時，尾礦庫潰壩水砂流會漫到居民區，對下游左側民宅存在一定影響。采取修建1處3m高的混凝土擋土墻，預防尾砂流對民宅的影響，從分析結果來看，取得較好防護效果。