尾礦庫潰壩影響分析

王秀龍

（遼寧智誠中安安全技術服務有限公司，遼寧 沈陽 110000）

土石壩類型尾礦庫，是國內尾礦庫占比最多的壩型。土石壩潰決過程存在很大的不確定性，絕大多數的數值計算方法和由以往潰壩資料推導出來的經驗公式都不能很好的運用于土石壩潰決過程，因為土石壩的潰決過程是一個隨潰口寬度和深度增加而逐漸潰決的過程。在潰決過程中，潰口流量過程是潰口形狀變化的函數，且該函數一般是非線性的，要求出這種函數關系式不容易，需要作進一步的研究。

根據現有的研究成果，泥沙顆粒的運動是一個跨尺度、多物理過程相耦合的復雜過程。傳統泥沙運動力學中幾個核心問題采用的理論方法及其局限性見表1。由此可以看出，傳統泥沙運動力學中的理論尚難以準確描述挾沙水流的運動特征。

表1 傳統泥沙運動力學中的理論方法和存在問題[1]

目前針對尾礦庫潰壩分析，學者們主要通過建立物理模型進行水工試驗，但建立水工模型進行試驗不僅時間成本高，而且經濟成本也較大，不易實現；也有學者基于Fluent、Flow等軟件進行數值模擬，但操作性不佳，對于一般礦山企業和技術人員，難以完成。因此，探尋和提出一個現階段理論和經驗支持下比較可信、易操作、經濟性較好的尾礦庫潰壩影響分析方法，是尾礦庫安全技術工作的迫切需要。

郭維東等認為，根據以往潰壩洪峰流量、淹沒歷時與庫區泥沙中值粒徑值有關[2]。由于各類礦物經濟價值、理化性質的不同，磨礦粒度也不盡相同，筆者本次研究以我國最常見的磁選鐵礦尾砂為主要研究對象。通過分析水利行業對各類泥石流的研究成果，結合尾砂粒徑和尾砂堆放特點，提出一個專適用于礦山尾礦庫的潰壩影響分析。對于尾礦庫潰壩原因分析及安全防治具有重要的理論和實際意義。

1 潰壩泥石流演進

（1）泄砂總量。泄砂總量的取值主要取決于庫區呈飽和狀態的尾礦砂。對于水邊線距離壩軸線較遠的尾礦庫，泄砂總量的計算可按尾礦砂的物理力學性質利用邊坡穩定分析的方法，確定最危險滑弧，然后進行估算泄砂總量。對于水邊線距離壩軸線較近的尾礦庫，泄砂總量取某一高程以上的全部庫容。某一高程可以是初期壩以上，因初期壩一般建設標準較高，發生潰決的可能性相對較低。以圖2的地形舉例，圖中尾礦庫A溝庫長較長，水邊線較遠，即使發生標準洪水，也能確保符合標準的灘長，這種尾礦庫發生潰壩可能性較小，可以按照典型斷面的危險滑弧估算這部分泄砂總量；B溝庫長短，壩前尾砂很容易飽和，這部分按某一高程以上全部庫容估算泄砂總量。

（2）潰口寬度。黃河水利委員會水利科學研究院于20世紀70年代就小浪底水庫進行了水平比例為1/1000和垂直比例為1/100的潰壩模型試驗，總結了潰壩流量過程經驗公式：

式中：b—潰壩決口平均寬度，m；W—泄砂總量，104m3；B—潰壩時壩頂長度，m；H0—潰壩水頭或潰壩時壩前水深，m；k—與壩體土質有關的系數，粘土取0.65，壤土取1.3。

（3）壩址處最大流量。壩址處最大流量因河槽、潰壩缺口等因素有不同的計算方法，考慮最危險情況，即壩址處可出現的最大流量，假定下游河槽為矩形，尾礦庫潰決屬于部分潰壩的特點。依據肖克列奇經驗公：

式中：Qmax—壩址處最大流量，m3/s；H0—潰壩時壩前上游水深，等于尾礦庫最大壩高減去壩前淤深和校核水位距壩頂的距離，m。

（4）潰壩下游流量。潰壩下游流量計算，由經驗公式：

QL—距壩址控制斷面潰壩口距離L處時，最大流量，m3/s；L—控制斷面距尾礦庫壩址的距離，m；Vmax—特大洪水的最大平均流速（山區取3.0～5.0，m/s，丘陵區取2.0～3.0，平原區取1.0～2.0），取3.0；K-經驗系數（山區取1.1～1.5，丘陵區取1.0，平原區取0.8～0.9），取1.1。

黃委水利委員會水力科學研究所根據實際資料分析，VK值應取下列數值：山區河道，VK=7.15；半山區河道，VK=4.76；平原河道，VK=3.13。

（5）潰壩洪水傳播時間。潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠，波速削減越快。黃河水利委員會水利科學研究院根據實驗求得潰壩洪水傳播時間及概化流量過程線如下：

式中：K1—系數，取平均數為0.0007；t1—洪水到達時間。

（6）泥石流流速。泥石流流速是反映泥石流運動力學的最重要的特征值，同時也是泥石流防治工程設計的基本參數。尾礦壩潰壩的流體是黏性較大的尾礦砂與水的混合體，體現出較強的非牛頓流體特征。吳積善等分析了國內的黏性泥石流流速公式，認為可按泥石流阻力大小分為低阻型、中阻型及高阻型泥石流計算公式。查閱國內一些鐵礦選廠尾礦特性表，尾砂加權平均粒徑一般在0.05mm左右。結合吳積善研究成果，尾礦庫潰壩引發泥石流，在不考慮與下游河床交換的情況下，屬于中阻型粘性泥石流。這類泥石流的流速可按照楊針娘公式進行計算：

式中：K—斷面平均流速系數，一般取0.7；Hc—泥沙深；Jc—平均坡降。

（7）泥石流淤積厚度。泥石流的危害特點：稀性泥石流以沖刷為主，粘性泥石流以淤積掩埋為主。因此研究尾礦庫的潰壩影響，研究淤積厚度意義重大。泥石流的淤積厚度可通過泥石流體的容重、淤積坡度和泥石流體的屈服應力計算得出。

式中：H—泥石流最大淤積厚度，m；t—泥石流漿體屈服應力，Pa；θ—下游河道平均淤積坡度，°；g—重力加速度，9.8m/s2；ρ—泥石流漿體容重，kg/m3。

泥石流漿體的屈服應力參照下表選取：

圖1 屈服應力和礦漿濃度間關系

（8）泥石流沖擊力。泥石流防治工程需要考慮泥石流的沖擊力，尾砂泥石流沖擊力按照均質漿體的動壓力計算。

式中：f—單位面積沖擊力（KN/m2）；γ—泥石流重力密度（KN/m3）；v—泥石流流速（m/s）；

2 工程實例應用

某尾礦庫總庫容20萬m3，總壩高22m（標高604m～626m），壩軸線長110m，假設潰壩時壩前水深1.5m。按照本文提出的方法，對下游敏感建筑物進行分析如下。

表2 工程下游建筑物數據分析

影響分析：辦公室標高605m，距離壩腳直線距離130m，與尾礦壩之間區域為狹長溝谷，谷底標高580m，坡向東南，溝底無地面設施。谷底標高加泥沙厚度為580.55m，未達到辦公室地面標高，因而尾礦庫潰壩對辦公室不構成威脅。

如果經計算泥沙會沖擊敏感建筑物，需要設計擋墻進行防護，這時候就會2.8節提出的公式對擋墻進行驗算。

3 結論

（1）運用本文提出的方法基本可以對尾礦庫潰壩造成的泥石流影響進行一定的評估，從而確定其影響范圍，影響程度，預先做好防災措施。

（2）由于泥石流的復雜性，本文介紹的方法需要具備以下適用條件：尾礦庫類型為土石壩、尾礦壩為逐漸潰決、尾砂加權平均粒徑在0.05mm左右、不考慮形成泥石流后與下游河床的物質交換、假定下游河槽為矩形。

（3）泥石流淤積遠端確定、堆積扇上建筑物的阻擋效應、更多案例驗證等問題需要在將來的工作中考慮并進一步研究。

（4）由于尾礦潰壩泥石流的事故案例有限，且披露不詳，需要收集資料對方案做進一步的校核。