中線式尾礦庫洪水漫頂潰壩演化規律模擬研究

羅志雄，王 迪，夏洪波，高尚青，李培良，呂言東

(1.應急管理部信息研究院，北京 100029；2.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083)

0 引言

近年來國內外尾礦庫潰壩事故時有發生，對人民群眾生命財產安全和生態環境造成重大損失。2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業公司“9.8”特別重大尾礦庫潰壩事故造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經濟損失9 619.2萬元[1]。2019年1月25日，巴西東南部米納斯吉拉斯州布魯馬迪紐市發生尾礦庫潰壩事故，致使超過250人死亡[2]。尾礦庫潰壩事故的時有發生，為我國尾礦庫安全運行和管理敲響警鐘。

尾礦庫潰壩原因包括洪水漫頂、壩體失穩、地震和靜力液化等因素，國內外學者采用不同的研究方法對尾礦庫的潰壩機理、影響范圍和防治措施等開展了相關的研究工作。陳生水等[3]建立的尾礦庫邊坡失穩潰壩數學模型，可考慮連續降雨條件下尾礦庫的滲流場和應力場變化、潰口和底床變化對潰壩下泄物流量過程影響；王儀心等[4]基于蒙特卡洛方法分析尾礦壩的失效概率，利用深度積分方法，模擬潰壩發生后下泄尾砂流的影響范圍及其沖擊強度；Hanson等[5]通過多次物理試驗，對高度為1.5～2.3 m的堤壩進行大規模逐漸潰壩的試驗；劉磊等[6]和張力霆等[7]采用物理模型試驗方法對尾礦庫潰壩過程進行研究，試驗成果可預測尾礦庫漫頂潰壩洪水流量及潰口變化過程，還可用于尾礦庫潰壩事故的反演分析；李火坤等[8]采用FLOW-3D軟件對尾礦庫逐漸潰壩過程進行數值模擬，分析了尾礦庫逐漸潰壩時潰口隨時間的變化過程以及潰壩后尾砂的淹沒范圍；王昆等[9]采用SPH方法對尾礦庫潰壩演進進行模擬，利用無人機攝影測量重建得到高精度正射影像與衛星遙感數字表面模型，并結合SPH算法實現更高分辨率的潰壩演進預測。在現行政策要求和同等壩高的前提下，中線式尾礦庫能獲得更大的庫容。對企業而言，在同一溝谷內能獲得更大庫容的筑壩方式具有天然的吸引力，因此我國中線式尾礦庫的數量有逐漸增多的趨勢，尤其是一些大型企業的尾礦庫多采用中線法筑壩，如江西德興銅礦4#及5#尾礦庫、山西峨口鐵礦第一尾礦庫、西藏巨龍銅礦甲瑪溝尾礦庫等，該類尾礦庫具有庫容大、總壩高較高的特點，一旦發生潰壩將對下游居民生命財產和當地的生態環境造成巨大的影響。

根據國內外潰壩事故類型統計，大多數為滲透破壞、洪水漫頂所致。與上游式尾礦庫相比，中線式尾礦庫的安全度相對較高，主要表現在大量的粗尾砂堆筑在壩前，且浸潤線的埋深較大，在嚴格按設計要求控制好堆積壩總坡比的前提下，發生滲透破壞而導致尾礦庫潰壩的可能性很小；此外，中線式尾礦庫運行過程中，壩坡會隨旋流器排出沉砂的蠕動出現上游坡陡、下游坡緩的現象，一般情況下，設計文件中會對臨時邊坡坡比、臨時邊坡高度作出要求，在浸潤線埋深極低、壩前區域堆筑粗尾砂的前提下，中線式尾礦庫有發生局部邊坡失穩、垮塌的可能性，但因局部邊坡失穩、垮塌而導致潰壩的可能性極低。針對工程實際，本文采用物理模型試驗和數值模擬方法，對某中線式尾礦庫洪水漫頂潰壩的動態過程和潰決機理進行對比分析，旨在提出可行的工程措施，科學制定減輕潰壩影響的方案。

1 尾礦庫基本概況

擬研究的尾礦庫總壩高170 m，總庫容1.9億m3，尾礦庫等別為二等庫。該尾礦庫屬于狹長型尾礦庫，尾礦庫從初期壩壩址到庫尾約有4 km，只有1個主溝，沒有支溝。尾礦庫兩岸山脊線之間的寬度1.8～2.0 km，走向為西北-東南走向。尾礦庫縱剖面示意如圖1所示。

圖1 中線式尾礦庫堆積壩縱剖面示意 Fig.1 Schematic of longitudinal section of mid-line tailings pond accumulation dam

尾礦壩筑壩區由初期壩、堆積壩、攔砂壩、排滲設施及截水溝組成。初期壩采用不透水堆石壩，堆積壩采用中線式尾礦筑壩，即始終保持堆積壩軸線與初期壩軸線重合，將旋流器均勻地布置在壩頂，分級出的粗尾砂排往下游筑壩，溢流細尾砂排往庫內，庫內灘面平均坡度約1%。在尾礦堆積壩下游最終邊線設碾壓堆石攔砂壩。在初期壩與下游攔砂壩之間鋪設排滲墊層，墊層由合理級配的新鮮碎石組成，在筑壩區兩側支溝溝谷處設指狀排滲盲溝。

尾礦庫防滲設施由庫區防滲設施和庫外防滲設施組成，庫區防滲設施采用全庫區鋪設1.0 mm 的HDPE土工膜進行水平防滲，庫外防滲設施采用截滲壩和垂直帷幕灌漿型式。尾礦庫排洪采用框架式排水井-隧洞式排洪系統。

2 物理模型試驗

作為研究尾礦庫潰壩的1種手段，尾礦庫物理模型試驗就是仿照原型尾礦庫，遵循相似的準則，縮制成模型，依據其所受的主要作用力，進行試驗研究，以模型重演與原型相似的自然形態進行觀測，取得數據，然后按照一定的相似準則引申于原型，可得原型的實際現象和性質。

2.1 模型相似條件

本模型屬于超常規的大型整體模型試驗，設計依據尾礦庫潰壩模型設計方法[10-11]和相關規范規程[12-13]，并參考泥石流模型設計的新進展[14-15]，給出如下相似條件：水流重力相似條件、水流阻力相似條件、水流挾沙相似條件、泥沙懸移相似條件、河床變形相似條件、泥沙起動相似。本次試驗選擇容重適中、化學性質穩定的擬焦沙作為尾礦庫潰壩模型試驗的模型砂。模型建立時，根據中線式尾礦庫的特點，將尾礦分層概化為2層，即旋流器沉砂部分的粗砂層和溢流部分的細砂層，以初期壩壩軸線為界限，模型的沉積灘面坡度按設計灘面坡度考慮。

2.2 試驗方法與結果

本試驗采用高速攝像機對潰壩過程、演進過程及影響范圍等進行全程詳細記錄。潰壩流量通過測量表面流速推求平均流速，查閱斷面形態資料等方式求得。

在尾礦庫庫尾設置1套降雨裝置，待水位逐漸升高淹沒至壩頂附近時，采用人工引流的方式，自堆積壩頂向上游庫區開挖1條引流道，實現人工干預的洪水漫頂潰壩試驗，如圖2所示。

圖2 中線式尾礦庫洪水漫頂潰壩模型試驗全景Fig.2 Panoramic view of model test of overcrowding dam of mid-line tailings pond

隨著水量的增加，干灘長度越來越短，水位逐漸漫流至堆積壩頂，即將開始溢流，開挖初始引流道后作為試驗開始時刻。初始泄流沿壩坡面向下沖刷形成小槽，如圖3所示。試驗過程歷時54 min時，庫區溯源沖刷距壩頂108 m左右，壩頂潰口寬度約11 m，此時初期壩下游溝道泄流情況如圖4所示。經過此段時間的泄流沖刷，堆積壩壩頂至攔砂壩之間壩面上的泄洪形成了上下貫通的狀態。歷時56 min時，洪水到達下游居民點，溝內洪水平均流速約1.52 m/s。

圖3 后期壩頂潰口位置及初始泄流情況Fig.3 Location of dam crest break and early discharge situation in later period

圖4 初期壩下游溝道內泄流狀況Fig.4 Discharge condition in channel downstream of starter dam

堆積壩底部的初期壩被泄流不斷沖刷后裸露，庫區泄流槽內由于兩側尾礦滑塌或坍塌而形成的淤積面上，在壩前約630 m處形成溯源沖刷。庫區內泄洪通道約630 m處出現尾礦滑塌并堵塞泄流，但上游泄流仍以暗流的形式從堵塞的尾礦下潛出。試驗結束后上游庫區內尾砂的沖淤狀態如圖5所示。由圖5可以看出，潰壩結束后大部分尾砂仍滯留庫內，潰口底部和兩側沖刷侵蝕嚴重，潰口處存在崩塌面。

圖5 試驗結束后上游庫區內沖淤狀態Fig.5 Erosion and siltation status in upstream reservoir area after end of test

尾礦庫潰壩后對下游的影響程度是模型試驗研究的重點。潰壩后被洪水沖刷的尾礦隨水流下泄，沿程不斷淤積。不同斷面的淤積形態與初始溝道的對比如圖6所示。試驗表明，潰壩過程持續時間約14.5 h，壩頂被泄流沖刷形成的潰口寬約289 m，尾礦庫下游溝道研究范圍內尾礦淤積約871萬m3。

圖6 潰壩后下游溝道沿程不同位置斷面淤積情況 Fig.6 Sedimentation of sections at different locations along downstream channel after dam break

通過粒子圖像測速儀PIV系統重點在初期與洪峰時對右側靠近山體的壩頂潰口、攔砂壩壩址及下游居民點附近的流場及流速進行測量，并以左岸沖刷邊界為起點進行沖淤計算，如圖7～8所示。可得攔砂壩附近最大流速11.9 m/s；最大洪峰流量為17 000 m3/s。

圖7 洪峰期攔砂壩壩址附近流場分布Fig.7 Distribution of flow field near sand-retaining dam site in flood peak period

圖8 洪峰期攔砂壩壩址斷面表面流速分布Fig.8 Velocity distribution on surface of sand-retaining dam site during peak flood period

3 數值模擬分析

中線式尾礦庫洪水漫頂潰壩數值模擬中，尾砂流體性質控制參數見表1。

表1 尾砂流體性質控制參數Table 1 Tailings fluid properties control parameters

根據所建立的整體計算模型，模擬區域包含重點研究對象(庫區及其下游居民點)，為保證計算精度并提高計算效率，模擬區域網格尺寸為1 m，總網格共計2.1億網格。將尾礦庫庫尾上游邊界設為流量邊界，潰壩初始時刻為滿庫水位，潰壩的起始時刻為尾礦庫內洪水漫頂的開始時刻，洪水填滿庫容的時間過程在本數值模擬中忽略。由于在數值模型中無法模擬尾礦壩在洪水漫頂過程中的薄弱部位，本模型在模擬時通過人為設定初始潰口來模擬尾礦壩漸潰的薄弱部位，考慮漸潰的最不利情況，初始潰口設置在尾礦堆積壩頂中部位置。尾礦庫及所在區域地形三維數值模型[16]和不同計算時刻的潰壩物質流體形態如圖9所示。從尾礦壩不同時刻的潰壩流體在溝谷內的流動形態情況來看，其演化趨勢與物理模型試驗基本一致，整體模擬計算過程中，水流沿著初始潰口不斷沖刷底部和兩側，位于壩軸線前的截面先被沖刷，隨著水量減少，沖刷速度減弱，潰口沖刷程度劇烈且形狀不規則。計算結束時，尾砂大部分滯留在庫內，堆積壩受沖刷程度較大，計算時長28 min時尾砂流到達下游居民點，數值模擬的尾砂流整體流動速度快于物理模型試驗，但尾砂在下游溝谷內的流動規律和物理模型試驗結果較接近。

圖9 不同計算時刻的潰壩物質流體形態Fig.9 Dam break material and fluid form at different calculation times

4 應急攔砂壩防治措施效果分析

以往潰壩事故表明，處于山谷地形的尾礦庫下游無攔擋工程，潰壩下泄的尾砂流具有流速快、影響距離大等特點。根據中線式尾礦庫洪水漫頂潰壩流體演進規律，考慮在初期壩下游2.5 km狹窄溝谷處，修建1座24 m高的混凝土應急攔砂壩工程，以此分析此措施的攔淤作用，如圖10～11所示。

圖10 初期壩下游2.5 km設置應急攔砂壩Fig.10 Set up an emergency sand-retaining dam 2.5 km downstream of starter dam

圖11 潰壩洪水到達應急攔砂壩前Fig.11 Dam-break flood reaches front of emergency sand dam

根據試驗結果，壩下溝道試驗范圍內尾礦淤積約845萬m3，其中應急攔砂壩以上淤積約510萬m3，應急攔砂壩下至模型出口淤積約329萬m3，如圖12～13所示。設置混凝土應急攔砂壩后，能攔滯尾礦洪水38 min，從壩頂溢流至尾砂流到達居民點位置約需94 min，表明應急攔砂壩的攔淤作用良好。

圖12 尾礦庫下游設置應急攔擋壩三維數值模型Fig.12 Three-dimensional numerical model of emergency blocking dam downstream of tailings pond

圖13 應急攔砂壩攔擋尾砂流效果Fig.13 Effect drawing of emergency sand dam for blocking tailings sand flow

數值模擬結果表明，尾礦庫潰壩過程從壩頂溢流至尾砂流到達攔砂壩需約22 min，到達下游3 km處居民點位置約需44 min。設置混凝土應急攔砂壩后，能攔滯尾礦洪水約16 min，可為下游居民爭取更多的撤離時間，一定程度上可減輕潰壩事故造成的危害。

5 結論

1)與上游式尾礦庫相比，中線式尾礦庫安全度相對較高；在遭遇洪水漫頂時，由于中線式尾礦庫外壩坡采用粗尾砂堆積，其滲透系數偏大，中線式尾礦庫潰口發展的速率較上游式尾礦庫更快，但大量的尾礦仍滯留在庫內，潰決尾礦量較小，不足總庫容的5%。

2)與物理模型試驗相比，數值模擬的演化趨勢與物理模型試驗基本一致；由于初始潰口的破壞機理不同，潰口發展的特征有所區別，采用數值模擬得出的尾砂流整體流動速度較快，但尾砂在下游溝谷內的流動規律和物理模型試驗結果較接近。

3)根據潰壩后下游溝道內的尾砂的淹沒程度，可考慮在初期壩下游狹窄溝谷處，修建應急攔砂壩工程，一是可進一步減輕潰壩對下游居民的影響，二是可為下游居民爭取更多的撤離時間。