基于SPH模型的尾礦庫潰壩風(fēng)險模擬研究

摘要：作為一種具有高勢能的危險源，尾礦庫可能發(fā)生潰壩事故，進而產(chǎn)生泥石流，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的深度積分方法在模擬泥石流演進過程時存在局限性，而光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是一種新型的數(shù)值模擬方法，可以彌補傳統(tǒng)方法的缺陷。以攀枝花市某尾礦庫為例，構(gòu)建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流的演進過程，獲得泥石流的流量數(shù)據(jù)，研究潰口寬度與深度對泥石流演進特征的影響。模擬結(jié)果與實際情況較為吻合，因此SPH模型可以有效模擬尾礦庫潰壩風(fēng)險。研究結(jié)果為尾礦庫安全管理和風(fēng)險防控提供新方法，有利于保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全，促進礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：尾礦庫；潰壩風(fēng)險；光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD926.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.026

Simulation Study on dam failure risk of tailings Ponds based on SPH model

ZHOU Yuxi1， ZHANG Xinxin1， FAN Meng2

（1. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China;

2. Changshou District Emergency Management Bureau of Chongqing City， Chongqing 401121， China）

Abstract： As a hazardous source with high potential energy， tailings ponds may experience dam collapse accidents， leading to mudslides and causing serious casualties and economic losses. The traditional depth integration method has limitations in simulating the evolution process of debris flows， while Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） is a new numerical simulation method that can compensate for the shortcomings of traditional methods. Taking a tailings pond in Panzhihua City as an example， a SPH model for dam failure debris flow is constructed to simulate the evolution process of debris flow under different working conditions， obtain flow data of debris flow， and study the influence of breach width and depth on the evolution characteristics of debris flow. The simulation results are in good agreement with the actual situation， so the SPH model can effectively simulate the dam failure risk of tailings ponds. The research results provide new methods for the safety management and risk prevention of tailings ponds， thereby ensuring the safety of people’s lives and property and promoting sustainable development of the mining industry.

Keywords： tailings ponds; dam failure risk; Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）; numerical simulation

尾礦庫是一種具有高勢能的危險源，其安全管理一直是礦業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。受自然因素和人為因素影響，尾礦庫可能發(fā)生潰壩事故，進而誘發(fā)泥石流，這不僅會造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-5]，還會對當?shù)丨h(huán)境造成長期且嚴重的污染[6]。因此，尾礦庫潰壩風(fēng)險評估至關(guān)重要。在尾礦庫潰壩風(fēng)險研究中，數(shù)值模擬發(fā)揮著越來越重要的作用[7-15]。傳統(tǒng)的深度積分方法能夠模擬泥石流的演進過程，但無法準確描述復(fù)雜地形條件下泥石流流動特性，忽略泥石流內(nèi)部的相互作用，使得模擬結(jié)果往往與實際情況存在較大的偏差。因此，尋找一種更為先進、準確的數(shù)值模擬方法成為尾礦庫潰壩風(fēng)險研究中急待解決的問題。

近年來，作為一種新型數(shù)值模擬方法，光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）

逐漸嶄露頭角，其在處理復(fù)雜流體動力學(xué)問題方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[9]。SPH模型具有計算精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使得其在處理尾礦庫潰壩泥石流等復(fù)雜流體動力學(xué)問題時具有較大的應(yīng)用潛力。目前，尾礦庫潰壩泥石流模擬研究較少。尾礦庫潰壩泥石流具有獨特的流動特性，地形地質(zhì)因素較為復(fù)雜，這就需要針對其特點進行專門的模擬研究。以攀枝花市某尾礦庫為例，構(gòu)建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流演進過程，分析泥石流的流動特性、堆積規(guī)律以及影響因素。

1 SPH模型建立

該尾礦庫堆積壩長度約為1 200 m，寬度約為170 m，高度為50 m，設(shè)計壩頂標高約為1 000 m。建立SPH模型，模擬該尾礦庫潰壩而形成泥石流的過程。尾礦庫模擬范圍如圖1所示，東南側(cè)有河流穿過。研究區(qū)地形起伏較大，其地貌線、三維幾何模型和SPH模型分別如圖2、圖3和圖4所示。根據(jù)SPH模型的需要，模擬設(shè)置2種工況，即寬深潰口和窄深潰口。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 寬深潰口工況

在寬深潰口工況下，隨著時間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發(fā)生明顯變化，如圖5所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，尾礦庫潰壩形成的泥石流啟動后，經(jīng)過7 min左右便抵達溝口，溝口流量峰值達到2 250 m3/s。泥石流發(fā)生17 min時，部分河道已堵塞。泥石流發(fā)生2 h后，隨著尾礦庫內(nèi)剩余尾礦的逐漸消耗，泥石流流量逐漸下降，最終接近0 m3/s。

2.2 窄深潰口工況

在窄深潰口工況下，隨著時間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發(fā)生明顯變化，如圖6所示。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，泥石流啟動后，經(jīng)過8 min左右便抵達溝口，比寬深潰口工況稍慢一些。泥石流發(fā)生15 min時，部分河道已被堵塞，與寬深潰口工況較為一致。隨著時間的變化，泥石流流量逐漸減小，并呈現(xiàn)出間歇性流出的特征。經(jīng)數(shù)值模擬，泥石流的潰口流量峰值約為1 000 m3/s，泥石流發(fā)生1 h時，溝口流量逐漸下降至100 m3/s。窄深潰口工況下，尾礦庫潰壩泥石流的最終堆積情況與寬深潰口工況較為相似，但窄深潰口工況的流量較小，最終堆積范圍也稍小一些。

3 結(jié)論

不同潰口工況下，構(gòu)建SPH模型，模擬尾礦庫潰壩泥石流演進過程。結(jié)果表明，SPH模型模擬效果優(yōu)異，能夠獲得較為準確的泥石流流量數(shù)據(jù)。尾礦庫潰壩泥石流流量與潰口寬度、深度的相關(guān)性較強，相比潰口寬度，潰口深度對泥石流流量的影響更大。總體來看，寬深潰口工況的潰壩泥石流規(guī)模大于窄深潰口工況。

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