劉曉峰

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

尾礦庫是礦山企業(yè)生產(chǎn)中用于貯存選礦后尾礦的重要設(shè)施，也是潛伏巨大安全隱患的危險源。尾礦庫的安全穩(wěn)定不僅關(guān)系到礦山的正常生產(chǎn)運行，還關(guān)系到下游人民群眾的生命及財產(chǎn)安全。 國內(nèi)外尾礦庫潰壩事故累見不鮮[1]：2008 年山西襄汾新塔礦業(yè)“9·8”潰壩事故造成 277 人死亡；2010 年廣東信宜紫金礦業(yè)“9·21” 潰壩事故造成 22 人死亡；2014年陜西商洛場“10·4”潰壩事故造成 5 人死亡；2019 年巴西淡水河公司“1·25”潰壩事故造成235 人死亡。

導致尾礦庫潰壩事故發(fā)生的原因較多[2]，且通常是由多種致災因素疊加后共同作用的結(jié)果。 由于尾礦庫潰壩事故影響較大， 國家對尾礦庫的運行安全越來越重視，因此特別要求對尾礦庫，尤其是“頭頂庫”進行尾礦庫潰壩風險評估，研究制定治理和預防事故的措施，科學制定居民搬遷計劃。尾礦庫潰壩模擬能為尾礦庫應急預案提供依據(jù)， 指導確定安全緊急疏散路線， 對于尾礦庫災害預防及下游居民生命財產(chǎn)安全保障有著重要的意義[3]。

1 尾礦庫潰壩機理

尾礦庫潰壩的致災機理[4]主要包括滲透破壞、地震液化、壩體滑坡及洪水漫頂?shù)取?1）滲透破壞。 滲透破壞主要是由于尾礦庫庫內(nèi)水位的上升，導致尾礦庫干灘長度減小，尾礦壩壩內(nèi)浸潤線升高，最終誘發(fā)滲流破壞。2）地震液化。地震液化主要是由于堆積壩尾砂粒度較細或尾礦欠密實，在地震作用下，超靜孔隙水壓力迅速增加，導致尾砂液化，進而形成裂隙滲流通道，造成壩體失穩(wěn)破壞等。 3）壩體滑坡。 壩體滑坡主要因壩體坡度較陡、 筑壩材料黏聚力及抗剪強度較低，進而引起壩體局部或整體失穩(wěn)破壞。4）洪水漫頂。 洪水漫頂主要是因突發(fā)超標準暴雨、洪水,或排洪設(shè)施失效等，導致尾礦庫庫內(nèi)水位持續(xù)上升，致使子壩擋水，且洪水最終漫過子壩，進一步誘發(fā)了壩面拉溝、壩體失穩(wěn)坍塌及尾礦水外泄等危害。

滲透破壞、地震液化及壩體滑坡這3 類致災機理傾向于尾礦壩穩(wěn)定分析范疇，在設(shè)計過程中可通過降滲、抗液化及壩坡放緩等措施控制。而洪水漫頂則是由于出現(xiàn)了突發(fā)暴雨，且排洪系統(tǒng)堵塞失效而造成尾礦庫事故。相對前3 類潰壩方式，洪水漫頂導致的尾礦庫潰壩事故對下游影響范圍更廣，危害更嚴重。

尾礦壩漫頂潰決過程及其機理[5]可以大致描述為：洪水漫過尾礦壩，漫頂水流在重力作用下不斷沖刷尾礦壩。在尾礦庫下部位置，漫頂水流率先達到尾砂起動流速， 尾礦壩壩身的尾砂開始與漫頂水流一起形成挾砂的尾礦水進一步?jīng)_刷壩體下游。 尾礦壩壩體經(jīng)過不斷地沖刷和掏深，形成了坡度很陡的深溝。 當深溝兩側(cè)尾砂體不能維持重力作用下的穩(wěn)定時，壩體發(fā)生垮塌，使得潰口不斷變寬變深，并逐漸向上游延伸，致使更多的尾礦水流出。尾礦水流速在崎嶇地形和沿程阻力的作用下逐漸降低， 尾砂的水挾砂能力也逐步降低，最終尾砂沿程沉積。

2 模擬方法

目前對于尾礦庫潰壩模擬主要有物理模型試驗[6]和數(shù)值模擬[7]兩種方法：1）物理模型實驗。 物理模型試驗是將地形地貌等按比尺縮小制作， 根據(jù)水平向及豎向比尺縮小比例是否相同， 可分為正態(tài)模型和變態(tài)模型，然后再根據(jù)相似原理，選擇與實際尾砂相似條件較好的模型砂， 對潰壩過程及影響進行實時展現(xiàn)。2）數(shù)值模擬。數(shù)值模擬則主要通過電子計算機制作好尾礦庫庫區(qū)以及其下游周邊地形的模型，再結(jié)合數(shù)值計算軟件， 選擇好數(shù)學模型， 設(shè)置模型參數(shù)、邊界條件、初設(shè)條件及監(jiān)測點，最終通過圖像顯示潰壩過程及潰壩后對下游影響范圍及程度。 相比而言，物理模型試驗搭建耗時較長，重復性較差，造價高，而數(shù)值模擬簡便靈活，便于邊界條件的調(diào)整，重復性較好，相對經(jīng)濟。

本文以某“頭頂庫”為例，采用CFD 軟件數(shù)值模擬分析尾礦庫漫頂潰壩后的淹沒范圍及影響程度。

3 初始潰口

根據(jù)潰壩過程的時間長短，可分為瞬間潰壩與逐漸潰壩。 由于尾礦壩壩體破壞不像剛性壩體那樣瞬間潰決，且其潰口是逐步發(fā)展擴大的，故尾礦壩漫頂潰壩一般為逐漸潰壩。考慮到尾礦壩與水庫中的土壩相對較為相似，且尾礦庫漫頂潰壩的水流與水庫潰決也頗為相似，因此可用工程類比法，借用水利學中的潰壩公式[8]。為反應尾礦庫逐漸潰壩過程，在制作尾礦庫模型時，事先在尾礦壩上設(shè)置一缺口，其寬度根據(jù)黃河水利委員提出的堤壩潰口寬度經(jīng)驗公式設(shè)置：

式中：b 為潰口寬度，m；W 為水庫總庫容，m3；B 為主壩長度，m；H 為壩高，m；k 為壩體材料經(jīng)驗系數(shù)（黏土類取0.65，壤土取1.30）。

為體現(xiàn)尾礦庫潰壩后最不利情況， 初始潰口位置設(shè)置于尾礦壩最大斷面處。

4 應用成果

潰壩數(shù)值模擬應用成果見圖1~圖8。

圖1 尾礦庫及下游構(gòu)筑物模型

圖2 下游村莊監(jiān)測點

圖3 潰壩10 min 后流速云圖

圖4 潰壩20 min 后流速云圖

圖5 潰壩1 h 后流速云圖

圖6 潰壩2 h 后流速云圖

圖7 尾砂淤積厚度云圖

圖8 下游村莊尾砂厚度監(jiān)測值

5 成果分析

通過潰壩模擬結(jié)果可知：1）模擬實驗開始后，潰壩水流在勢能作用下沿預設(shè)潰口發(fā)生漫頂， 漫頂水流沖刷壩體下游側(cè)壁面，形成沖溝。 在水流漫頂10 min 后，沖溝正式形成，此時沖溝內(nèi)水流流速達8 m/s。2）隨著水流繼續(xù)沖刷壩體，沖溝迅速發(fā)育，發(fā)展成潰口， 下泄流量劇增， 流速增大， 在水流漫頂20 min后，最大水流流速達9 m/s，前端水舌已達谷口開闊地。 此處地勢開闊，水流速度下降，并造成淤積。 同時，庫內(nèi)水面下降，潰口繼續(xù)擴寬，下泄流量增大，導致下游窄谷中水位上升。3）漫頂潰壩發(fā)生1 h 后，水流開始對壩體下游村莊建筑造成影響。 此時潰口已經(jīng)擴展到最大，庫內(nèi)水面大幅度降低，下泄流量相應減小，尾砂沿程沉積于壩體下游溝谷中。4）庫內(nèi)水位逐步干涸，潰口停止發(fā)展，下泄流量持續(xù)減小，直至斷流。2 h 后，潰口下游基本無徑流，只有少部分低洼地帶還有少量水流殘存。5）在潰壩發(fā)生后，尾砂隨水流下泄，其中大部分尾砂都沉積于下游的溝谷之中，僅小部分尾砂隨水流移動至村莊低洼區(qū)沉積。 最終村莊內(nèi)僅幾棟建基面較低的建筑會受尾砂沉積影響（僅 probe3 和 probe4 監(jiān)測點附近受影響，probe1 和probe2 監(jiān)測點區(qū)未受影響），最大深度約1.8 m。

6 結(jié)論

1）通過尾礦庫潰壩數(shù)值模擬，可預測潰壩后對下游的影響范圍及程度。 據(jù)此可為尾礦庫失事提前預警、人員疏散及相關(guān)安全預防措施等提供重要的依據(jù)。

2）利用流體力學軟件對尾礦庫潰壩進行數(shù)值模擬是較新的一個研究方向，為使計算結(jié)果更接近真實工況，應結(jié)合實際潰壩案例，給模型賦予準確的參數(shù)。

3）為盡量避免或減輕潰壩造成的危害，應嚴格按照相關(guān)要求，加強尾礦庫生產(chǎn)運行管理；同時可引導找出萬一潰壩發(fā)生其潰口的位置， 即在筑壩過程中， 靠厚實山體一側(cè)較其它段的尾礦壩灘頂高程可稍低些。