張學(xué)

（云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司）

尾礦壩一旦發(fā)生潰壩事故，不僅影響生產(chǎn)正常進(jìn)行，而且會(huì)造成下游人員生命和財(cái)產(chǎn)損失，對生態(tài)環(huán)境造成污染，帶來巨大的社會(huì)負(fù)面影響［1-2］。眾多學(xué)者將數(shù)值模擬引進(jìn)尾礦庫潰壩的分析，進(jìn)行了大量的研究實(shí)踐，工作成本得到節(jié)約、效率得到提升。為驗(yàn)證在建成的尾礦壩基礎(chǔ)上加壩建設(shè)的可行性，有必要進(jìn)行尾礦庫潰壩影響范圍模擬分析，為尾礦庫安全運(yùn)行和管理提供參考。

以小麥地尾礦庫潰壩影響范圍模擬分析為例，借助FLUENT軟件進(jìn)行潰壩數(shù)值模擬，通過構(gòu)建尾礦庫下游三維模型，模擬尾砂和水流從潰口流出后的流動(dòng)狀況及其時(shí)程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出潰壩影響范圍，為企業(yè)尾礦庫安全生產(chǎn)管理和三期加壩計(jì)劃提供指導(dǎo)。

1 工程概況

小麥地尾礦庫是云南云天化股份有限公司和以色列化工合資云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司（簡稱公司）下屬浮選廠磷礦石浮選尾礦堆存場所，位于云南省昆明市西山區(qū)?？诮值擂k事處小廠村，距離公司浮選廠直線距離4.5 km，下游北東為小廠村，上游西為董家村、東為柳樹村，交通較為方便。尾礦壩場地為一不對稱的“V”型侵蝕谷地，壩基處谷底寬約50 m，第一、第二期壩頂高程為2 142 m，谷口寬約300 m。庫區(qū)氣候?qū)僦衼啛釒Ц咴竟?jié)型氣候，年平均蒸發(fā)量為1 179.16 mm。地區(qū)地震烈度為8度。

小麥地尾礦庫于2007 年建成投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)總庫容為1 112 萬m3，設(shè)計(jì)總壩高為85 m，庫區(qū)匯水面積約1.3 km2，屬三等庫。分3期建設(shè)，第一、第二期壩為一次建壩，第三期壩采用模袋法分級筑壩。根據(jù)昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司編制的《云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司小麥地尾礦庫三期加壩工程可行性研究報(bào)告》（簡稱可研報(bào)告），第三期加壩按照1∶4.0 的平均坡比采用模袋法充填填筑子壩，由2 142 m 高程增加至2 157 m 高程，每級子壩高3 m，共5 級模袋，新增壩高15 m，達(dá)到設(shè)計(jì)總壩高85 m，新增加有效庫容約366 萬m3，達(dá)到設(shè)計(jì)總庫容1 112 萬m3。鑒于尾礦庫庫容接近第二期有效庫容681 萬m3，第三期加壩需如期開展，涉及到壩體穩(wěn)定性和潰壩安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 尾礦庫潰壩數(shù)值模擬分析

2.1 工程情況

小麥地尾礦庫屬于山谷型，壩址選擇在溝谷口相對狹窄處，一旦發(fā)生尾礦壩潰壩，社會(huì)影響巨大。在設(shè)計(jì)、施工、管理等諸多影響尾礦壩壩體穩(wěn)定性的原因方面，結(jié)合小麥地尾礦庫現(xiàn)狀安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查分析，存在的潰壩風(fēng)險(xiǎn)主要為洪水漫頂、壩坡失穩(wěn)、滲流破壞、地震液化、壩基強(qiáng)度不足等結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致潰壩。潰壩形式主要分為壩體瞬時(shí)全面潰壩和局部潰壩，局部潰壩又可分為瞬時(shí)局部潰壩以及壩體逐漸潰壩［3］。由于水流的沖刷作用及壩體的坍塌使得潰口隨著水流沖刷時(shí)間越來越大，潰壩流量不斷增加，造成大面積潰壩或全面潰壩，庫內(nèi)水位會(huì)隨作用時(shí)間的增加而下降，并且水流沖刷能力也會(huì)減弱，直至潰壩過程結(jié)束，如果在發(fā)生潰壩的早期能夠及時(shí)采取預(yù)防措施進(jìn)行治理，便能夠有效降低潰壩事故的危害。

小麥地尾礦庫原第一期、第二期工程為一次性筑壩的碾壓碎石土壩，穩(wěn)定性驗(yàn)算表明：現(xiàn)狀尾礦壩體在正常、洪水、特殊運(yùn)行3 種工況條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足規(guī)范要求，結(jié)合日常壩體位移、浸潤線、滲漏量觀測結(jié)果，得出已建成的第一期、第二期尾礦壩穩(wěn)定性較高，發(fā)生潰壩的概率較低。

故此次小麥地尾礦庫潰壩影響范圍分析重點(diǎn)假設(shè)潰壩發(fā)生在三期加壩工程部分，潰壩區(qū)域高程處于2 157～2 142 m。根據(jù)可研報(bào)告，三期加壩工程防洪標(biāo)準(zhǔn)沿用第二期工程確定的1 000 a 洪水重現(xiàn)期，24 h 最大洪水總量約23.46 萬m3，加上設(shè)定為三期新增有效庫容366 萬m3潰砂總量，共計(jì)389.46 萬m3。客觀上尾礦庫發(fā)生潰壩時(shí)，通常伴隨著暴雨，庫區(qū)上游大量洪水將漫過壩頂，形成泥石流狀的尾砂漿體。為了盡可能真實(shí)預(yù)測潰壩發(fā)生的概率及危害，計(jì)算工況確定以假設(shè)潰壩后形成類似泥石流的尾砂漿體的固體體積比為80%。

2.2 潰壩模型

基于Fluent流體計(jì)算軟件，構(gòu)建潰壩尾砂流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬方法求解下泄尾砂的演進(jìn)過程。根據(jù)小麥地尾礦庫庫區(qū)下游1∶1 000 等高線地形圖建模，涵蓋尾礦庫庫區(qū)所在位置及周邊環(huán)境和重要設(shè)施。根據(jù)庫區(qū)等高線實(shí)測地形圖，借助礦業(yè)工程建模軟件3DMine 和Midas 的三維曲面建模功能，在尾礦庫周邊及下游區(qū)域等高線地形圖基礎(chǔ)上，生成小麥地尾礦庫庫區(qū)周邊及下游三維模型（圖1）。

將小麥地尾礦庫庫區(qū)周邊及下游三維模型轉(zhuǎn)化為通用文件格式，利用網(wǎng)格前處理軟件對該模型進(jìn)行離散網(wǎng)格劃分，最終生成潰壩砂流的流動(dòng)空間域（圖2）。

從建模過程及實(shí)地踏勘得出，小麥地尾礦庫庫區(qū)周邊三面環(huán)山，尾礦壩址處于溝谷口狹窄處，下游溝谷旁有處于半山坡的小廠村，溝谷出口有?？诠I(yè)園區(qū)，潰壩影響范圍涉及村莊、設(shè)施，屬于“頭頂庫”。

根據(jù)可研報(bào)告，尾礦平均堆積干密度為1.2 t/m3，尾砂和水形成的尾砂漿體中固體體積比為80%，平均密度為1.16 g/cm3。發(fā)生潰壩時(shí)該類經(jīng)過球磨分級浮選后形成的尾礦粒度較細(xì)，流動(dòng)性較好，形成的尾砂流體中砂漿濃度較高，尤其是涉及“頭頂庫”，故模擬將下泄尾砂流變特性參數(shù)取為范圍內(nèi)的最大值。參數(shù)主要包括流體特性、邊界條件、初始條件、求解控制條件及輸出文件的設(shè)置。

2.3 模擬方法和步驟

尾礦壩潰壩砂流數(shù)值模型是在一定的簡化假設(shè)基礎(chǔ)上，給定研究系統(tǒng)的初始條件，通過離散的方法求解控制砂流運(yùn)動(dòng)的偏微分方程，經(jīng)過反復(fù)迭代獲得偏微分控制方程的近似解。尾礦庫潰壩模擬的目的在于分析自潰壩時(shí)刻開始，不同時(shí)刻潰壩砂流的厚度、速度和影響范圍。

此次模擬分析假定小麥地尾礦庫潰壩在三期加壩最終堆積標(biāo)高條件下發(fā)生，按洪水漫頂潰壩模式進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)泥漿運(yùn)動(dòng)的理論模型及模擬方法，結(jié)合工程實(shí)例，建立三維尾礦壩潰壩模型，利用大型計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 對尾礦壩的潰壩過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析潰壩事故對下游區(qū)域造成的影響范圍。

FLUENT 是目前處于較為領(lǐng)先水平的大型商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件之一，廣泛應(yīng)用于模擬各種流體的流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運(yùn)移等問題。FLUENT 通過交互的菜單界面與用戶進(jìn)行交互，用戶可通過多窗口方式隨時(shí)觀察計(jì)算的進(jìn)程和計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果可以用云圖、等值線圖、矢量圖、XY散點(diǎn)圖等多種方式顯示、存儲和打?。?］。采用FLUENT 軟件模擬尾礦庫潰壩砂流包括以下步驟。

（1）根據(jù)實(shí)際庫區(qū)地形條件，用ICEM 軟件建立潰壩模擬的幾何模型，并對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（2）在FLUENT 軟件中導(dǎo)入幾何模型，定義氣相和液相（包括水相和泥相）材料，采用多相流模型，設(shè)置求解參數(shù)和初邊值條件。

（3）在FLUENT軟件中進(jìn)行迭代求解。

（4）用經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算求解結(jié)果。

3 潰壩模擬分析結(jié)果

3.1 潰壩尾砂下泄流速分析

從圖3 中不同時(shí)刻下泄尾砂速度計(jì)算結(jié)果可以看出，潰壩發(fā)生后，下泄尾砂從潰口一傾而出，高勢能的尾砂由重力勢能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在第10 s流速達(dá)8.50 m/s；受壩體高地勢和下游溝谷落差的影響，10～20 s 尾砂流速進(jìn)一步增大到8.83 m/s；隨后，尾砂持續(xù)向下游演進(jìn)，由于受到下游溝谷兩側(cè)山體撞擊和下游溝谷多處轉(zhuǎn)向的消能作用，以及地表摩擦阻力的持續(xù)影響，下泄尾砂演進(jìn)速度開始呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢；計(jì)算到2 000 s 時(shí)刻，下泄尾砂流速為0.35 m/s，尾砂流運(yùn)動(dòng)基本停止，淹沒范圍不再擴(kuò)大。

3.2 潰壩尾砂下泄的演進(jìn)歷程

從表1 中看出，潰壩發(fā)生后，尾砂迅速從潰口流出，并沿著下游溝谷向地勢較低處蔓延，淹沒范圍迅速擴(kuò)大。尾砂漿體在150 s時(shí)刻下泄的最大演進(jìn)距離約為500 m，此刻尾砂流動(dòng)至小廠村村頭處的溝谷；250 s時(shí)刻尾砂最大演進(jìn)距離約1 000 m，此刻尾砂流動(dòng)至小廠村村尾處的溝谷；1 500 s 時(shí)刻最大演進(jìn)距離約2 700 m，尾砂流已抵達(dá)下游最遠(yuǎn)處的溝谷；2 000 s 時(shí)刻尾砂演進(jìn)的距離已流出下游的最大模型邊界，最大演進(jìn)距離超過2 900 m；隨后下泄的尾砂持續(xù)的從下游出口邊界流出，溝谷內(nèi)堆積的尾砂漿體也在洪水的攜帶下持續(xù)的向下游堆積。在砂流演進(jìn)的路徑上，距離壩址下游約500～1 000 m 小廠村對應(yīng)的溝谷會(huì)有大量的尾砂堆積。

3.3 潰壩尾砂淹沒厚度及范圍分析

從表2 中看出，通過對潰壩模擬結(jié)果進(jìn)一步分析，在距離壩址下游500 m 處小廠村村頭的溝谷橫斷面內(nèi)最大淹沒厚度約13 m，1 000 m 處小廠村村尾溝谷橫斷面處最大淹沒厚度約6 m，距離壩址下游1 500 m 處的溝谷橫斷面最大淹沒厚度約4 m。最大淹沒厚度沿程變化總體上是減小的，最終下游的最大淹沒面積約0.31 km2。其中，潰壩尾砂漿體沿著下游溝谷運(yùn)動(dòng)，堆積在溝谷的尾砂對旁邊處于半山坡的小廠村會(huì)造成威脅，在溝谷2 900 m 以外的?？诠I(yè)園區(qū)不受影響。

4 潰壩模擬分析不利因素及工程措施

小麥地尾礦庫下游小廠村距離尾礦壩壩址約500～1 000 m，為此，需重點(diǎn)關(guān)注尾砂漿體流經(jīng)溝谷對處于半山坡小廠村的影響。該處對應(yīng)溝谷斷面內(nèi)的尾砂最大堆積厚度在6～13 m。其中，村頭位于村西側(cè)500 m 處，基本與溝底處于同一高程，尾砂最大堆積厚度為13m，該處房屋會(huì)受到影響。村中部位于下游1 000 m 處，高程2 040 m，高于谷底斷面最低高程2 018 m，尾砂最大堆積厚度為6 m，該處房屋不受影響。村尾部位于村東側(cè)1 500 m 處，高程2 024 m，高于谷底斷面最低高程2 004 m，尾砂最大堆積厚度為4 m，該處房屋不受影響。

對于小廠村村頭，必須考慮可行的工程治理措施，一旦發(fā)生尾礦庫潰壩，對下泄的大量尾砂漿體采取疏導(dǎo)引流，保持泄洪通道暢通。建議將此處的“溝谷”開挖出斷面尺寸為30 m×100 m、深度為5 m 的溝道，可避免潰壩尾砂堆積該處，從而保護(hù)半山坡的居民房屋不受沖擊影響。

5 結(jié)語

該類山谷型且等別較高的浮選礦尾礦庫，受諸多因素影響，一旦發(fā)生潰壩，形成的尾砂流體下泄流速較高、下泄量較大、淹沒程度及范圍也較大，且無固定規(guī)律。因此，對該類尾礦庫特別是涉及“頭頂庫”，在設(shè)計(jì)、施工、管理等各環(huán)節(jié)均需高度重視，確保尾礦壩穩(wěn)定，同時(shí)做好應(yīng)對潰壩事故的預(yù)案和必要措施。