尾矿坝溃坝对下游淹没和撞击的研究

陈 星 朱远乐 肖 雄 贺治国

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；3.水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；4.浙江大学海洋学院，浙江 杭州 310058)

尾矿坝溃坝对下游淹没和撞击的研究

陈 星1，2朱远乐1，2肖 雄3贺治国4

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；3.水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；4.浙江大学海洋学院，浙江 杭州 310058)

尾矿库坝体发生漫顶、垮塌、坝体滑坡、渗漏等溃坝因素导致尾矿库溃坝，溃坝后高势能的尾砂形成尾砂泥石流冲向下游，对下游居民的生命财产构成严重的威胁。针对以尾矿坝溃坝为尾矿库安全事故灾害中的突出问题，以宝山荷叶塘尾矿库为例，运用分步数值模拟方法将尾砂泥石流运移、淹没这一动量过程和尾砂泥石流与障碍物撞击这一力学过程相结合分析尾矿库4#副坝溃坝时对其下游马鞍岭公路的安全影响，尾矿库溃坝后尾砂对下游公路的淹没和尾砂泥石流运移的规律直接影响着灾害能量的变化，通过尾砂泥石流与下游公路的撞击作用及能量变化揭示其运移规律，研究溃坝尾砂泥石流对下游的淹没范围、尾砂移动规律以及尾砂对下游公路的撞击，探讨下游公路的安全性。

溃坝 尾矿坝 尾砂泥石流 淹没

尾矿库作为矿山工程选矿生产的主要设施是矿山三大控制性工程之一[1]，尾矿库的运行状况不仅直接关系到矿山企业的经济效益，而且与库区下游居民的生命财产安全和周边环境息息相关。尾矿库坝一旦溃决，库内大量尾砂因具有较高的势能将冲向下游，对下游的村庄、农田以及交通设施等造成巨大影响。

目前评价尾矿库溃坝后对下游的影响范围一般采用坝高的倍数考虑[2]，然而尾矿坝坝体滑坡体的总体规模不同、下游地形坡度及开阔程度不同、尾砂泥石流的剪切强度和动力黏度等参数不同均对溃坝尾砂泥石流滑移距离有重要影响，尾矿坝下游安全距离采用统一的标准有时偏保守有时偏冒险，对特定的尾矿库应进行特定的分析。对溃坝砂流的研究主要是通过借鉴研究泥石流的方法，溃坝砂流与泥石流中泥流非常相似。目前国内外对溃坝砂流的研究较少，殷宪太等[3]以危险度来判定溃坝后对下游的危险性；敬小非等[4-5]通过模型试验研究不同溃口形态下尾矿坝溃决尾砂流动的规律；陈青生[6]、袁兵等[7]采用数学模型的方法对尾矿库溃坝后尾砂泥石流对下游的影响进行预测；贺治国等[8]采用有限体积法、显式格式求解方法模拟水库溃口扩展和堤身冲刷的过程；M.Patster等[9]利用弹塑性有限元、动量守恒以及质量守恒建立了尾矿坝溃坝模型用于计算尾砂流在溃坝时随时间的深度分布。

运用危险度判定的结果受人为主观影响较大而与真实情况存在一定的误差；模型试验方法由于受到试验费时高、投资大以及制作困难的限制在实际工程中运用较少。溃坝的不确定性、尾砂流动的复杂性，使得采用数值模拟方法研究尾矿库溃坝的成果中尚未有一个相对成熟的数学模型能够全面分析尾矿库溃坝后尾砂运移距离、淹没厚度以及尾砂泥石流与障碍物撞击作用。已有的研究成果主要集中在对溃坝后尾砂泥石流运移的矢量预测，未对尾砂泥石流运移过程中与其周围介质的力学关系进行考虑，且溃坝后的尾砂泥石流对下游的影响强弱很大程度上是由尾砂泥石流和下游的介质相互作用决定的。基于这一研究思路，本研究以宝山荷叶塘尾矿库为例，将尾砂泥石流运移、淹没这一动量过程和尾砂撞击这一力学过程相结合，采取分步模拟的数值模拟方法分析4#副坝溃坝后对其下游马鞍岭公路的安全影响，探讨尾矿库溃坝后尾砂泥石流运移规律、尾砂淹没范围以及尾砂泥石流对公路的撞击作用。

1 分析步骤

尾矿库溃坝影响分析步骤见图1。尾矿库溃坝属于能量聚集之后突然释放的产物，能量的汇集到释放对应着尾矿库运行过程中所处的安全状况的转换，当能量汇集到超过尾矿库安全所能承受临界点时，尾砂会沿着坝体内部最危险的滑动面进行能量释放[10]，造成溃坝泥石流灾害。分析尾矿库溃坝的起始点应分析溃坝前能量的聚集过程，本研究将这一过程其定义为“特殊工况”。

图1 分析步骤

“特殊工况”所对应的工程条件的多向性与复杂性决定了实际模拟时难以与之对应，在进行溃坝数值模拟时以尾矿坝在堆积到最终标高以及其在洪水漫顶这一“特殊工况”条件下的最小安全系数滑动面为溃坝滑动面进行计算。溃坝后尾砂对下游的淹没和尾砂泥石流运移的规律直接影响着灾害能量的变化，因此探索尾砂泥石流的影响范围和运移规律对溃坝灾害影响显得尤为重要，且为分析尾砂运移过程中与障碍物的撞击作用提供了必要的基础条件，同时尾砂与障碍物的撞击作用的分析反过来揭示尾砂泥石流的运移规律和对下游安全的影响程度。

2 工程概况

荷叶塘尾矿库设计主要由主坝、1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#副坝以及排洪系统组成。主坝初期坝(均质黏土坝)坝顶标高+293.5 m，坝底标高+273.5 m，坝高20.0 m，堆积坝采用尾砂上游法筑坝；尾砂平均堆积边坡为1∶4，设计最终堆积标高+320.0 m，尾砂堆高26.5 m，总坝高46.5 m，总库容约为840.8万m3。

4#副坝为均质粉质黏土筑坝，坝顶高程+311.90 m，坝高8 m左右，坝顶宽2.5 m，上下游坡坡比均为1∶1.5。马鞍岭公路K1+440～K1+660路段位于尾矿库4#副坝下游，该路段设计路面标高+317.7 m，路面宽40.0 m,高15 m，公路与4#副坝相距23.0 m，尾矿库4#副坝与公路位置关系如图2所示。

图2 尾矿库4#副坝与公路位置关系

3 4#副坝溃坝尾砂淹没分析

3.1 选用砂流模型件

尾矿坝溃口处的尾砂泥石流结构复杂，由于尾砂泥石流对坝体溃口两端产生较大的冲刷，泥石流中尾砂的含量较高，坝体变形以及尾砂运移对泥石流的运动会造成比较大的影响。采用静压假定，基于三维可压缩流体动量守恒定律Navier-Stokes方程，考虑溃坝尾砂运移过程中水和尾砂间剧烈作用而引起的含尾砂密度沿垂向的变化，沿尾砂厚度平均积分后可推导出平面二维数学模型。该模型考虑了尾砂泥石流运动、尾砂浓度变化以及尾砂与底部边界之间的相互作用。

计算模型简图见图3，溃坝尾砂运移数值模拟中采用243×220个矩形网格(Δx=Δy=5 m)对计算区域进行剖分，下游为实际地形，研究区域的曼宁系数取为均值0.033 s/m1/3，动力黏度为500 Pa·s，剪切强度13.72 kPa，时间步长采用自适用时间步长，由于尾矿库库容较大，实际下游模拟区域较少，总模拟时间为72 s。

图3 计算模型简图

3.2 4#副坝溃坝淹没影响分析

模拟时间5 s、11 s时4#坝溃决尾砂厚度和流速分步图见图4。0 s时，4#副坝开始溃决，尾矿库库内尾砂泥石流开始向下游宣泄，4#副坝出口处尾砂流速达到12 m/s；溃坝5 s后，溃坝后形成的尾砂泥石流到达公路下游坡脚，此时流速为10.8 m/s左右，公路坡脚处尾砂厚度3 m左右；当不考虑公路的影响时，尾砂泥石流达到相应位置处，尾砂厚度3 m左右，流速在10.7 m/s左右；溃坝11 s后在下游无公路情况下，尾砂泥石流向下游快速演进，在下游有公路的情况下，尾砂刚好淹没公路路面，此时通过公路路面的速度约为7.3 m/s；溃坝72 s后，公路路面处流速为1.8 m/s，公路表面尾砂厚度可达到2.5 m，公路下游处尾砂泥石流流速为2.6 m/s左右，尾砂厚度为2.2 m左右。通过分析可知：公路对尾砂泥石流演进有一定的减缓作用，使其流速略减、演进时间延长约在15 s左右。尾砂泥石流停止运动后，4#副坝溃坝下游公路K1+280～K2+680路段400 m范围内有不同程度的尾砂覆盖。即4#副坝溃坝会影响该范围路段的行车安全。

4#副坝溃决时，将形成极强的洪水泥石流冲击波，并在极短时间内抵达拟建公路路基处，产生的流速大，在拟建公路处会产生较大的冲击力，将对拟建公路造成较大的直接冲击，对于拟建公路能否在尾砂的撞击作用下保持稳定，需在尾砂运移过程中监测其运动的相关参数，采用动力分析方法加以评判。

3.3 4#副坝溃坝尾砂运移分析

在对4#副坝溃坝尾砂泥石流演进淹没过程进行模拟时，由于溃坝时产生较大的回流，故在公路上游坡面上沿高程方向每4 m布置1个监测点，监测尾砂在撞击公路时尾砂的速度，流速监测时间间隔为0.02 s。得到各监测点在尾砂撞击公路时的流速时程曲线如图5所示。

图4 4#坝溃决尾砂厚度和流速分步图

图5 4#副坝溃坝撞击下游公路的流速-时程曲线

溃坝开始时尾砂形成泥石流从滑裂面宣泄下来，尾砂由于具有较高的势能，在溃坝初期尾砂势能转换为动能，尾砂运移速度增加，当势能完全转换为动能后，尾砂运移速度达到最大。此后尾砂在运移过程中受到沿程阻力作用，速度开始减小。4#副坝溃坝后尾砂在5 s后到达下游公路坡脚，由于4#副坝距离下游公路较近，4#副坝溃坝后，势能还未来得及全部转化为动能，尾砂就与其下游公路碰撞，此时将会产生较大的回旋流，故此时到达公路坡面的尾砂的流速将会呈现一个杂乱无章的分布。尾砂撞击到公路坡面后速度急剧减小，动能转换为冲击压能被公路吸收。溃坝后尾砂运移类似于边界层流，在边界层内，越靠近地面，切应力越大，因而靠近地面越近，速度降低越激烈，以至沿流动方向速度分步越来越内收，当尾砂与下游公路撞击时，靠近底部的尾砂速度突然降为零，产生类似于水力学中的水击现象，底部尾砂回流，由于相对于水而言尾砂黏度较高，产生水击波较小，回流速度小。

4 溃坝尾砂泥石流与下游公路撞击分析

4.1 模型的选取

选取4#副坝下游主冲沟内的K1+540～K1+640道路路段为研究对象，选取道路轴线方向为Y方向，水平面内垂直于道路轴线方向为X方向，竖直方向为Z方向，模拟道路段长100 m，道路高15 m，路面宽40 m，X方向模拟长度为180 m，模型共计72 000个单元，79 520个节点。

4.2 力学参数及屈服准则的选取

力学参数的选取对于数值模拟计算分析有着非常重要的意义，从某种意义上讲它决定了模拟结果是否适用于现实情况。由于荷叶塘尾矿库下游公路路段尚未施工，无法确定该公路路段路基的土体参数，故选取马鞍岭公路非尾矿库下游公路路段路基土体参数，再经过反复对比、分析、模拟试验的基础上，并结合FLAC3D软件本身的计算特点，选取了路基、黏土、中风化砾岩、微风化砾岩的力学参数作为本次模拟计算参数，如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数表

数值模拟中可以将路基、粉质黏土、中风化砾岩、微风化砾岩这些不同的力学属性的介质视为各向同性的弹塑性连续介质。屈服条件采用摩尔-库仑屈服准则

(1)

式中规定压应力为正，σ1、σ3为第一、第三主应力；c、φ分别为岩土体的黏聚力和内摩擦角。

由溃坝尾砂运移分析可知，4#副坝溃坝后形成的泥石流在5 s后到达其下游道路坡脚，11 s后泥石流通过道路路面流向道路下游，故下游道路能阻挡溃坝后泥石流6 s的运动时间，泥石流和道路撞击作用时间，即为本次数值模拟时间。

4.3 4#副坝撞击结果分析

尾砂撞击下游道路1 s时，经过溃坝宣泄下来的尾砂与下游道路撞击1 s后，在道路坡脚处(离地面约3 m范围内)产生了水平位移，位移大小为8.04 cm，这与溃坝6 s后下游道路坡面堆积的尾砂厚度和尾砂撞击作用位置相符,见图6所示。

图6 尾砂与公路撞击作用1 s后公路水平向位移

尾砂撞击公路过程中，冲刷公路坡面，使得公路坡面上产生了较大的水平位移，约为80.20 cm，此时尾砂达到公路路面，之后将从公路路面流过。从尾砂撞击公路坡脚到尾砂开始流经公路路面，受尾砂撞击的坡面累计产生最大位移约89.02 cm。在公路上游坡面向内侧0～4 m范围内，尾砂撞击对公路位移影响较大，但由于道路较宽，受撞击释放出的能量还没有传递到整个道路断面上就被道路上游坡面吸收，公路下游坡面在整个撞击过程中产生位移较小，撞击结束时，下游坡面产生的位移在0.8～2 cm，即公路下游坡面受尾砂撞击作用较小，能够保持整体的稳定。从位移矢量图图7可以得知，位移方向与公路上游坡面大致平行，即公路上游坡面受尾砂泥石流撞击冲刷严重，在其上游坡面坡脚处会产生一个较大的“冲刷坑”。

图7 尾砂与公路撞击作用7 s后公路上、下游累计总位移矢量分步图

5 结 论

(1)采取分步模拟的数值模拟方法能够有效地解决溃坝尾砂泥石流运移的矢量预测和尾砂动力响应的关联分析。

(2)拟建公路对溃坝尾砂泥石流有一定的阻挡作用，使其流速略减、演进时间延长约在15 s左右，降低了尾砂泥石流对马鞍岭公路下游的影响，对下游起到一定程度的保护作用。

(3)4#副坝溃坝后在其下游公路路面会有较大范围内的尾砂覆盖，影响公路的正常通车。

(4)4#副坝溃坝后，公路上游坡面向内侧较小范围内受尾砂冲刷较为严重，会产生约89.02 cm的位移，但公路大部分区域受尾砂泥石流撞击影响较小，其下游道路能够保持整体稳定。

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(责任编辑 石海林)

ImpactofTailingsDamFailureontheDownstreamFloodandCollision

Chen Xing1,2Zhu Yuanle1,2Xiao Xiong3He Zhiguo4

(1.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，ChinaS；2．StateKeyLaboratoryofSafetyTechnologyofMetalMines，Changsha410012，China；3.StateKeyLaboratoryofWaterResourceandHydropowerEngineeringScience，Wuhan430072，China；4.OceanCollege，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

Such factors as overtopping，collapse，landslide and leakage occurred at dam body give rise to the failure of tailing dam.After failure，the tailing sand with high potential energy will form sand debris flow rushing to the downstream，which brings great risks on the safety of lives and properties of citizens living at downstream.Aiming at the outstanding problem of tailing dam accidents-dam failure，and taking Heyetang tailing pond in Baoshan as an example，the step-by-step simulation method was adopted to analyze the impact of 4#tailing dam failure on the safety of Maanling road at downstream by combining with the momentum process of migration and submerging of tailing debris flow，and the mechanical process of collision between debris flow and obstacles.After failure，the road submerging at downstream by tailing sands and the migration regularity of tailings debris flow directly influence the variation of disaster energy.So，the investigation on the collision between tailing debris flow and obstacles and the variation of energy can reveal the migration regulation so as to discover the submerged area of tailing debris flow at downstream，the migration regulation of tailing sand and the collision on highway at downstream and to discuss the safety of the highway.

Dam failure，Tailings dam，Debris of tailings，Submerged area

2014-06-06

湖南省重大科技专项(编号：2011FJ1003)。

陈 星(1984—)，男，工程师。

TD926

A

1001-1250(2014)-12-188-05