尾矿库溃坝泥石流的演进过程及防护措施研究

刘 洋 齐清兰 张力霆

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄050043)

由于尾矿库溃坝泥石流突发性强，因此其演进过程的实地观测资料较少，目前尾矿库溃坝泥石流运动的研究方法主要有模型试验和数值模拟2 种。我国尾矿库溃坝的模型试验研究起步较晚［1］。2010 年，尹光志［2］以云南某尾矿库的设计资料为依据进行模型试验研究，通过模拟尾矿库溃坝砂流的运动规律，得到泥石流淹没深度以及典型过流断面冲击力的变化规律。2012 年，王永强［3］以四川某尾矿库设计资料为依据进行全溃坝模型试验，得到泥石流演进过程中冲击力、流速等要素的变化规律，从而进一步预测泥石流的影响范围。在数值模拟方面，Takahashi［4］提出了二维有限差分模型，该模型以膨胀流模型和分散应力为理论基础，同时还考虑了泥流颗粒的碰撞运动。2013 年，金佳旭［5］以辽宁某尾矿库为例，对其溃坝过程进行数值模拟，观察分析了溃坝砂流的运动状态、堆积变化过程以及溃坝影响范围，为下游的防护工作提供了重要依据。

根据国内外相关文献，人们对尾矿库溃坝泥石流发生原因和内部作用力的研究较多，对泥石流防护措施的研究较少。本研究以某溃坝尾矿库为实例，对溃坝泥石流的演进过程进行三维数值模拟，并讨论拦挡导流坝在泥石流防护中的作用。

1 尾矿库溃坝泥石流运动的控制方程

尾矿库溃坝泥石流运动的控制方程包括连续方程

动量方程

k 方程

ε 方程

考虑到泥石流数值模拟计算采用宾汉流体模型，经查阅相关资料并反复对比，决定选用模型参数黏滞系数为100 Pa·s，屈服应力为2 kPa。

2 工程实例

2.1 工程概况及计算模型

河北省某尾矿库总坝高为53 m，平均坝坡比为1∶ 1.87。2009 年该尾矿库发生溃坝事故，下泄尾砂量约25 万m3，淹没农田、河床约5 万m2，损坏选厂供电线路约150 m，损坏变压器1 台，房屋约70 m2，皮卡车1 辆，死亡3 人，直接经济损失约200 万元。淹没范围如图1 中实线所包围的区域。

图1 某溃坝尾矿库Fig.1 A dam break

根据实地调研和实测资料，溃体分3 次崩塌，总溃量约25 万m3，在下游的淹没范围约为5 万m2。数值模拟假定3 次溃量相同，溃体的流通区根据尾矿库周边地形情况建立，三维溃坝模型如图2 所示。

图2 尾矿库三维溃坝模型Fig.2 Three-dimensional dam break model of tailing pond

2.2 无防护措施的模拟结果

2.2.1 淹没范围

无防护措施时的计算结果如图3 所示，图4 为实测淹没范围与计算范围对比图。根据实测资料，下游的淹没范围约5 万m2，泥石流沿谷口方向淹没的最大长度为220 m，垂直于谷口方向淹没的最大长度为405 m。模拟计算的淹没范围约为6 万m2，泥石流沿谷口方向淹没的最大长度为234 m，垂直于谷口方向淹没的最大长度为413 m。二者基本吻合，说明可以通过数值模拟预测溃坝范围，分析泥石流运动规律，为下游的防灾减灾提供科学依据。

图3 计算淹没范围Fig.3 Submerged area of calculation

图4 计算范围与实测范围对比Fig.4 Calculation and measurement area

2.2.2 泥石流运动速度

为了研究泥石流的运动规律，在下游选取典型监测点，位置如图5 所示，每2 个监测点之间的距离均为50 m。

图5 监测点布置Fig.5 Schematic diagram of monitoring point

点①、③、⑥、⑧处泥石流速度随时间的变化情况如图6 ～图9 所示。点①处第1 次溃坝泥石流的最大速度为14.09 m/s，第2 次溃坝泥石流的最大速度为13.71 m/s，第3 次溃坝泥石流的最大速度为12.59 m/s;点③处第1 次溃坝泥石流的最大速度为14.33 m/s，第2 次溃坝泥石流的最大速度为8.96 m/s，第3 次溃坝泥石流的最大速度为6.36 m/s;点⑥处第1 次溃坝泥石流的最大速度为8.50 m/s，第2 次溃坝泥石流的最大速度为4.37 m/s，第3 次溃坝泥石流的最大速度为2.80 m/s;点⑧位于泥石流淹没范围的边界，流到此处的泥石流为3 次叠加的结果，故只有1 个峰值流速，约为0.95 m/s。总体上看，3 次溃坝泥石流通过典型位置的最大流速均呈减小趋势。这是由于第1 次溃坝时地形上没有阻碍其流动的堆积物(泥砂);而第2 次溃坝时坝坡上残留了第1 次溃坝堆积的泥砂，致使摩擦阻力增大，速度随之减小;同理，由于前2 次溃坝的影响，第3 次溃坝时摩擦阻力进一步增大，流速减小。

图6 测点①流速变化Fig.6 Velocity of measuring point ①

2.2.3 泥石流堆积厚度

点①、③、⑥、⑧处泥石流堆积厚度随时间的变化情况如图10 ～图13 所示。

图7 测点③流速变化Fig.7 Velocity of measuring point ③

图8 测点⑥流速变化Fig.8 Velocity of measuring point ⑥

图9 测点⑧流速变化Fig.9 Velocity of measuring point ⑧

图10 测点①厚度变化Fig.10 Depth of measuring point ①

点①处第1 次溃坝泥石流的最大堆积厚度为13.26 m，第2 次溃坝泥石流的最大堆积厚度为11.32 m，第3 次溃坝泥石流的最大堆积厚度为9.88 m。这是由于点①距溃体很近，第1 次溃坝的堆积厚度受到第2 次、第3 次下泄泥石流的冲击后使其呈减小趋势，稳定后的堆积厚度约为1.48 m。

图11 测点③厚度变化Fig.11 Depth of measuring point ③

图12 测点⑥厚度变化Fig.12 Depth of measuring point ⑥

图13 测点⑧厚度变化Fig.13 Depth of measuring point ⑧

点③处第1 次溃坝泥石流的最大堆积厚度5.34 m，第2 次溃坝泥石流的最大堆积厚度7.24 m，第3次溃坝泥石流的最大堆积厚度10.09 m。这是由于溃坝泥石流在此处叠加堆积使得堆积厚度不断增大。稳定后的堆积厚度约为5.59 m。同理，点⑥处第1次溃坝泥石流的最大堆积厚度为3.66 m，第2 次溃坝泥石流的最大堆积厚度为6.28 m，第3 次溃坝泥石流的最大堆积厚度为7.57 m，稳定后泥石流的堆积厚度约为6.28 m;第1 次和第2 次溃坝后泥石流均未到达点⑧处，第3 次溃坝泥石流在此处的最大堆积厚度为2.41 m，稳定后泥石流的堆积厚度为2.33 m。

2.3 有防护措施的模拟结果

如图14 所示，在谷口附近距坝体约25 m 处设置1 道高5 m、长度与谷口宽度相同、位置与谷口方向垂直的拦挡导流坝。溃坝时高势能的泥石流迅速冲向下游，此拦挡导流坝可以有效减小泥石流的速度，降低其对下游的冲击力，同时也可以拦挡一部分泥石流。在第1 道拦挡导流坝下游沿中线距离72 m 处设置第2 道拦挡导流坝，其高度为6 m，长度150 m，呈30°放置。第3 道坝距离第2 道坝72 m，高度与长度与第2 道相同，且位置与第2 道平行。加设导流坝后的计算结果如图15 所示，图16 为未设置拦挡导流坝与设置拦挡导流坝后淹没范围对比图。

图14 拦挡坝设置示意Fig.14 Schematic diagram of landslide dam

图15 设置拦挡后溃坝范围Fig.15 Debris area of setting landslide dam

图16 设置拦挡前后淹没范围对比Fig.16 Debris area comparison under two conditions

计算结果表明:未设置拦挡导流坝时，泥石流在下游的淹没面积为6 万m2，在重要设施方向的最大淹没距离为234 m;设置拦挡导流坝后，泥石流在下游的淹没范围为4.6 万m2，在此方向的最大淹没距离为160 m，有效拦截了泥石流，使其避开了对重要设施的破坏。

为了进一步分析拦挡导流坝对泥石流堆积厚度的影响，结合图5 中的监测点①～⑥对其泥深数据进行对比分析，如表1 所示。结果表明，设置拦挡导流坝后的泥石流深度均大于设置前的深度，说明拦挡导流坝不仅对泥石流起到导流作用，还可拦蓄一部分泥石流，以减小泥石流向下游的演进距离。

表1 防护前后下游堆积厚度对比Table 1 Depth comparison under pre and post protection

3 结 论

(1)通过对各监测点溃坝泥石流速度和堆积厚度分析，得到了尾矿库溃坝泥石流的运动规律。对于相同的位置点，多次溃坝所形成的泥石流最大速度呈递减趋势;对于不同的位置点，距离坝体越远，泥石流最大速度越小;在距离坝体较近位置，多次溃坝的泥石流最大堆积厚度呈减小趋势;在距离坝体较远位置，多次溃坝的泥石流最大堆积厚度呈增大趋势。当泥石流运动结束后，在泥石流堆积区域的中间部位堆积厚度较大，边缘部位的堆积厚度较小。

(2)数值模拟了设置拦挡导流坝后的泥石流演进过程，通过对比泥石流淹没范围和淹没深度证明拦挡导流坝对泥石流的防护效果明显。

［1］ 张力霆. 尾矿库溃坝研究综述［J］. 水利学报，2013(5):594-600.

Zhang Liting. Summary on the dam-break of tailing pond［J］. Journal of Hydraulic Engineering，2013，44(5):594-600.

［2］ 尹光志，敬小非，魏作安，等. 尾矿坝溃坝相似模拟试验研究［J］. 岩石力学与工程学报，2010(S2):3830-3838.

Yin Guangzhi，Jing Xiaofei，Wei Zuoan，et al. Experimental study of similar simulation of tailings dam-break［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010(S2):3830-3838.

［3］ 王永强，张继春. 基于相似试验的尾矿库溃坝泥石流预测分析［J］. 中国安全科学学报，2012(12):70-75.

Wang Yongqiang，Zhang Jichun. Tailings dam-break debris flow prediction analysis based on similar tests［J］. China Safety Science Journal，2012(12):70-75.

［4］ Takahashi T. Debris flow on prismatic open channel［J］. J Hydr Div，Proc ASCE，1980，106(3):381-396.

［5］ 金佳旭，梁 力，吴凤元，等. 尾矿坝溃坝模拟及影响范围预测［J］. 金属矿山，2013(3):141-144.

Jin Jiaxu，Liang Li，Wu Fengyuan，et al. Dam break simulation of tailings dam and forecast of impact range［J］. Metal Mine，2013(3):141-144.