室内水槽溃坝模型试验及FLOW-3D模拟分析

林天翔 熊 凯 李莹丽 周芯如 卫婉莹

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031)



室内水槽溃坝模型试验及FLOW-3D模拟分析

林天翔 熊 凯 李莹丽 周芯如 卫婉莹

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031)

为研究尾矿坝坝体稳定性对下游的影响，根据不同干密度的尾砂设置了室内水槽溃坝模型试验，并采用FLOW-3D软件,建立了三维模型进行模拟，比较了两者结果的吻合度，研究成果对矿坝选址与灾害预防有重要意义。

尾矿库，FLOW-3D软件，水槽溃坝模型，尾砂

0 引言

尾矿库是用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。由于其特殊的筑造形式，容易形成具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，易造成重特大事故[1]。目前尾矿坝安全预测方法主要有三种：物理模型试验、经验公式和数值模拟。经验公式有较大局限性。数值模拟需假设一定的理想条件，这与复杂的实际情况不符。物理模型试验在溃坝机理的研究上具有比其他方法无可比拟的优越性，但物理模型试验除了具有造价高，实验复杂等缺陷外，还需满足几何相似、坝体材料相似、下游河道的阻力等众复杂环境条件[2]。因此有必要研究一种经济、安全并高效的方法。本文用不同干密度的尾砂设置室内水槽溃坝模型模拟试验，并结合FLOW-3D软件建立模型准确高效的模拟溃坝过程。

1 FLOW-3D软件介绍

FLOW-3D是一种通用的计算流体动力学(CFD)软件，它采用专门的数值技术来解决流体的运动方程，精确预测自由液面流动，使结果可视化。FLOW-3D软件分析的基本思路是：将流域划分成多个网格，这些网格可定义位于离散位置的流动参数，如压力，温度和速度，并对流体运动方程的数值进行近似模拟。通过模拟我们就能得到基本物理量在复杂流域上的分布情况和物理量随着时间变化的情况。

2 室内水槽溃坝模型试验

2.1 室内水槽溃坝模型

试验侧重模拟溃坝后泥砂的淹没范围及其沿程厚度，利用相似性原理[3]制作了溃坝模型。室内水槽溃坝模型装置由木板组成，模型槽长5 m,宽0.13 m，高0.4 m。模型底面、两侧面、后面均固定，前面有垂直的挡板。设计的坝体模型有两种方案，一种为有竖直挡板设置的瞬溃模型[4]。坝体高为20 cm,宽为13 cm，长为50 cm。另一种为设计尺寸同前者一样，但需设置坡度为1∶2的溃口。因为尾矿砂其可塑性较低，粘性较小，级配较差，因此用粗细较均匀的干密度为1 390 kg/m3,1 650 kg/m3两种尾矿砂，多次重复试验，试验结果取平均值。

2.2 试验过程与步骤

1)方案一。

a.填筑砂土：首先用垂直挡板将水槽分为上下游两部分，模拟垂直堤坝的情形，上游长50 cm，在上游部分填筑经烘干之后，干密度为1 390 kg/m3的尾砂，砂土分层压实，达到设计高度50 cm；

b.加水饱和：向砂样中缓慢加水，静置2 h左右，待表面有一层薄水膜时，视为砂样已达完全饱和状态，此状态模拟实际坝体因雨水渗透导致坝体砂土饱和、排渗能力达到极限的情况；

c.瞬溃模拟：迅速抽出下游处挡板，模拟坝体崩溃后，尾砂在重力作用下流动形成泥石流；

d.观察记录：观察砂流特征，待瞬溃后尾砂静止流动后，测量并记录泥石流淹没范围以及沿程厚度；

e.重复进行10次试验，将试验结果取平均值，填入表内；

f.换用干密度为1 650 kg/m3的尾砂按上述步骤重新试验并记录。

2)方案二。

a.填筑砂土：同样将水槽分为上下游两部分，在上游填筑干密度为1 390 kg/m3，含水率为19%的尾砂，坝高20 cm,宽度13 cm,设计坝面坡度1∶2，分层压实，模拟倾坡堆存堤坝情形；

b.填水饱和：在坝体末端低洼处加水，让水缓慢均匀渗透到坝体内部，待末端保持水位不下降时，说明尾砂已经达到完全饱和状态；

c.继续加水：模拟洪水冲刷造成尾矿坝的边坡失稳，在加水过程中观察尾砂流动特征，待尾砂静止流动后测量其淹没范围及沿程厚度；

d.重复进行10次试验，将试验结果取平均值，填入表内；

e.换用干密度为1 650 kg/m3的尾砂按上述步骤试验并记录。

3 FLOW-3D与室内水槽溃坝模型试验结果发现

3.1 室内水槽溃坝模型试验结果

1)方案一：迅速抽离挡板后，垂直坝面在十几秒内瞬间溃塌，泥石流在自重作用下向下游流动，淹没范围1 m左右，1 m～1.3 m范围内有少量泥砂，1.3 m之后有很薄的浮浆。溃口的特征：溃口呈竖向冲刷横向展宽的形态，坝体上游部分几乎没有发生尾砂流动，说明坝体没有发生全溃。在尾矿堆积过程中，因为分层压实，坝体内部有一定的稳定性，所以不会产生大面积的泥石流(见表1，图1)。

表1 瞬溃模型试验尾砂沿程分布厚度h cm

2)方案二：溃坝试验表明，在加水模拟暴雨洪水冲刷过程中，起初边坡局部出现漏水情况，随后雨水冲垮边坡，形成溃口，雨水携带泥砂形成泥石流向下游流动。淹没长度为1.5 m左右，1.5 m以后有很薄的一层浮浆(见表2，图2)。

表2 渐溃模型试验尾砂沿程分布厚度h cm

3.2 FLOW-3D数值模拟结果

先利用FLOW-3D软件建立试验的三维模型进行软件模拟，模型所用尺寸同试验模型，长50 cm，宽13 cm，高20 cm。尾矿砂参数也同试验模型一致，平均粒径0.155 mm，温度设置为室温20 ℃(见图3)。

方案一模拟试验结果如表3所示。

表3 软件模拟室内试验沿程厚度结果(一) cm

方案二模拟试验结果如表4所示。

表4 软件模拟室内试验沿程厚度结果(二) cm

3.3 模型试验与数值模拟对比分析

试验一可模拟垂直溃坝；试验二可模拟倾坡溃坝。从不同的溃口形态可以看出垂直溃坝沿程厚度小，搬运距离短，倾坡溃坝沿程厚度大，搬运距离长可知垂直溃坝尾砂主要沉积在离坝体较近距离，影响范围较小，而倾坡溃坝尾砂搬运较均匀，影响范围较大。由试验结果与数值模拟结果的对比分析可知，二者结果非常接近,但室内模拟试验有较大的阻力，而软件模拟没有考虑阻力等因素，所以有部分误差。在实际工程中，由于堆积方式和限制条件没有试验设计的情况苛刻，阻力的相对影响力小，这个误差可忽略不计(见图4，图5)。

4 结语

通过对室内水槽溃坝模型模拟试验，并结合FLOW-3D软件，建立了一种能够动态模拟堤防溃口坍塌和刷深过程的模型。用室内水槽溃坝模型试验进行软件模拟的结果和试验结果接近，证明软件模拟的可行性和正确性。物理模型试验建立对材料的选择要求准确，需要消耗大量的人力、物力、财力，运用软件模拟方式更具有灵活性，经济性，避免了建立物理模型试验只能特定模拟利用的弊端，节约了成本。FLOW-3D软件可以合理反映溃坝尾砂运移范围，能较好模拟溃坝对下游的影响，从而有效地减少从源头上处理发生事故的隐患，并为尾矿库的选址建立提供了有力的参考数据。

[1] 于广明，宋传旺.尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势[J].岩石力学与工程学报，2014,33(1)：3238-3248.

[2] 李 云，李 君.溃坝模型试验研究综述[J].水科学进展,2009,20(2)：304-310.

[3] 尹志光,敬小非.尾矿库溃坝相似模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010(29):3830-3838.

[4] 楚金旺，宋会彬.尾矿库漫顶溃坝模型实验研究[J].中国矿山工程，2015,44(3)：73-77.

Testing and FLOW-3D simulation analysis of interior gutter dam breaking model

Lin Tianxiang Xiong Kai Li Yingli Zhou Xinru Wei Wanying

(College of Building Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

In order to study the impact of tailing dam stability upon the downstream, according to different density tailing sand setting, the paper carries out interior gutter dam breaking model test, establishes 3D model for simulation by applying FLOW-3D software, and compares their results coincidence, which has significant meaning for tailing dam location selection and disaster prevention.

tailing pond, FLOW-3D software, gutter dam breaking model, tailing sand

1009-6825(2017)12-0076-02

2017-02-18

林天翔(1996- )，男，在读本科生； 熊 凯(1996- )，男，在读本科生； 李莹丽(1995- )，女，在读本科生； 周芯如(1996- )，女，在读本科生； 卫婉莹(1996- )，女，在读本科生

TD824.7

A