上游式尾矿坝漫顶溃坝的溃口扩展机理

肖经光

摘要： 本文采用上游式筑坝工艺制作尾矿坝室内物理模型，并基于相似理论在该模型上进行模拟降雨漫顶的溃坝试验，重点研究了上游式尾矿坝漫顶溃坝过程中的溃口扩展机理。分别得到了溃口深度与时间的变化关系和溃口顶宽与时间的变化关系；同时，模型试验显示溃口顶宽出现间歇性的展宽现象，理论分析了出现该现象的机理。该研究不仅完善了上游式尾矿坝漫顶溃坝的机理，同时对尾矿坝事故的防灾减灾工作提供了指导。

Abstract： The dam overtopping rainfall simulation experiment was carried based on similarity theory， focuses on the upstream tailings dam overtopping dam during the break expansion mechanism. The relationship between the breach depth， breach top width and time change respectively are obtained. At the same time， the model tests show that the breach appears top width broadening intermittent. The mechanism of this phenomenon is analyzed. This study not only perfects the mechanism of overtopping failure of tailings dam， but also provides guidance for the disaster prevention and reduction of tailings dam accident.

关键词： 尾矿坝；物理模型；漫顶；溃口扩展；机理

Key words： tailings dam；physical model；overtopping；breach expansion；mechanism

中圖分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0117-03

0 引言

尾矿坝后期堆积坝按照筑坝工艺的不同可以分为上游式筑坝、下游式筑坝、中线式筑坝以及混合式筑坝。其中，我国95%的尾矿坝的后期堆积坝采用上游式筑坝。通过历年来尾矿坝失事事故的统计发现，采用上游式筑坝工艺的尾矿坝失事次数占统计总数的75.4%，如统计图1所示。

漫顶导致的尾矿坝溃坝是一个复杂的过程，不仅由于尾矿具有离散性和不规律性等内部因素，而且还取决于很大的外界因素。目前，该领域内通常采用的是借助现代计算机技术进行有限元数值模拟或者从理论上进行简化分析计算，直接针对尾矿坝物理模型的室内溃坝试验相对较少。模型试验能够获取溃坝过程的定性结论，并且通过试验得到的定性结论与理论计算相结合，能够揭示某一现象发生的内部机理。但模型试验中的相似性问题一直影响试验结论的准确性。本文将基于相似理论，采用上游式筑坝工艺制作尾矿坝物理模型，并设计整套模拟放矿筑坝设备和模拟降雨设备进行室内物理模型的降雨溃坝试验。重点分析上游式尾矿坝漫顶溃坝过程以及溃坝过程中溃口的扩展机理。

1 模型试验的相似理论

1.1 材料、几何相似

本次模型试验所用尾矿取自云南元谋某矿业公司的铜矿尾矿库。经过不断尝试，发现将配制尾矿的浓度控制在73%[1]左右时，尾矿浆能依靠自重流入库内，且不会冲蚀已沉积尾砂；同时，以筑坝干密度为相似控制条件，模拟放矿后坝体材料的干密度，将尾矿压实干密度控制在1.73g/cm3左右，从而较大程度上满足材料相似条件。

本次室内模型试验参照尾矿库手册中各类实际运行中的小型尾矿库常见工程比尺1：50进行模型试验，可以较大程度上满足几何相似条件。

1.2 重力和雨滴击溅动能相似

仅满足材料相似和几何相似的条件并不能保证模型试验结论的准确性。按照材料和几何相似条件将原型缩小之后，其漫顶溃坝过程中的漫顶水流的作用效果与原型差距较大，主要原因在于模型试验中的漫顶水流所受重力的作用效果与原型不同，而且模型试验中降雨设备降落的水滴与天然降雨的雨滴的击溅效果不同。所以必须考虑重力相似和雨滴的击溅动能相似。

限于试验条件，本次模型试验在借鉴文献资料[4]的基础上，通过反复测试，主要通过提高筑坝过程中的放矿浓度，同时减缓后期子坝的堆筑速度（控制在平均每天上升4cm左右，两天堆筑一级子坝），以此来近似重力相似条件。

根据能量守恒定律，天然降落的雨滴在从空中降落直到触碰地面的过程中，其重力势能在逐渐减小，而动能在不断加大。在触碰地面之后，其动能转化为冲击能对接触面产生冲击作用。在进行模型试验之前需要制备特殊的降雨设备来满足室内试验的 “降雨”效果与自然降雨相似。徐向舟[5]进行了室内人工模拟降雨试验发现管网式降雨器比喷射式降雨器的降雨均匀度更高。Park等[6]进行了从不同高度降落“雨滴”的试验，并对降落过程中的“雨滴”进行受力分析，导出了以初速度Vs（m/s）的雨滴从固定高度H（m）降落时，到达接触面的击溅速度为Vh（m/s）：

2 物理模型及设备

2.1 尾矿坝物理模型

设计本次试验所用的设备总共包括四部分：管网式降雨系统、浸润线监测系统、放矿系统和模拟坝体，如图2所示。其中，模拟坝体如图3所示。模拟坝体有四部分组成，分别是初期坝、后期子坝、黏土堆和排水管组成。初期坝为土石混合透水堆石坝。后期子坝为尾矿堆积坝。黏土堆底宽300mm、高 733mm。模拟坝体的具体参数如表1所示。

2.2 模拟降雨系统

模拟降雨系统包括可升降支架、供水管和降雨管网组成，如图4所示。降雨管采用直径150mm的PVC管，并用直径0.5mm的钻头在管身上每隔80mm钻一个孔，通过雨降均匀度理论公式（5）和公式（4）的率定，确定相邻PVC管中心距为100mm。试验过程中控制降雨强度大于1.3mm/min的范围，其有效雨降均匀度均达到了80%以上，雨滴粒径在3mm以内[7]，降雨高度3.15m，降雨稳定，且易于控制。

3 试验过程及机理分析

3.1 试验过程

采用坝前分散放矿模式堆筑后期子坝，并将筑坝速度控制在两天一级。将堆筑完成的模拟坝体放置一周左右进行模拟降雨溃坝试验。

试运行管网式降雨系统，待系统稳定之后调节供水阀门，以改变供水流量的方式来控制降雨强度在1.3mm/min左右。试验过程通过手工测量获取溃口特性数据（包括溃口顶宽和溃口深度），以及通过高速摄像机记录整个溃坝过程。选取漫顶100s时的溃口状态和460s时的溃口状态如图5和图6所示。

3.2 溃口间歇性展宽机理

试验得到了溃口顶宽随时间的变化关系如图7所示，溃口深度随时间的变化关系如图8所示。

对比图7和图8可以看出：溃口深度—时间曲线整体平滑，而且显示漫顶溃坝的前130s左右，溃口深度单位时间变化大，而后趋于平稳；溃口顶宽—时间曲线的折点较多，而且分别在60s、80s和150s的时候出现了陡增的趋势。通过摄像机捕捉的溃坝过程影像资料显示，分别在60s、80s和150s的时候出现了溃口两侧边坡垮塌的现象。分析其机理如下：

为了简化分析，做出了两点假定。首先假定溃口两侧边坡破坏的滑移面为垂直面；其次，鉴于溃坝时，坝体内部的水无法即刻排出，所以假定坝体内部水位无变化。得到的简化力学模型如图9所示。

坝体两侧的边坡失稳是溃口顶宽出现间歇性展宽的主要原因。根据公式（6）并结合简化力学模型可以得到公式（7）。

公式（7）中的H1和H2分别表示溃口一侧和坝体内部的静水压力；W、Ws和Wu分别表示干燥区域、饱和区域和坝体内水下堆积体的重量。

当F大于1时，溃口一侧的边坡虽有裂缝出现，但整体处于安全稳定状态；当F小于1时，溃口一侧的边坡裂缝发展迅速，并且开裂边坡内侧的坡体崩塌落入水中。如图10所示。

当漫顶水流不断冲刷溃口两侧的边坡导致溃口不断扩宽，从而形成梯形截面的溃口，随着持续的冲刷作用，溃口两侧的边坡会出现失稳现象。通过实验过程中捕捉的影像资料显示的溃口展宽的过程如图11所示。

4 总结

本文以模型试验为研究方式，基于相似理论进行了尾矿坝室内物理模型的降雨溃坝试验，重点研究了尾矿坝物理模型在漫顶溃坝过程中的溃口扩展特性。实验发现：

①溃口深度随时间的变化曲线较为平滑，表现出前期变化率高，而后趋于稳定的总体趋势；溃口顶宽随时间的变化曲线则存在较多的折点，曲线突变的位置较多。

②潰口的顶宽出现间歇性展宽的主要原因在于溃口两侧的边坡失稳。溃口顶宽—时间曲线的折点处分别对应溃口两侧边坡出现失稳的时间节点。

参考文献：

[1]李旭.降雨诱发尾矿库溃坝室内试验研究[D].昆明：昆明理工大学硕士学位论文，2016.

[2]张瑞谨，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学[M].武昌：武汉大学出版社，2007.

[3]赵振兴，何建京.水力学[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]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（增2）：3830-3838.

[5]徐向舟，刘大庆，张红武，等.室内人工模拟降雨试验研究[J].北京林业大学学报，2006，28（5）：52-58.

[6]PARK S W， MITCHELL J K， BUBENZER G D. Rainfall characteristics and their relation to splash erosion[J]. Transactions of the ASAE， 1983， 26（3）： 795-804.

[7]徐向舟，张红武，朱明东.雨滴粒径的测量方法及其改进研究[J].中国水土保持，2004（2）：22-24.