尾矿库溃坝条件下区域水土流失模拟研究

周 桥

(辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110003)

尾矿库主要用于堆存金属矿物、非金属矿山的废渣场所，一般位于山谷的谷口区域[1]，是维持矿山生产的必要措施，同时也是金属非金属矿山的重大危险源。尾矿库可以视作人造的具有高势能的泥石流形成区[2]。对矿库溃坝情景下的水土流失模拟，可以有助于区域做好相关防洪规划。当前，对于尾矿库溃坝模型大都集中在对洪水的模拟[3- 7]，但对于水土流失的模拟研究还较少，为此本文结合水力-泥沙耦合模型[8- 10]，对辽宁省某尾矿库溃坝条件下的水土流失进行模拟研究，研究成果对于尾矿库的防洪措施治理具有重要参考价值。

1 水力-泥沙耦合模型

相比于传统模型，改进模型首先计算尾矿库的溃坝宽度，主要采用以下方程进行计算。

b=K1K2W1/4B1/7H1/2

(1)

式中，b—计算的溃坝宽度，m；K1—尾款库的稳定性系数，本文取值为1.8；K2—尾矿库的特性参数，本文取值为1.4；W—尾矿库的总的容量，本文库容为4872万m3；B—尾矿库的总体长度，研究的尾矿库总体坝长为350m；H—尾矿库的总体高度，研究的尾矿库总体高度为80m。

就尾矿库而言，溃坝时水位一般较高，整个尾矿库处于液化状态，考虑其总体安全性，采用圣维南方程进行其溃坝最大洪水值的计算。

(2)

式中，Qm—溃坝洪水的最大流量，m3/s；K—计算系数，本文取值为0.35；g—重力学加速度，为9.8m/s2；b—尾矿库溃口的总体宽度，m；H0—尾矿库水位，m。

尾矿库一旦溃坝，堆存的细粒尾矿在地表水的作用下形成溃决型泥石流，给下游人民生命财产带来极大损失。溃决最大流量沿程演进，就是模拟最大流量演进到某一断面时其流量、水位、流速、传播时间等水文参数，为下游防洪安全服务。从尾矿库坝址沿程演进流量可采用以下方程进行估算。

(3)

式中，QL—从坝址演进后经过断面的最大流量值，m3/s；QW—尾矿库溃坝情景下的最大水土流失体积，m3；L—从其坝址向下游传播的最远距离，m；Vm—演进的最大速度，m/s；K—计算参数，本文取为1.4。

泥石流传播时间可采用黄委会水科所根据实验求得的传播时间计算公式。

(4)

式中，t—传播时间，s；k—经验系数，1.0；W—溃坝下泄泥石流体积，为431.5万m3；H—坝前水深，本文取为19.6m；hm—最大流量平均水深，m。

2 模型应用

2.1 区域概况

某尾矿库坝址以上总占地面积为2605.9hm2，其中耕地(山坡地)面积408hm2，林地面积2014.2hm2，宅基面积11.7hm2，余者为河流、道路、自留山地面积。库区原居住总农业人口2024人，目前现库区已无人居住。大坝依照使用年限共分十级，在建设初期尾矿库的总体设计高度为200m，其顶部的最大高程为250m，坝高之间的间距为40m，尾矿库的总体中心轴线的长度为300m，坝体的总体宽度为5m，上游到下游的总体比降为1∶2.0，下游断面的总体比降达到1∶1.6，尾矿库的总体特性为堆石坝体，三维地形如图1所示。

图1 尾矿库三维地形示意图

2.2 尾矿库设计洪水计算

结合辽宁地区设计洪水计算方法对尾矿库不同频率下的设计洪水进行计算，计算结果如图2所示。

当尾矿库的最大防洪标准达到300年一遇时，尾矿库所能够进行的最大防洪库容已经大于其设计条件的库容值，考虑到原有设计条件下未对其出流泄水曲线进行设定，因此其防洪标准能力复核时未能总体考虑尾矿库自身的下泄水流能力。通过对其设计洪水的计算发现，当发生超过300年一遇洪水时，尾矿库发生溃坝的风险程度最高，而现有尾矿库的库容淤积情况十分严重，已经不能满足防洪库容的要求，因此防洪标准已不能达到300年一遇。在考虑整体库区所在流域的进出水量平衡的原因，其防洪标准较低，总体只能达到200年一遇的防洪标准。

2.3 溃坝洪水计算

采用经验公式复核溃决宽度、坝址处溃决流量、流量沿程演进传播时间分析结果见表1—2及图3。

表1 溃坝最大流量沿程演进计算结果表

图2 不同频率下的尾矿库溃坝洪水模拟研究

表2 溃坝最大流量传播时间成果对比表

图3 溃坝洪水及泥沙传播曲线

根据上文尾矿库水文计算及调洪演算结果，尾矿库在遭遇200年一遇(P=0.5%)以上超标准洪水时，因调洪库容和排洪系统最大泄量的不足，极易发生尾矿库坝前积水及子坝挡水，造成洪水漫顶而溃坝。从表1中可看出，各断面平均水深在2～8m，最大流量可达到16242m3/s，基本可达到200年一遇标准。从表2中可看出传播时间最短为7.8s，最大流量和泥沙传播时间随着时间的推移，流量呈现衰减变化，而泥沙呈现增对变化趋势。

2.4 溃坝泥沙计算

结合溃坝泥沙计算方法对各断面的泥沙沿程负荷进行计算，计算结果见表3。

表3 溃坝最大流量沿程演进成果表

溃决最大流量沿程演进，就是模拟最大流量演进到某一断面时其流量、水位、流速、传播时间等水文参数。从表3中可看出，随着尾矿库溃坝洪水传播时间及距离的增加，尾矿库水土流失的影响面积逐步衰减，其传播的最大距离为其坝址下游的4.5km处，因此这个区域属于较为危险的区域，该区域内应该重点水土流失防治和人员安全转移。

2.5 溃坝水土流失演进结果

结合水力-泥沙耦合模型对不同时段的水土流失演进结果进行三维展示，结果如图4所示。

图4 不同时段泥沙演进结果

从图4可以看出，不同时段尾矿库矿砂向下游淹没的影响范围逐步衰减，从各个时段的水土流失演进结果可看出，随着溃坝洪水传播的时间和距离的增加，溃坝洪水淹没的最低高程为170m，高于附件居住地的最低高程，故发生溃坝时，河道被堵塞，房屋受到溃坝尾砂的影响较小。

3 结语

改进的水力学-泥沙耦合模型为尾矿库溃坝洪水水土流失计算提供了重要依据，可进行推广应用，随着溃坝泥沙演进时间和距离的增加，其水土流失量呈现逐步衰减的变化效应；

本课题在进行尾矿库溃坝洪水演进时未结合实际数据进行模型校核，在以后研究中应对模型的适用性进行分析。