尾矿库溃坝研究及数值模拟

刘晓峰

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

尾矿库是矿山企业生产中用于贮存选矿后尾矿的重要设施，也是潜伏巨大安全隐患的危险源。尾矿库的安全稳定不仅关系到矿山的正常生产运行，还关系到下游人民群众的生命及财产安全。 国内外尾矿库溃坝事故累见不鲜[1]：2008 年山西襄汾新塔矿业“9·8”溃坝事故造成 277 人死亡；2010 年广东信宜紫金矿业“9·21” 溃坝事故造成 22 人死亡；2014年陕西商洛场“10·4”溃坝事故造成 5 人死亡；2019 年巴西淡水河公司“1·25”溃坝事故造成235 人死亡。

导致尾矿库溃坝事故发生的原因较多[2]，且通常是由多种致灾因素叠加后共同作用的结果。 由于尾矿库溃坝事故影响较大， 国家对尾矿库的运行安全越来越重视，因此特别要求对尾矿库，尤其是“头顶库”进行尾矿库溃坝风险评估，研究制定治理和预防事故的措施，科学制定居民搬迁计划。尾矿库溃坝模拟能为尾矿库应急预案提供依据， 指导确定安全紧急疏散路线， 对于尾矿库灾害预防及下游居民生命财产安全保障有着重要的意义[3]。

1 尾矿库溃坝机理

尾矿库溃坝的致灾机理[4]主要包括渗透破坏、地震液化、坝体滑坡及洪水漫顶等。 1）渗透破坏。 渗透破坏主要是由于尾矿库库内水位的上升，导致尾矿库干滩长度减小，尾矿坝坝内浸润线升高，最终诱发渗流破坏。2）地震液化。地震液化主要是由于堆积坝尾砂粒度较细或尾矿欠密实，在地震作用下，超静孔隙水压力迅速增加，导致尾砂液化，进而形成裂隙渗流通道，造成坝体失稳破坏等。 3）坝体滑坡。 坝体滑坡主要因坝体坡度较陡、 筑坝材料黏聚力及抗剪强度较低，进而引起坝体局部或整体失稳破坏。4）洪水漫顶。 洪水漫顶主要是因突发超标准暴雨、洪水,或排洪设施失效等，导致尾矿库库内水位持续上升，致使子坝挡水，且洪水最终漫过子坝，进一步诱发了坝面拉沟、坝体失稳坍塌及尾矿水外泄等危害。

渗透破坏、地震液化及坝体滑坡这3 类致灾机理倾向于尾矿坝稳定分析范畴，在设计过程中可通过降渗、抗液化及坝坡放缓等措施控制。而洪水漫顶则是由于出现了突发暴雨，且排洪系统堵塞失效而造成尾矿库事故。相对前3 类溃坝方式，洪水漫顶导致的尾矿库溃坝事故对下游影响范围更广，危害更严重。

尾矿坝漫顶溃决过程及其机理[5]可以大致描述为：洪水漫过尾矿坝，漫顶水流在重力作用下不断冲刷尾矿坝。在尾矿库下部位置，漫顶水流率先达到尾砂起动流速， 尾矿坝坝身的尾砂开始与漫顶水流一起形成挟砂的尾矿水进一步冲刷坝体下游。 尾矿坝坝体经过不断地冲刷和掏深，形成了坡度很陡的深沟。 当深沟两侧尾砂体不能维持重力作用下的稳定时，坝体发生垮塌，使得溃口不断变宽变深，并逐渐向上游延伸，致使更多的尾矿水流出。尾矿水流速在崎岖地形和沿程阻力的作用下逐渐降低， 尾砂的水挟砂能力也逐步降低，最终尾砂沿程沉积。

2 模拟方法

目前对于尾矿库溃坝模拟主要有物理模型试验[6]和数值模拟[7]两种方法：1）物理模型实验。 物理模型试验是将地形地貌等按比尺缩小制作， 根据水平向及竖向比尺缩小比例是否相同， 可分为正态模型和变态模型，然后再根据相似原理，选择与实际尾砂相似条件较好的模型砂， 对溃坝过程及影响进行实时展现。2）数值模拟。数值模拟则主要通过电子计算机制作好尾矿库库区以及其下游周边地形的模型，再结合数值计算软件， 选择好数学模型， 设置模型参数、边界条件、初设条件及监测点，最终通过图像显示溃坝过程及溃坝后对下游影响范围及程度。 相比而言，物理模型试验搭建耗时较长，重复性较差，造价高，而数值模拟简便灵活，便于边界条件的调整，重复性较好，相对经济。

本文以某“头顶库”为例，采用CFD 软件数值模拟分析尾矿库漫顶溃坝后的淹没范围及影响程度。

3 初始溃口

根据溃坝过程的时间长短，可分为瞬间溃坝与逐渐溃坝。 由于尾矿坝坝体破坏不像刚性坝体那样瞬间溃决，且其溃口是逐步发展扩大的，故尾矿坝漫顶溃坝一般为逐渐溃坝。考虑到尾矿坝与水库中的土坝相对较为相似，且尾矿库漫顶溃坝的水流与水库溃决也颇为相似，因此可用工程类比法，借用水利学中的溃坝公式[8]。为反应尾矿库逐渐溃坝过程，在制作尾矿库模型时，事先在尾矿坝上设置一缺口，其宽度根据黄河水利委员提出的堤坝溃口宽度经验公式设置：

式中：b 为溃口宽度，m；W 为水库总库容，m3；B 为主坝长度，m；H 为坝高，m；k 为坝体材料经验系数（黏土类取0.65，壤土取1.30）。

为体现尾矿库溃坝后最不利情况， 初始溃口位置设置于尾矿坝最大断面处。

4 应用成果

溃坝数值模拟应用成果见图1~图8。

图1 尾矿库及下游构筑物模型

图2 下游村庄监测点

图3 溃坝10 min 后流速云图

图4 溃坝20 min 后流速云图

图5 溃坝1 h 后流速云图

图6 溃坝2 h 后流速云图

图7 尾砂淤积厚度云图

图8 下游村庄尾砂厚度监测值

5 成果分析

通过溃坝模拟结果可知：1）模拟实验开始后，溃坝水流在势能作用下沿预设溃口发生漫顶， 漫顶水流冲刷坝体下游侧壁面，形成冲沟。 在水流漫顶10 min 后，冲沟正式形成，此时冲沟内水流流速达8 m/s。2）随着水流继续冲刷坝体，冲沟迅速发育，发展成溃口， 下泄流量剧增， 流速增大， 在水流漫顶20 min后，最大水流流速达9 m/s，前端水舌已达谷口开阔地。 此处地势开阔，水流速度下降，并造成淤积。 同时，库内水面下降，溃口继续扩宽，下泄流量增大，导致下游窄谷中水位上升。3）漫顶溃坝发生1 h 后，水流开始对坝体下游村庄建筑造成影响。 此时溃口已经扩展到最大，库内水面大幅度降低，下泄流量相应减小，尾砂沿程沉积于坝体下游沟谷中。4）库内水位逐步干涸，溃口停止发展，下泄流量持续减小，直至断流。2 h 后，溃口下游基本无径流，只有少部分低洼地带还有少量水流残存。5）在溃坝发生后，尾砂随水流下泄，其中大部分尾砂都沉积于下游的沟谷之中，仅小部分尾砂随水流移动至村庄低洼区沉积。 最终村庄内仅几栋建基面较低的建筑会受尾砂沉积影响（仅 probe3 和 probe4 监测点附近受影响，probe1 和probe2 监测点区未受影响），最大深度约1.8 m。

6 结论

1）通过尾矿库溃坝数值模拟，可预测溃坝后对下游的影响范围及程度。 据此可为尾矿库失事提前预警、人员疏散及相关安全预防措施等提供重要的依据。

2）利用流体力学软件对尾矿库溃坝进行数值模拟是较新的一个研究方向，为使计算结果更接近真实工况，应结合实际溃坝案例，给模型赋予准确的参数。

3）为尽量避免或减轻溃坝造成的危害，应严格按照相关要求，加强尾矿库生产运行管理；同时可引导找出万一溃坝发生其溃口的位置， 即在筑坝过程中， 靠厚实山体一侧较其它段的尾矿坝滩顶高程可稍低些。