新余天赋矿业3 号尾矿库溃坝数值模拟分析

张书滨，甘小艳，张立存

（江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西南昌 330025）

根据国家相关部门的数据显示，目前国内拥有约12 万个尾矿库，2012 年至2016 年每年的尾矿库矿产量超过16 亿吨[1]。 尾矿库是一个具有高势能的人造石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。尾矿库溃坝的原因是多种多样的，有渗流破坏、边坡失稳、构造缺陷和洪水漫顶等[2-3]。 但无论是哪种原因，坝体的破坏过程都可以分为突然溃决的瞬溃和渐进式破坏的渐溃。 相较于渐溃,瞬溃造成的溃坝洪峰流量更大，流速更快且造成次生灾害的程度更深。

为了分析溃坝对下游影响， 同时为制定应急措施提供依据，众多学者对溃坝进行了一定的研究。叶仁强[4]通过数值模拟分析了模型沙容重与水下休止角对相似性的影响， 并得出中型容重且水下休止角与原型接近的模型沙溃坝后时间相似性、 淤积厚度相似性均最好。 姜永丰、余国平等[5-10]借助 Flow-3D软件进行数值仿真模拟， 分析了尾矿库流量变化并确定了溃坝对下游的影响范围。叶帅[11]采用AHP-模糊综合评价法研究了尾矿库漫顶溃坝灾害事故的风险评估方法和应急救援机制。 郭顺[12]通过颗粒级配、固结等试验了解尾砂特性并分析尾砂对增大溃坝风险的影响程度。 肖利兴[13]基于尾矿工程分析水砂流对下游开阔地的影响程度。 武立功[14]通过物理模型试验与数值模拟试验探究不同粒径尾砂筑坝时发生漫顶溃坝时的溃决反应。 胡良才[15]基于VOF 方法、RNG k-ε 紊流模型研究铀尾矿库溃坝泥石流演进规律及其对下游环境的影响。

本文基于新余天赋矿业3 号尾矿库加高扩容工程，比较尾矿库溃坝溃口宽度不同经验公式，分析尾矿库溃坝溃口宽度大小， 采用Flow-3D 软件分析尾矿坝在一定溃口宽度下发生瞬间溃坝时溃坝砂流的运移范围，以及对下游产生的影响。

1 项目概况

1.1 矿山基本概况

天赋3 号尾矿库位于江西省分宜县钤山镇境内，属钤山镇管辖，有乡村公路相通，交通较为方便。 尾矿库坝顶中心点地理坐标为：X=3 058 292，Y=38 566 139，现坝顶高程为 150.00 m。

该尾矿库为五等库，尾矿坝坝型为拦挡坝，一次性机械碾压土石坝，设计坝顶高程为136 m。 考虑到尾矿厂长远发展需要， 尾矿库又存在一定的加高扩容条件，加高设计将尾矿坝高程从136.00 m 加高至150.00 m，加高后坝顶高程为 150.00 m，尾矿坝总坝高为 36.52 m，尾矿库总库容为 314.5×104m3，有效库容为 232.6×104m3。 扩容后该尾矿库为四等库，库内主要水工构筑物等级为4 级，防洪标准为200 年。尾矿库剖面见图1，主坝现状情况见图2。

1.2 尾矿库下游情况

天赋3 号尾矿库加高扩容工程采用碾压土石坝筑坝。尾矿库为山谷型尾矿库，库区下游坝脚直线方向1 km 以内存在村庄、公路等设施，详见图3。

由图3 可知，下游主要情况为：正下方是大片较为平整农田，高程在98.5 m 左右；距离坝脚最近的民房（下田村）直线距离仅 808.43 m。 民房沿 224 省道（分宜至安福公路）往北分布，民房地面高程大约为 97.5～101.5 m；下田村民房西侧 224 省道路面高程为102.5 m 左右，公路面高程比下田村民房地面高出值≥1 m。公路的西侧还分布有渣村、松山村，其地面高程基本与公路高程相同；越远离公路往西，房屋地面高程越高，见图4。

2 尾矿库瞬溃溃口计算

2.1 溃坝经验公式分析

溃坝溃口平均宽度计算主要是基于经验公式，利用统计学方法， 对有关工程溃坝资料进行收集整理，进行回归分析，建立溃坝溃口平均宽度与坝高、坝型、溃坝时水头、水库库容等参数之间的经验关系。 国内学者针对尾矿库溃坝经验公式已有众多研究。

务境飞[16]在溃口宽度计算上，通过经验公式法对下坞尾矿库溃坝尾砂演进过程进行模拟分析，并结合溃口变化规律试验数据对水库溃坝理论的经验公式进行修正， 以期最大程度展现尾矿库溃坝真实情况。袁兵、王飞跃[17]根据多个大坝的实际溃决资料,提出尾矿坝溃坝的数学模型, 模型考虑尾矿的物理力学性质及流动变形特征， 并确定了溃坝口平均宽度的重要参数。

Johnson 等[18]最早对土石坝、重力坝和拱坝的溃口宽度进行了统计分析， 其中土石坝的溃口平均宽度取值范围为：

式中：Bavg为溃口平均宽度，m；hd为坝高，m。

唐友一[19]根据实际资料分析认为，溃坝溃口平均宽度主要是由引起溃坝的水流冲刷能力与坝体材料抗蚀能力相互作用的结果， 所得到的土坝溃口平均宽度计算公式为：

式中：k 为与坝体土质有关的系数，k黏土约为 0.65，k壤土约为 1.3；W 为溃坝时水库蓄水量，m3；B 为溃坝时坝前水面宽度或坝顶长度，m；H 为溃坝时水头或溃坝时坝前水深，m。

梅世昂等[20]等针对均质坝对模型输入变量进行无量纲化处理，选择库容形状参数、水位比参数及坝高参数等作为自变量进行回归分析， 建立了可模拟土石坝溃口平均宽度（均坝质）的计算公式：

式中：hw为溃坝时溃口底部以上水头深度，m；hb为溃口最终深度，m；Vw为溃坝时溃口底部以上水库库容，m3；h0为单位高度，设定 h0=1 m。

王旭[21]利用国内外 57 组土石坝漫顶溃决实测资料， 建立了土石坝漫顶和管涌溃决溃口平均宽度的回归预测模型：

式中：H 为溃坝时水头，m；W 为泄砂总量，m3。

2.2 溃口宽度计算结果

漫顶溃坝是最主要的溃坝模式， 本项目计算中的溃坝模式设定为漫顶溃坝， 且假定溃坝高度是从地基以上全部溃决，由此可得公式（2）中泄砂总量W 为 314.5×104m3，坝顶宽度 B 为 400 m，溃坝时水头 H 为 36.52 m，材料系数 k 取 0.65；公式（3）中坝时溃口底部以上水库库容 Vw为 314.5×104m3， 溃坝时 hw=hb=hd=36.52 m，单位高度 h0取 1 m；公式（4）中泄砂总量 W 为 314.5×104m3， 溃坝 时水头 H 为36.52 m。 最终计算结果得出：公式（2）、（3）、（4）的溃口平均宽度 Bavg分别为 74.97 m、74.39 m、76.85 m。

综合考虑经验公式的预测精度和安全性角度，本文采用3 个公式的平均值，堆积坝最终溃口平均宽度为 75.40 m。

3 尾矿库溃坝数值模拟方法

3.1 分析工况

为掌握、 分析尾矿库排水系统失效或者发生超标准洪水时的情况， 本文采用Flow-3D 软件针对洪水漫顶溃坝事故对下游的影响范围进行数值模拟。

尾矿坝溃坝模拟采用瞬间溃坝的模拟。 给定土石坝一定溃口宽度及深度（由经验公式确定），考虑瞬溃时，沿溃口溃出的尾矿浆体与坝顶平齐，即库内尾砂顶面高程为150.0 m。报告溃坝模拟采用定床模型， 即不考虑溃坝浆体对沟谷两岸山坡的冲击破坏和对河床下垫面的冲刷下切破坏， 不考虑动力液化破坏的影响。

3.2 计算模型及控制方程

采用Auto CAD Civil 3D 进行三维数字建模，坝体模型见图5，计算网格见图6。

如图6 所示， 将计算区域整个原型设置为1 个网格，尺寸为2 100 m×1 300 m。 单个网格块的尺寸为3.5 m，总有效网格数控制在900 万个内。

选择泥沙模型和湍流模型。湍流模型选择RNG k-ε 模型，对库内尾砂，取泥沙质量分数为64%，即1 m3泥浆中含泥沙1 700 kg； 坝体部分设置为固定边界。 Flow-3D 泥沙冲刷模块可以模拟流体中泥沙的运动过程，通过预测泥沙的侵蚀、平流扩散和沉积来模拟泥沙运动。 泥沙模型尾砂特性见表2。

表2 泥沙模型尾砂特性

Flow-3D 考虑泥沙以悬沙和底沙两种形式存在。 悬沙即悬浮在流体中的泥沙， 质量浓度一般较低，由对流扩散方程控制；底沙即堆积于河床上的泥沙， 不随水流运动且在计算域内以临界底沙体积分数的形式存在，临界值可由用户自定义。

3.3 初始条件及边界条件

初始条件： 假定溃坝发生在最终堆积坝顶高程150.0 m 处，考虑极端情况，洪水位与尾矿堆积坝顶齐平，水位以下为水砂混合体。上游边界、左侧边界、右侧边界由于山体阻挡，流体无法流出,故将其设置为壁面（Wall）边界条件；下侧边界由于有道路等较低地形，流体会逐渐流出，因而设置为自由出流（Outflow）边界条件；底面边界为壁面（Wall）边界条件；顶面边界为压力边界（Pressure）条件，即自由液面。

3.4 后处理

Flow-3D 自带后处理功能FlowSight， 可利用该功能处理监测断面。 为分析溃坝淹没过程中尾砂厚度、流量及速度情况，共截取3 个断面，见图7。 其中，1-1 断面为沿下游沟谷的纵断面，起点位于坝脚处；2-2、3-3 剖面分别位于居民房的附近。

3.5 尾矿库瞬溃模拟结果分析

1）尾矿库溃坝淹没情况。从溃坝开始计时，一共计算1 050 s。不同时刻溃坝及尾砂淹没情况见图8。尾矿坝溃坝过程中水流的动力完全来自于坝体内尾矿库的重力影响产生的泄流，在重力作用下库内尾砂沿溃口朝山沟溃下，70 s 内，尾砂已运移到沟口；140 s时，由于沟谷处地势较低，尾砂将沟谷全部填满，并继而向宽阔的农田区扩散，由于右岸山体阻挡，尾砂稍微向南方向偏移；420 s 时，尾砂已经大部分流入农田；840 s 时，尾砂沉积范围趋于稳定；1 050 s 尾砂运移范围与840 s 基本相同。 虽然溃坝属于最危险的状况，但由于坝高度不高，库区内尾砂含量也较高，水含量相对较少，出沟口后为大片宽阔农田，尾砂动能得到减小，所以溃坝后最终并未产生较大淹没范围，尾矿主要沿着溃坝的主方向运动并且堆积，尾矿堆积并没有到达房屋与公路处，对其影响很小。

2）不同断面淹没厚度。 其堆积厚度见图9。

由图9 可知，断面1-1 为沿沟谷尾砂堆积厚度，可以看出1～300 m 沟谷段尾砂堆积厚度较厚， 出沟口后堆积厚度逐渐减小，末端堆积厚度仅0.2 m，溃坝尾砂最远运移距离为750 m， 运移距离虽比渐溃远，但还未到达房屋位置，距离房屋位置约50 m，如图 9（b）、图 9（c）所示，对房屋及公路无影响。

4 结论

通过数值模拟及相应的分析与研究， 可以得出以下结论：1）通过水槽溃坝模型试验和数值模拟对比表明，采用Flow-3D 软件可以合理反映尾矿库溃坝尾砂运移范围， 能较好模拟尾矿库溃坝对下游的影响。 2）提出了尾矿库溃坝溃口平均宽度的计算方法，以不同的相关经验公式，分别获取了溃口的平均宽度， 并以经验理论公式和计算结果进行了逐一的探讨和验证，确定了溃口宽度，为后续进行尾矿库瞬溃溃坝的数值模拟提供了理论依据。 3）通过尾矿库渐溃溃坝数值模拟分析表明， 溃坝所淹没的范围距坝脚最远约600 m， 运移距离不远， 未到达下游房屋，溃坝对下游房屋、公路无影响。 4）通过尾矿库瞬溃溃坝数值模拟分析表明，1～300 m 沟谷段尾砂堆积厚度较厚，出沟口后堆积厚度逐渐减小，末端堆积厚度仅0.2 m， 溃坝尾砂最远运移距离为750 m，运移距离虽比渐溃远，但还未到达房屋位置，距离房屋位置约50 m，溃坝对下游房屋及公路无影响。 5）为了减小尾矿库溃坝发生的概率， 汛期应加强对尾矿库排洪系统、尾矿坝体的巡查，确保尾矿库排洪系统完好畅通及坝体完好。