中线式尾矿库洪水漫顶溃坝演化规律模拟研究

罗志雄，王 迪，夏洪波，高尚青，李培良，吕言东

(1.应急管理部信息研究院，北京 100029；2.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院，北京 100083)

0 引言

近年来国内外尾矿库溃坝事故时有发生，对人民群众生命财产安全和生态环境造成重大损失。2008年9月8日，山西省襄汾县新塔矿业公司“9.8”特别重大尾矿库溃坝事故造成277人死亡、4人失踪、33人受伤，直接经济损失9 619.2万元[1]。2019年1月25日，巴西东南部米纳斯吉拉斯州布鲁马迪纽市发生尾矿库溃坝事故，致使超过250人死亡[2]。尾矿库溃坝事故的时有发生，为我国尾矿库安全运行和管理敲响警钟。

尾矿库溃坝原因包括洪水漫顶、坝体失稳、地震和静力液化等因素，国内外学者采用不同的研究方法对尾矿库的溃坝机理、影响范围和防治措施等开展了相关的研究工作。陈生水等[3]建立的尾矿库边坡失稳溃坝数学模型，可考虑连续降雨条件下尾矿库的渗流场和应力场变化、溃口和底床变化对溃坝下泄物流量过程影响；王仪心等[4]基于蒙特卡洛方法分析尾矿坝的失效概率，利用深度积分方法，模拟溃坝发生后下泄尾砂流的影响范围及其冲击强度；Hanson等[5]通过多次物理试验，对高度为1.5～2.3 m的堤坝进行大规模逐渐溃坝的试验；刘磊等[6]和张力霆等[7]采用物理模型试验方法对尾矿库溃坝过程进行研究，试验成果可预测尾矿库漫顶溃坝洪水流量及溃口变化过程，还可用于尾矿库溃坝事故的反演分析；李火坤等[8]采用FLOW-3D软件对尾矿库逐渐溃坝过程进行数值模拟，分析了尾矿库逐渐溃坝时溃口随时间的变化过程以及溃坝后尾砂的淹没范围；王昆等[9]采用SPH方法对尾矿库溃坝演进进行模拟，利用无人机摄影测量重建得到高精度正射影像与卫星遥感数字表面模型，并结合SPH算法实现更高分辨率的溃坝演进预测。在现行政策要求和同等坝高的前提下，中线式尾矿库能获得更大的库容。对企业而言，在同一沟谷内能获得更大库容的筑坝方式具有天然的吸引力，因此我国中线式尾矿库的数量有逐渐增多的趋势，尤其是一些大型企业的尾矿库多采用中线法筑坝，如江西德兴铜矿4#及5#尾矿库、山西峨口铁矿第一尾矿库、西藏巨龙铜矿甲玛沟尾矿库等，该类尾矿库具有库容大、总坝高较高的特点，一旦发生溃坝将对下游居民生命财产和当地的生态环境造成巨大的影响。

根据国内外溃坝事故类型统计，大多数为渗透破坏、洪水漫顶所致。与上游式尾矿库相比，中线式尾矿库的安全度相对较高，主要表现在大量的粗尾砂堆筑在坝前，且浸润线的埋深较大，在严格按设计要求控制好堆积坝总坡比的前提下，发生渗透破坏而导致尾矿库溃坝的可能性很小；此外，中线式尾矿库运行过程中，坝坡会随旋流器排出沉砂的蠕动出现上游坡陡、下游坡缓的现象，一般情况下，设计文件中会对临时边坡坡比、临时边坡高度作出要求，在浸润线埋深极低、坝前区域堆筑粗尾砂的前提下，中线式尾矿库有发生局部边坡失稳、垮塌的可能性，但因局部边坡失稳、垮塌而导致溃坝的可能性极低。针对工程实际，本文采用物理模型试验和数值模拟方法，对某中线式尾矿库洪水漫顶溃坝的动态过程和溃决机理进行对比分析，旨在提出可行的工程措施，科学制定减轻溃坝影响的方案。

1 尾矿库基本概况

拟研究的尾矿库总坝高170 m，总库容1.9亿m3，尾矿库等别为二等库。该尾矿库属于狭长型尾矿库，尾矿库从初期坝坝址到库尾约有4 km，只有1个主沟，没有支沟。尾矿库两岸山脊线之间的宽度1.8～2.0 km，走向为西北-东南走向。尾矿库纵剖面示意如图1所示。

图1 中线式尾矿库堆积坝纵剖面示意 Fig.1 Schematic of longitudinal section of mid-line tailings pond accumulation dam

尾矿坝筑坝区由初期坝、堆积坝、拦砂坝、排渗设施及截水沟组成。初期坝采用不透水堆石坝，堆积坝采用中线式尾矿筑坝，即始终保持堆积坝轴线与初期坝轴线重合，将旋流器均匀地布置在坝顶，分级出的粗尾砂排往下游筑坝，溢流细尾砂排往库内，库内滩面平均坡度约1%。在尾矿堆积坝下游最终边线设碾压堆石拦砂坝。在初期坝与下游拦砂坝之间铺设排渗垫层，垫层由合理级配的新鲜碎石组成，在筑坝区两侧支沟沟谷处设指状排渗盲沟。

尾矿库防渗设施由库区防渗设施和库外防渗设施组成，库区防渗设施采用全库区铺设1.0 mm 的HDPE土工膜进行水平防渗，库外防渗设施采用截渗坝和垂直帷幕灌浆型式。尾矿库排洪采用框架式排水井-隧洞式排洪系统。

2 物理模型试验

作为研究尾矿库溃坝的1种手段，尾矿库物理模型试验就是仿照原型尾矿库，遵循相似的准则，缩制成模型，依据其所受的主要作用力，进行试验研究，以模型重演与原型相似的自然形态进行观测，取得数据，然后按照一定的相似准则引申于原型，可得原型的实际现象和性质。

2.1 模型相似条件

本模型属于超常规的大型整体模型试验，设计依据尾矿库溃坝模型设计方法[10-11]和相关规范规程[12-13]，并参考泥石流模型设计的新进展[14-15]，给出如下相似条件：水流重力相似条件、水流阻力相似条件、水流挟沙相似条件、泥沙悬移相似条件、河床变形相似条件、泥沙起动相似。本次试验选择容重适中、化学性质稳定的拟焦沙作为尾矿库溃坝模型试验的模型砂。模型建立时，根据中线式尾矿库的特点，将尾矿分层概化为2层，即旋流器沉砂部分的粗砂层和溢流部分的细砂层，以初期坝坝轴线为界限，模型的沉积滩面坡度按设计滩面坡度考虑。

2.2 试验方法与结果

本试验采用高速摄像机对溃坝过程、演进过程及影响范围等进行全程详细记录。溃坝流量通过测量表面流速推求平均流速，查阅断面形态资料等方式求得。

在尾矿库库尾设置1套降雨装置，待水位逐渐升高淹没至坝顶附近时，采用人工引流的方式，自堆积坝顶向上游库区开挖1条引流道，实现人工干预的洪水漫顶溃坝试验，如图2所示。

图2 中线式尾矿库洪水漫顶溃坝模型试验全景Fig.2 Panoramic view of model test of overcrowding dam of mid-line tailings pond

随着水量的增加，干滩长度越来越短，水位逐渐漫流至堆积坝顶，即将开始溢流，开挖初始引流道后作为试验开始时刻。初始泄流沿坝坡面向下冲刷形成小槽，如图3所示。试验过程历时54 min时，库区溯源冲刷距坝顶108 m左右，坝顶溃口宽度约11 m，此时初期坝下游沟道泄流情况如图4所示。经过此段时间的泄流冲刷，堆积坝坝顶至拦砂坝之间坝面上的泄洪形成了上下贯通的状态。历时56 min时，洪水到达下游居民点，沟内洪水平均流速约1.52 m/s。

图3 后期坝顶溃口位置及初始泄流情况Fig.3 Location of dam crest break and early discharge situation in later period

图4 初期坝下游沟道内泄流状况Fig.4 Discharge condition in channel downstream of starter dam

堆积坝底部的初期坝被泄流不断冲刷后裸露，库区泄流槽内由于两侧尾矿滑塌或坍塌而形成的淤积面上，在坝前约630 m处形成溯源冲刷。库区内泄洪通道约630 m处出现尾矿滑塌并堵塞泄流，但上游泄流仍以暗流的形式从堵塞的尾矿下潜出。试验结束后上游库区内尾砂的冲淤状态如图5所示。由图5可以看出，溃坝结束后大部分尾砂仍滞留库内，溃口底部和两侧冲刷侵蚀严重，溃口处存在崩塌面。

图5 试验结束后上游库区内冲淤状态Fig.5 Erosion and siltation status in upstream reservoir area after end of test

尾矿库溃坝后对下游的影响程度是模型试验研究的重点。溃坝后被洪水冲刷的尾矿随水流下泄，沿程不断淤积。不同断面的淤积形态与初始沟道的对比如图6所示。试验表明，溃坝过程持续时间约14.5 h，坝顶被泄流冲刷形成的溃口宽约289 m，尾矿库下游沟道研究范围内尾矿淤积约871万m3。

图6 溃坝后下游沟道沿程不同位置断面淤积情况 Fig.6 Sedimentation of sections at different locations along downstream channel after dam break

通过粒子图像测速仪PIV系统重点在初期与洪峰时对右侧靠近山体的坝顶溃口、拦砂坝坝址及下游居民点附近的流场及流速进行测量，并以左岸冲刷边界为起点进行冲淤计算，如图7～8所示。可得拦砂坝附近最大流速11.9 m/s；最大洪峰流量为17 000 m3/s。

图7 洪峰期拦砂坝坝址附近流场分布Fig.7 Distribution of flow field near sand-retaining dam site in flood peak period

图8 洪峰期拦砂坝坝址断面表面流速分布Fig.8 Velocity distribution on surface of sand-retaining dam site during peak flood period

3 数值模拟分析

中线式尾矿库洪水漫顶溃坝数值模拟中，尾砂流体性质控制参数见表1。

表1 尾砂流体性质控制参数Table 1 Tailings fluid properties control parameters

根据所建立的整体计算模型，模拟区域包含重点研究对象(库区及其下游居民点)，为保证计算精度并提高计算效率，模拟区域网格尺寸为1 m，总网格共计2.1亿网格。将尾矿库库尾上游边界设为流量边界，溃坝初始时刻为满库水位，溃坝的起始时刻为尾矿库内洪水漫顶的开始时刻，洪水填满库容的时间过程在本数值模拟中忽略。由于在数值模型中无法模拟尾矿坝在洪水漫顶过程中的薄弱部位，本模型在模拟时通过人为设定初始溃口来模拟尾矿坝渐溃的薄弱部位，考虑渐溃的最不利情况，初始溃口设置在尾矿堆积坝顶中部位置。尾矿库及所在区域地形三维数值模型[16]和不同计算时刻的溃坝物质流体形态如图9所示。从尾矿坝不同时刻的溃坝流体在沟谷内的流动形态情况来看，其演化趋势与物理模型试验基本一致，整体模拟计算过程中，水流沿着初始溃口不断冲刷底部和两侧，位于坝轴线前的截面先被冲刷，随着水量减少，冲刷速度减弱，溃口冲刷程度剧烈且形状不规则。计算结束时，尾砂大部分滞留在库内，堆积坝受冲刷程度较大，计算时长28 min时尾砂流到达下游居民点，数值模拟的尾砂流整体流动速度快于物理模型试验，但尾砂在下游沟谷内的流动规律和物理模型试验结果较接近。

图9 不同计算时刻的溃坝物质流体形态Fig.9 Dam break material and fluid form at different calculation times

4 应急拦砂坝防治措施效果分析

以往溃坝事故表明，处于山谷地形的尾矿库下游无拦挡工程，溃坝下泄的尾砂流具有流速快、影响距离大等特点。根据中线式尾矿库洪水漫顶溃坝流体演进规律，考虑在初期坝下游2.5 km狭窄沟谷处，修建1座24 m高的混凝土应急拦砂坝工程，以此分析此措施的拦淤作用，如图10～11所示。

图10 初期坝下游2.5 km设置应急拦砂坝Fig.10 Set up an emergency sand-retaining dam 2.5 km downstream of starter dam

图11 溃坝洪水到达应急拦砂坝前Fig.11 Dam-break flood reaches front of emergency sand dam

根据试验结果，坝下沟道试验范围内尾矿淤积约845万m3，其中应急拦砂坝以上淤积约510万m3，应急拦砂坝下至模型出口淤积约329万m3，如图12～13所示。设置混凝土应急拦砂坝后，能拦滞尾矿洪水38 min，从坝顶溢流至尾砂流到达居民点位置约需94 min，表明应急拦砂坝的拦淤作用良好。

图12 尾矿库下游设置应急拦挡坝三维数值模型Fig.12 Three-dimensional numerical model of emergency blocking dam downstream of tailings pond

图13 应急拦砂坝拦挡尾砂流效果Fig.13 Effect drawing of emergency sand dam for blocking tailings sand flow

数值模拟结果表明，尾矿库溃坝过程从坝顶溢流至尾砂流到达拦砂坝需约22 min，到达下游3 km处居民点位置约需44 min。设置混凝土应急拦砂坝后，能拦滞尾矿洪水约16 min，可为下游居民争取更多的撤离时间，一定程度上可减轻溃坝事故造成的危害。

5 结论

1)与上游式尾矿库相比，中线式尾矿库安全度相对较高；在遭遇洪水漫顶时，由于中线式尾矿库外坝坡采用粗尾砂堆积，其渗透系数偏大，中线式尾矿库溃口发展的速率较上游式尾矿库更快，但大量的尾矿仍滞留在库内，溃决尾矿量较小，不足总库容的5%。

2)与物理模型试验相比，数值模拟的演化趋势与物理模型试验基本一致；由于初始溃口的破坏机理不同，溃口发展的特征有所区别，采用数值模拟得出的尾砂流整体流动速度较快，但尾砂在下游沟谷内的流动规律和物理模型试验结果较接近。

3)根据溃坝后下游沟道内的尾砂的淹没程度，可考虑在初期坝下游狭窄沟谷处，修建应急拦砂坝工程，一是可进一步减轻溃坝对下游居民的影响，二是可为下游居民争取更多的撤离时间。