基于SPH模型的尾矿库溃坝风险模拟研究

摘要：作为一种具有高势能的危险源，尾矿库可能发生溃坝事故，进而产生泥石流，造成严重的人员伤亡和经济损失。传统的深度积分方法在模拟泥石流演进过程时存在局限性，而光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是一种新型的数值模拟方法，可以弥补传统方法的缺陷。以攀枝花市某尾矿库为例，构建溃坝泥石流的SPH模型，模拟不同工况下泥石流的演进过程，获得泥石流的流量数据，研究溃口宽度与深度对泥石流演进特征的影响。模拟结果与实际情况较为吻合，因此SPH模型可以有效模拟尾矿库溃坝风险。研究结果为尾矿库安全管理和风险防控提供新方法，有利于保障人民群众的生命财产安全，促进矿业可持续发展。

关键词：尾矿库；溃坝风险；光滑粒子流体动力学（SPH）；数值模拟

中图分类号：TD926.4 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.026

Simulation Study on dam failure risk of tailings Ponds based on SPH model

ZHOU Yuxi1， ZHANG Xinxin1， FAN Meng2

（1. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China;

2. Changshou District Emergency Management Bureau of Chongqing City， Chongqing 401121， China）

Abstract： As a hazardous source with high potential energy， tailings ponds may experience dam collapse accidents， leading to mudslides and causing serious casualties and economic losses. The traditional depth integration method has limitations in simulating the evolution process of debris flows， while Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） is a new numerical simulation method that can compensate for the shortcomings of traditional methods. Taking a tailings pond in Panzhihua City as an example， a SPH model for dam failure debris flow is constructed to simulate the evolution process of debris flow under different working conditions， obtain flow data of debris flow， and study the influence of breach width and depth on the evolution characteristics of debris flow. The simulation results are in good agreement with the actual situation， so the SPH model can effectively simulate the dam failure risk of tailings ponds. The research results provide new methods for the safety management and risk prevention of tailings ponds， thereby ensuring the safety of people’s lives and property and promoting sustainable development of the mining industry.

Keywords： tailings ponds; dam failure risk; Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）; numerical simulation

尾矿库是一种具有高势能的危险源，其安全管理一直是矿业领域关注的焦点。受自然因素和人为因素影响，尾矿库可能发生溃坝事故，进而诱发泥石流，这不仅会造成严重的人员伤亡和经济损失[1-5]，还会对当地环境造成长期且严重的污染[6]。因此，尾矿库溃坝风险评估至关重要。在尾矿库溃坝风险研究中，数值模拟发挥着越来越重要的作用[7-15]。传统的深度积分方法能够模拟泥石流的演进过程，但无法准确描述复杂地形条件下泥石流流动特性，忽略泥石流内部的相互作用，使得模拟结果往往与实际情况存在较大的偏差。因此，寻找一种更为先进、准确的数值模拟方法成为尾矿库溃坝风险研究中急待解决的问题。

近年来，作为一种新型数值模拟方法，光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）

逐渐崭露头角，其在处理复杂流体动力学问题方面展现出独特的优势[9]。SPH模型具有计算精度高、稳定性好等优点，使得其在处理尾矿库溃坝泥石流等复杂流体动力学问题时具有较大的应用潜力。目前，尾矿库溃坝泥石流模拟研究较少。尾矿库溃坝泥石流具有独特的流动特性，地形地质因素较为复杂，这就需要针对其特点进行专门的模拟研究。以攀枝花市某尾矿库为例，构建溃坝泥石流的SPH模型，模拟不同工况下泥石流演进过程，分析泥石流的流动特性、堆积规律以及影响因素。

1 SPH模型建立

该尾矿库堆积坝长度约为1 200 m，宽度约为170 m，高度为50 m，设计坝顶标高约为1 000 m。建立SPH模型，模拟该尾矿库溃坝而形成泥石流的过程。尾矿库模拟范围如图1所示，东南侧有河流穿过。研究区地形起伏较大，其地貌线、三维几何模型和SPH模型分别如图2、图3和图4所示。根据SPH模型的需要，模拟设置2种工况，即宽深溃口和窄深溃口。

2 模拟结果分析

2.1 宽深溃口工况

在宽深溃口工况下，随着时间的推移，泥石流的溃口流量和沟口流量发生明显变化，如图5所示。数值模拟结果显示，尾矿库溃坝形成的泥石流启动后，经过7 min左右便抵达沟口，沟口流量峰值达到2 250 m3/s。泥石流发生17 min时，部分河道已堵塞。泥石流发生2 h后，随着尾矿库内剩余尾矿的逐渐消耗，泥石流流量逐渐下降，最终接近0 m3/s。

2.2 窄深溃口工况

在窄深溃口工况下，随着时间的推移，泥石流的溃口流量和沟口流量发生明显变化，如图6所示。数值模拟结果显示，泥石流启动后，经过8 min左右便抵达沟口，比宽深溃口工况稍慢一些。泥石流发生15 min时，部分河道已被堵塞，与宽深溃口工况较为一致。随着时间的变化，泥石流流量逐渐减小，并呈现出间歇性流出的特征。经数值模拟，泥石流的溃口流量峰值约为1 000 m3/s，泥石流发生1 h时，沟口流量逐渐下降至100 m3/s。窄深溃口工况下，尾矿库溃坝泥石流的最终堆积情况与宽深溃口工况较为相似，但窄深溃口工况的流量较小，最终堆积范围也稍小一些。

3 结论

不同溃口工况下，构建SPH模型，模拟尾矿库溃坝泥石流演进过程。结果表明，SPH模型模拟效果优异，能够获得较为准确的泥石流流量数据。尾矿库溃坝泥石流流量与溃口宽度、深度的相关性较强，相比溃口宽度，溃口深度对泥石流流量的影响更大。总体来看，宽深溃口工况的溃坝泥石流规模大于窄深溃口工况。

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