尾矿坝溃坝模拟及影响范围预测*

金佳旭 梁 力 吴凤元 郭文亮，2 董天文

(1.东北大学资源与土木工程学院;2.机械工业第六设计研究院有限公司;3.后勤工程学院建筑工程系)

尾矿库作为一种特殊的水工建筑物，其稳定性直接关系到下游人民的生命财产安全。研究尾矿库的溃坝机理、预测溃坝尾砂流的淹没范围对尾矿库防灾减灾、提高尾矿库的安全管理和预防事故技术水平、保证库区下游人民的生命财产和生态环境安全等具有重要的意义。因此，对尾矿坝溃坝机理及溃坝影响范围的研究刻不容缓。国内外关于尾矿坝稳定性及溃坝机理研究已经取得了一定的进展，Jeyapalan［1-2］研究了尾矿砂流动的黏滞性模型并对溃坝后尾砂波进行预测;Wang、陈青生、Bastani等人［3-8］先后对尾矿动力稳定及渗流液化和滑坡的数值模拟进行研究。但这些理论大都基于经验公式［9］，无法准确定量地分析尾矿库溃坝的实际影响范围。如何构建尾矿坝的实际模型，通过一定的分析手段，模拟出溃坝流对下游的影响范围、到达的时间、淹没范围及深度，始终没有得到很好的解决。本研究采用ANAYSCFX流体动力学分析软件［10］，以辽宁某尾矿库为例，对溃坝过程进行模拟。通过模拟得出溃坝影响范围、溃坝历时、到达时间和尾砂堆积厚度等溃坝的基本规律，为溃坝灾害应急预案的编制和下游人员安全疏散方案的提出提供重要的理论依据。

1 工程概况

辽宁某矿选矿厂生产规模2 000 t/d，尾矿库位于选矿厂西南侧1.5 km，工程区地形起伏较大，高差悬殊，属中等切割的高中山地貌。坝体位于南北向的河沟内，呈“V”字型，属山谷型尾矿库。库两侧地形相对较陡，地势总体西高东低，南高北低，地形坡度15°～35°，海拔标高1 024～1 651 m，相对高差627 m。坡植被覆盖良好，覆盖率达80%以上，多为灌木、针叶林等。尾矿库区松散土层为第四系人工尾矿堆积物，以尾粉砂、尾粉土为主，基底及岸坡地层为第四系残坡积、冲洪积成因的碎石土、卵石等组成，下伏基岩由三叠系上统一碗水组(T3y)砂岩、板岩、炭质板岩组成。初期坝采用堆石坝，坝高27 m，设计总坝高112 m，有效库容670万m3。选厂于2008年6月投入运行，现堆筑子坝6级至1 201 m高程，每级约4 m，堆积坝高26 m，总坝高53 m。由于尾矿坝的各级子坝是用尾矿砂堆积而成，透水性差，导致坝体本身稳定性较差。另外，该尾矿库所处地区时有暴雨或轻度地震发生，在这些极端条件共同影响作用下，很可能造成尾矿坝的失稳破坏。一旦发生溃坝，大量的尾矿将倾泻下游，淤塞山谷，造成重大人员伤亡。

2 溃坝数值模拟

考虑到实际尾矿库和下游山谷地形的复杂性，新尾矿堆积坝子坝较多，但均较小，建模时将各子坝合并到一起考虑，合并后的子坝高26 m，下游坡比1∶5。尾矿库及山谷横断面定义为梯形，两侧坡度取45°，梯形下底边取100 m，上底边取260 m。尾矿库底面及山谷下游坡度均取2°。利用ANSYSWorkbench建立有限元模型，其中包括尾矿砂域、固定域和空气域3部分(尾矿库上方空气和下游山谷)，导入CFX－Pre生成整体计算模型，如图1所示。

图1 整体计算模型

在CFX－Pre中对整体计算模型进行网格划分，网格单元长度2 m，共有节点46 994个，单元22 511个。模拟类型定义为瞬态模拟，流变模型采用非牛顿流体模型中的Bingham模型，如图2所示。模拟总持续时间设为400 s，时间步长设为1 s，则总计算步数400步。根据现场实测数据，得出尾矿砂主要参数见表1。

图2 Bingham模型

表1 模型主要参数

3 计算结果分析

3.1 溃坝堆积历程分析

通过计算发现尾矿坝溃坝之后，尾矿砂流向下游演进运动，冲出初期坝坝坡之后形成涌波，并逐渐向下游扩散。坝前堆积区的面积和厚度在初期变化较大，到一定程度后变化较小，最后趋于稳定。从溃坝到尾砂停止运动总历时约400 s，通过CFX－Post创建尾矿砂等值面，几个典型时刻的尾砂流态变化如图3所示。

从图3可以看出，尾矿坝溃坝砂流开始于子坝中部偏上的位置，上部尾矿砂在0～200 s的过程中，由库内倾泻而出，重力势能迅速转化为动能，沿初期坝坝坡向下游冲击，速度快，破坏性大。200～350 s时，坝前堆积体逐渐形成，主要垂直坝体沿下游方向扩大;在250 s时，中部偏下位置的尾矿砂在上部尾矿砂冲刷下，也开始运动;350 s时，库内屈服面以下的尾矿砂停止泻出，已流出的尾矿砂在后续砂流的推动作用下继续以流体形态向下游推移。350～400 s，尾矿砂端头向下游方向运移缓慢，直至停止，最终在坝前形成一个尾部厚、向边缘逐渐变薄的尾矿砂堆积体。通过以上分析得出:尾矿溃坝堆积厚度主要形成在350 s以内，前200 s破坏性最大，由此定义溃坝前200 s为最危险时段，200～350 s为溃坝堆积扩展阶段，由于前200 s溃坝堆积量大、时间短、堆积比较集中，造成堆积密级，在溃坝堆积物应力作用下，此阶段开始卸载内部应力，最终完成尾矿砂堆积体形成。

3.2 溃坝尾砂泄流速度分析

图4为溃坝后几个典型时刻尾矿砂泄流运动的速度矢量图。从图中可以看出，任意时刻尾矿砂的速度大小均呈现出渐进式的变化，从尾部至端头速度逐渐增大，屈服面以上的尾矿砂在重力作用下，速度从零急剧增大，且近地面速度比表面速度大。溃坝初期，坝体内部的尾矿砂呈现出明显的滑移面; 100 s之后溃坝砂流到达坝体与地面的交点处发生碰撞，改变方向，砂流速度减慢，但在后续砂流的推动下，仍以较快的速度向下游推进一段距离，随后逐渐减慢，直至停止。图5是尾矿砂端头速度时程曲线。图中0～100 s时，速度增大很快;100 s时，尾矿砂端头速度为9.7 m/s，达到前期的高值;100～150 s时，速度下降至6.9 m/s;160 s时达到速度的最大值10.16 m/s;之后尾矿砂流速度缓慢减小，尾矿砂以较低的运动速度继续运移和堆积，直至最后停止运动。

图3 不同时刻的流态变化

图4 不同时刻的速度矢量

图5 端头速度时程曲线

由以上分析可得:溃坝初期尾矿砂克服自身的重力和黏聚阻力，由原来的约束体变为自由体，因此流速迅速增大，很快达到前期高值;当砂流撞击地面时，改变运移方向，造成能量损失，速度骤减;而在后续砂流推动下，速度再次增大并达到最大值;随后在自身黏聚力及地表摩阻力的共同作用下，速度逐渐变慢，停止运动。通过尾矿砂泄流速度更加验证了尾矿溃坝前200 s为溃坝主要堆积时间，在160 s速度达到最大值，为溃坝的最危险阶段。

3.3 溃坝尾砂堆积形态分析

溃坝结束时，坝前堆积形态如图6所示。从图中可以看出，坝体下游尾矿砂堆积体呈现为尾部厚、向边缘逐渐变薄的楔形体，尾部最大堆积厚度约为17 m，堆积体体积46.8万m3，最远流动距离为距初期坝外侧坝角1 150 m，溃坝后大部分尾矿砂流入下游。如此大量的尾矿砂泄入下游势必淤塞河道，淹没道路和农田，造成严重的灾害。而处于屈服面以下的尾矿砂在整个溃坝过程中始终处于静止状态，堆积于库区内，并没有受到溃坝的影响，其堆积厚度为中间大，两端小，最大堆积厚度位于尾矿库中部。

图6 最终堆积形态

库区内的尾矿砂之所以没有完全流出，而是形成具有一定坡度的楔形体，这是因为尾矿砂流自身具有较大的黏聚阻力，随着尾矿泻出，尾矿砂流表面的坡度逐渐减小，重力在该坡度方向产生的促使尾矿流动的剪切应力逐渐减小，当尾矿砂坡度减小到一定程度时，即该坡面上重力产生的剪切应力和尾砂砂流屈服应力相等时，尾矿砂流即停止运动，此楔形体的表面可以看作是尾矿砂流的屈服表面，该屈服表面以上的尾矿会在重力的作用下全部流出，而该表面下面的尾矿则会留在库内。

4 结论

通过对辽宁某矿尾矿库进行溃坝砂流演进模拟分析得出:溃坝过程中的前200 s为最危险时段，坝前堆积体主要在此阶段形成，堆积量大，速度快。尾矿砂流流速在溃坝后100 s时达到极大值，即9.7 m/s;160 s尾矿砂运动至坝体下游30 m，此时尾矿砂端头速度为10.16 m/s，速度仍非常大，冲击破坏力非常强。此后随着尾砂不断泻出，尾矿砂流流速进一步减小，350 s时尾矿砂基本停止运动。溃坝结束后，尾矿库下游堆积的尾矿砂堆积体，其最大堆积厚度为17 m，最远距离为距初期坝外侧坝角1 150 m的位置，如此大量的尾砂将会淤塞河道，淹没河岸上的道路和农田，造成严重的灾害。

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