尾礦庫壩體潰決參數(shù)預(yù)測*

李天華　黃　杰　李小雙

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心；2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

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尾礦庫壩體潰決參數(shù)預(yù)測*

李天華1,2黃杰1,2李小雙1,2

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心；2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

摘要尾礦庫壩體潰決參數(shù)對其潰決形成泥石流災(zāi)害具有非常重要的影響。依據(jù)潰決基礎(chǔ)理論，探討了尾礦庫壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測方法。以云南磷化集團(tuán)海口磷礦的玉銅汞凹子尾礦庫為例，分析了全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決4種壩體潰決形式下，尾礦庫潰壩的泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址最大泥石流流量、潰壩泥石流流速、潰壩泥石流動壓力及壩址泄砂流量過程線等潰決參數(shù)。研究成果不僅對于減少因尾礦庫潰壩造成的損失有重要的現(xiàn)實意義，而且為尾礦庫設(shè)計者與礦山管理決策者提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞尾礦庫潰決形式潰決參數(shù)預(yù)測

尾礦庫堆放選礦后的廢棄礦渣[1]，是礦山企業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)施。據(jù)初步統(tǒng)計，到目前為止，世界上具有各類尾礦庫超過2萬座[2]，我國占有率為60%，堆積尾礦量達(dá)80億t[3]。尾礦庫運行中，如果發(fā)生壩基失穩(wěn)、洪水漫頂、地震、滲流場及涌浪，尾礦庫會潰壩形成泥石流，嚴(yán)重威脅下游區(qū)域人民的生命財產(chǎn)安全。2008年9月8日，山西省襄汾縣發(fā)生的特別重大尾礦庫潰壩事故，造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)9 619.2萬元[4]。

尾礦庫潰壩泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址、最大泥石流流量、潰壩泥石流速度、潰壩泥石流動壓力及壩址泄砂流量過程線等壩體潰決參數(shù)，決定潰壩形成泥石流災(zāi)害效果。如壩址下游沿程最大泥石流流量、潰壩后泥石流在下游各點的運動傳播時間(泥石流開始出現(xiàn)時間、泥石流最大流量達(dá)到時間及泥石流消退時間)及危害范圍等，決定下游區(qū)域造成災(zāi)害的嚴(yán)重程度。因此，本文開展尾礦庫壩體潰決參數(shù)預(yù)測方法研究，為尾礦庫潰壩誘發(fā)泥石流災(zāi)害的防治與預(yù)警提供參考。

1　尾礦庫壩體潰決參數(shù)預(yù)測研究

1.1壩體潰決形式

礦山尾礦壩潰決形式主要取決于壩的類型。由于礦山尾礦壩的初期壩為土石混合料堆積壩，后期為直接用尾砂堆積的土壩，遇上洪水漫頂和壩基管涌及滲漏，引起潰壩的水流沖擊力極強，從決口開始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面，整個時間過程非常短暫，尾礦庫潰壩為瞬時潰壩；從潰壩缺口規(guī)模分析，全局潰壩與局部潰壩在尾礦庫壩體潰決中都可能出現(xiàn)，全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決等尾礦庫壩體潰決均有可能發(fā)生。

1.2尾礦庫泄砂總量

尾礦庫潰壩泄砂總量是尾礦庫潰壩對下游造成嚴(yán)重災(zāi)害的重要參數(shù)，一般尾礦庫泄砂總量的計算按尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)，利用土坡穩(wěn)定性的方法進(jìn)行估算。由于尾礦壩潰決時往往伴隨著暴雨，庫區(qū)尾礦砂呈飽和狀態(tài)，為安全起見，一般考慮最不利的情況，

泄砂總量可看作是可能潰決高度以上的全部庫容( 包括庫內(nèi)沉積區(qū)全部洪水及尾礦砂量) 。

1.3尾礦庫潰壩決口平均寬度

參照黃河水利委員會科學(xué)研究院的經(jīng)驗公式[5]，經(jīng)過修訂，尾礦庫潰壩決口平均寬度為[6]

(1)

式中，b為尾礦庫潰壩潰口平均寬度，m；K1為與壩體材料有關(guān)的系數(shù)，黏土K1=0.65，壤土K1=1.30；W為潰壩時泄砂總量，m3；B為潰壩時壩前水面寬度或壩頂長度，m；Hs為潰壩時水頭或壩體高度，m。

1.4潰口壩址最大泥石流流量估算

首先計算潰口壩址最大洪水流量，再用雨洪修正法計算潰口壩址最大泥石流流量。根據(jù)肖克列奇(Schoklitsch)經(jīng)驗公式，估算潰口壩址最大洪水流量：

(2)

式中,Qbhs-max為潰口壩址最大洪水流量，m3/s；H0為潰壩前壩體處水深，m。

在式(2)的基礎(chǔ)上，依據(jù)雨洪修正法原理,估算潰口壩址最大泥石流流量(也稱為東川公式)：

(3)

式中,Qbns-max為潰口壩址最大泥石流流量，m3/s；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，其取值見文獻(xiàn)[7]；φ為泥石流修正系數(shù)；γh為泥石流固體物質(zhì)重度，g/cm3;γc為泥石流流體重度，g/cm3。

1.5潰壩泥石流流速計算

尾礦壩潰壩形成的泥石流流速為

(4)

式中,Vns為泥石流流速，m/s；n為泥石流溝床的糙率系數(shù),取值見文獻(xiàn)[7]；Hc為計算斷面泥石流的平均泥深，m；I為泥石流溝的水力坡度，一般近似取溝縱坡比降，‰。

1.6潰壩泥石流動壓力

尾礦壩潰壩形成的泥石流動壓力為

(5)

式中,σ為尾礦壩潰壩形成的泥石流的動壓力，kN/m2；K2為潰壩形成的泥石流不均勻系數(shù)，對黏性泥石流取2.4～3.0。

1.7壩址泄砂流量過程線

潰壩初始時刻流量由初始流量Q0瞬時突增到Qbns-max，緊接著流量迅速下降，最后趨近于初始流量Q0。對于壩址泄砂流量過程線，工程上多采用4 次拋物線來概化，見表1。

表1　尾礦壩壩址流量概化過程[5]

表2中：t為壩址泄砂流量過程的任意時刻，s；Q為壩址泄砂流量過程相應(yīng)t時刻流量，m3/s；T為尾礦庫的泄空時間，s，可采用下式計算得到

(6)

式中,K3為系數(shù)，對于4次拋物線，一般取4～5[5]。

2　工程應(yīng)用

2.1尾礦庫基本情況

玉銅汞凹子尾礦庫屬于云南磷化集團(tuán)?？诹椎V，分布在磷礦北西向分水嶺一側(cè)的玉銅汞凹子山谷，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)102°28′36.5″，北緯24°47′26.3″。該尾礦庫一次設(shè)計分期施工，壩體為碾壓土石壩，屬擋水壩。初期壩設(shè)計壩長150 m，底寬76 m，頂寬5 m，壩頂高程1 970 m，壩高33.5 m；最終設(shè)計標(biāo)高1 990 m，壩高49.5 m，設(shè)計庫容365萬m3，設(shè)計使用年限15 a。后期尾礦壩加高到1 987 m，壩頂寬6 m，壩長約210 m。

2.2壩體潰決參數(shù)預(yù)測

以玉銅汞凹子尾礦庫設(shè)計為基礎(chǔ)，分析其庫容與壩體高度的關(guān)系，見圖1。

圖1　玉銅汞凹子尾礦庫庫容與壩體高度的關(guān)系

根據(jù)玉銅汞凹子尾礦庫設(shè)計的基礎(chǔ)資料，分析得出了庫容Vkr與對應(yīng)的壩體高度Hdkr滿足如下關(guān)系式：

(7)

相關(guān)系數(shù)R2=0.998。

根據(jù)尾礦庫設(shè)計規(guī)程中尾礦平均粒徑與泥石流固體物質(zhì)密度的關(guān)系，可得到該尾礦庫的泥石流固體物質(zhì)密度γh=1.95 g/cm3(?？诹椎V尾礦平均粒徑為0.037 4 mm),泥石流流體密度γc=1.70 g/cm3，泥石流修正系數(shù)φ=2.80，泥石流堵塞系數(shù)Dc=2.0、溝床地形縱坡比降I=100、泥石流溝床糙率系數(shù)n=0.038、K1=0.65、K2=2.7、K3=4.5及h0=0。

根據(jù)尾礦庫壩體潰決參數(shù)預(yù)測理論，分析可得到玉銅汞凹子尾礦庫全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決四種壩體潰決形式的潰決參數(shù)，見表2、圖2。

表2　玉銅汞凹子尾礦庫4種潰壩形式潰決參數(shù)

圖2　玉銅汞凹子尾礦庫4種潰壩形式的潰壩流量過程線 ◆—全潰決；■—1/2潰決；▲—1/3潰決；×—1/4潰決

3　結(jié)　論

(1)探討了尾礦庫壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測方法，分析得到尾礦庫潰壩泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址最大泥石流流量、潰壩泥石流流速、潰壩泥石流動壓力及壩址泄砂流量過程線等。

(2)以云南磷化集團(tuán)?？诹椎V的玉銅汞凹子尾礦庫為例，應(yīng)用尾礦庫壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測方法，分析得到其全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決四種壩體潰決形式的潰決參數(shù)。

本文研究成果，不僅對減少因尾礦庫潰壩造成的損失具有重要的現(xiàn)實意義，而且可為尾礦庫設(shè)計者與礦山管理決策者提供一定的理論依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]田文旗,謝旭陽.我國尾礦庫現(xiàn)狀及安全對策的建議[J].中國礦山工程，2009，12(6):42-49．

[2]Rico M, Benito G, Salgueiro A R. Reported tailings dam failures：a review of the Europeanincidents in the worldwide context[J]. Journal of Hazardous Materials，2008，152(2):846-852.

[3]李全明,張興凱,王云海.尾礦庫潰壩風(fēng)險指標(biāo)體系及風(fēng)險評價模型研究[J].水利學(xué)報,2009,40(8):989-994．

[4]山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫潰壩事故[EB/OL].[2016-05-06].http://baike.baidu.com/link?url=H77GdhR3d4ijkYGr5eAZV-

iNEru4oKFJVObxY3NSsiuNT-o8qN-ikKiDLkr34JM5G9v5J2YD9Z-

xlW30hXeNHfzK.

[5]李煒.水力計算手冊[M].2版.北京:中國水利水電出版社，2006.

[6]山西省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院.尾礦庫潰壩災(zāi)害數(shù)值模擬分析[EB/OL].(2013-10-15)[2016-05-06].http://ajs.sxaj.gov.cn/keyangongzuo/keyantuiguang/weikuangkukuibazaihaishuzhimonifenxixitong/2013-10-15/899.html

[7]中華人民共和國國土資源部.DZ/T 0220—2006泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

(收稿日期2016-05-09)

PredictionoftheOutburstParametersofTailingsDam

LiTianhua1,2HuangJie1,2LiXiaoshuang1,2

(1.NationalEngineeringResearchCenterofPhosphateResourcesDevelopmentandUtilization;2.YunnanPhosphateChemicalGroupCo.,Ltd.)

AbstractOutburst parameters of tailings dam have a very important effect on debris flows generated in tailings dam outburst. According to the basic outburst theory,the outburst forms and parameters of tailings dam are discussed.Taking Yutonggongaozi tailings reservoir in the Haikou phosphate mine that is belongs to Yunnan phosphate group Co. Ltd as the example,the outburst parameters (total discharge sand amount,average width of dam outburst,maximum debris flow discharge in the damsite,debris flow velocity of dam outburst,debris flow dynamic pressure of dam outburst,discharge hydrograph of tailings dam outburst in damsite) of the tailings dam are analyzed under the conditions of total outburst,1/2 outburst,1/3 outburst and 1/4 outburst.The study results of the paper not only have important realistic significance to reduce loss by the tailings dam outburst,but also play a reference guiding role for design,management and construction of tailings reservoir.

KeywordsTailings reservoir,Outburst form,Prediction of outburst parameters

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB08B01,2013BAB07B06)；云南省科技領(lǐng)軍人才計劃項目(編號：2014HA014)。

李天華(1966—)，男，高級工程師，碩士，650600 云南省晉寧市。