基于FLOW-3D的尾礦庫數(shù)值模擬對下游影響研究

梁 萱，曾智超

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌330029；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌330029）

0 引言

尾礦庫即是礦場提煉礦石中的精礦后將剩余廢渣排入庫內(nèi)進(jìn)行堆存和沉積的貯存場所，一般在山谷口部、河道或凹地的周邊筑壩。由于尾礦庫潰壩不僅會(huì)使得庫區(qū)內(nèi)的水流泄出，并且其裹挾尾礦等固體廢渣對下游造成的危害更甚于一般的堤壩，從而引起下游地表水及地下水體的污染[1]。而且，由于尾礦壩規(guī)模及范圍較龐大，且?guī)靸?nèi)以包含重金屬等污染物質(zhì)的尾礦為主要部分，一旦發(fā)生潰壩、滲流等事故，庫內(nèi)尾礦砂大量沖泄，壅塞河道，沖垮房屋、農(nóng)田、道路和橋梁，必將嚴(yán)重威脅下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，并危害庫區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境，破壞之大，往往令人觸目驚心[2]。

洪水漫頂是導(dǎo)致尾礦庫潰壩的主要原因之一，但是由于尾礦庫一般處于偏僻惡劣地區(qū)，且潰壩發(fā)展相對較快，大多數(shù)對尾礦庫潰壩的研究都是潰壩后通過查閱資料、問訪等方式進(jìn)行調(diào)查，因此現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)尤為匱乏[3]。采用數(shù)值模擬研究可以方便直觀的呈現(xiàn)尾礦庫潰壩進(jìn)程，同時(shí)，也可以克服試驗(yàn)不易修改和耗費(fèi)時(shí)間的缺點(diǎn)，并且，也可利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，解決復(fù)雜的工程問題。姜清輝、胡利民[4]等人通過總結(jié)分析近年來國內(nèi)外尾礦庫潰壩研究進(jìn)展，提供了預(yù)防尾礦庫潰壩的可能方法；馬海濤、張亦海[3]等人通過對國內(nèi)外尾礦庫物理模型試驗(yàn)研究資料的收集和分析，總結(jié)尾礦庫潰壩機(jī)理及影響因素，為監(jiān)測預(yù)防尾礦庫潰壩提供了建議；林長強(qiáng)[5]基于FLUENT軟件提供的自定義函數(shù)功能，對于潰口實(shí)時(shí)變化編制了動(dòng)網(wǎng)格程序，實(shí)現(xiàn)了水流的三維逐漸潰壩數(shù)值模擬，計(jì)算得到潰口流量過程及下游河道洪水演進(jìn)情況。

因此，本文以實(shí)際工程為例采用數(shù)值模擬的方法對尾礦庫動(dòng)態(tài)潰決過程進(jìn)行模擬，通過采取工程措施前后對比分析，分析采取工程措施的有效性和必要性，該成果可應(yīng)用于降低和規(guī)避尾礦庫潰壩的風(fēng)險(xiǎn)，對其設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行全過程都具有重要的指導(dǎo)意義。

1 尾礦庫潰壩統(tǒng)計(jì)分析

通過對美國、歐洲和中國從2001年至2015年發(fā)生的尾礦庫潰壩事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6～8]的分析可以看出，造成尾礦庫潰壩的主要原因大致可以分為六類：洪水漫頂、穩(wěn)定破壞、滲流破壞、結(jié)構(gòu)破壞、其它原因以及不明確的原因。圖1中給出了不同類型潰壩事故模式所占的百分比。其中，穩(wěn)定破壞造成的潰壩事故數(shù)量最多，共有52例，占28.57%；結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的次之，共39例，占總數(shù)的21.43%。結(jié)合圖2可以看出美國和中國發(fā)生尾礦庫潰壩失事的主要原因是穩(wěn)定破壞和結(jié)構(gòu)破壞，而歐洲發(fā)生尾礦庫潰壩失事的主要原因是其他各因素導(dǎo)致的。當(dāng)尾礦庫發(fā)生洪水漫頂時(shí)往往伴隨極端災(zāi)害天氣，應(yīng)急搶救難度大，漫頂潰口一旦啟動(dòng)，潰壩難以控制。因此，本次潰壩研究的主要針對洪水漫頂潰壩工況。

圖1 尾礦壩潰壩失事原因分析

圖2 尾礦壩潰壩事故原因分析

2 尾礦庫潰壩數(shù)值模擬

2.1 尾礦庫基本情況以及三維建模

本文中某尾礦庫中的尾礦壩的初期壩型采用透水堆石壩[9]，后期堆積壩采用上游式放礦堆壩工藝。初期壩頂高程325.0m（黃海高程，下同），壩高25.0m，壩軸線長120m，壩頂寬5.0m，上游坡比1：2，上游壩坡布置反濾層，下游壩坡坡比1：1.75。尾礦庫后期堆壩平均坡比1：3.5，尾礦庫最終堆積高程取361.0m，具體剖面尺寸圖如圖3所示。

圖3 尾礦壩剖面圖

根據(jù)尾礦庫實(shí)際地形圖生成地形曲面，而后建立初期壩及堆積壩三維模型形成尾礦壩三維模型。如圖4所示。

圖4 尾礦庫整體樞紐及下游村莊整體模型實(shí)體

2.2 逐漸潰壩計(jì)算模型及其邊界條件

2.2.1 尾砂的基本參數(shù)

在尾礦庫潰壩的數(shù)值模擬的泥沙模型中，尾砂特性控制參數(shù)如表1所示。

表1 尾砂特性控制參數(shù)

其中，臨界希爾茲系數(shù)可用Soulsby-Whitehouse方程[10]計(jì)算：

其中，θcr為臨界希爾茲系數(shù)，無量綱；d*為泥沙顆粒的當(dāng)量粒徑，mm；sn=ρn/ρ，vf為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；τcr為泥沙床面的臨界剪切力，Pa；ρn為泥沙顆粒的密度，g/cm3；ρ為水流密度，g/cm3。

挾帶系數(shù)、推移質(zhì)系數(shù)和休止角取默認(rèn)值。

2.2.2 網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點(diǎn)、截面設(shè)置

根據(jù)所建立的整體計(jì)算模型，模擬區(qū)域?yàn)閹靺^(qū)及其下游3km范圍，為保證計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，模擬區(qū)域共劃分為5個(gè)網(wǎng)格塊，總有效網(wǎng)格共計(jì)310萬左右。

為分析潰壩尾砂下泄過程泥沙淤積情況，共選取9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。監(jiān)測點(diǎn)位置如圖5所示。為分析潰壩尾砂下泄過程中流量及速度情況，共截取12個(gè)河道斷面進(jìn)行分析，斷面位置如圖6所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)位置圖

圖6 各流量監(jiān)測斷面位置

2.2.3 采取工程措施后的計(jì)算模型

采取工程措施后的計(jì)算模型如圖7所示，此模型在尾礦壩壩腳下270m處設(shè)置剛性攔擋壩，壩高15m，坡度1:1，壩頂高程290m。計(jì)算模型的前處理設(shè)置、計(jì)算求解初始和邊界條件、監(jiān)測斷面和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置相同。

圖7 采取工程措施后模型圖

2.2.4 邊界條件及來流條件設(shè)置

（1）來流條件設(shè)置。為了提高計(jì)算效率保證計(jì)算效果，本工程數(shù)值模擬計(jì)算中對洪水過程線做如下等效處理：

（a）潰壩的起始時(shí)刻為尾礦庫內(nèi)洪水漫頂?shù)拈_始時(shí)刻，洪水填滿庫容的時(shí)間過程在本次數(shù)值模擬中忽略。

（b）以庫內(nèi)尾水高程至尾礦庫壩頂高程之間的庫容為依據(jù)，在設(shè)計(jì)洪水過程線中找到設(shè)計(jì)洪水剛好填滿尾礦庫存水庫容（即漫頂）的時(shí)刻Ts，在Ts時(shí)刻以前的洪水過程線中的洪水總量在數(shù)值模型計(jì)算中以洪水滿庫庫水的形式考慮。

（c）針對在Ts時(shí)刻以后的洪水過程線，計(jì)算Ts時(shí)刻后設(shè)計(jì)洪水的洪水總量，以該洪水總量除以數(shù)值模型計(jì)算總時(shí)間（本文中數(shù)值模型計(jì)算時(shí)間為1 000s）即可得到換算的流量值，該流量值即為數(shù)值模型中的流量邊界條件輸入值。

（2）邊界條件設(shè)定。網(wǎng)格塊相連接部分均設(shè)為對稱（Symmetry）邊界；有山體阻擋的部分設(shè)為壁面（Wall）邊界；底面均設(shè)置為壁面（Wall）邊界；頂面均設(shè)置為壓力（Pressure）邊界，也即自由液面；尾礦庫庫尾上游邊界考慮洪水來流條件，設(shè)為流量邊界；下游出口處為模擬的流體流出邊界，故設(shè)為自由出流（Outflow）邊界。

（3）初始潰口的選擇。由于在數(shù)值模型中無法模擬尾礦壩在洪水漫頂過程中的薄弱部位，本模型在模擬時(shí)通過人為設(shè)定初始潰口來模擬尾礦壩漸潰的薄弱部位，考慮漸潰的最不利情況，初始潰口設(shè)置在最大壩高對應(yīng)的壩頂位置。該位置潰口發(fā)展至最終結(jié)束時(shí)，下泄尾砂量最大，對下游的影響最嚴(yán)重。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 各斷面流量對比

各斷面流量最大值統(tǒng)計(jì)如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，增加攔擋壩之后斷面最大流量值為2 093.24m3/s，發(fā)生在潰壩后360s的2-2斷面處。因?yàn)閿r擋壩建在斷面2-2的下游，圖8給出了3-3斷面之后采取工程措施前后流量對比圖，從圖8中數(shù)據(jù)可知，斷面3-3的最大流量明顯減少，結(jié)合水流流場圖可以看出攔擋壩中攔住了一部分水流，下游潰壩水流減少，水流到達(dá)斷面時(shí)間明顯延遲，從斷面7-7的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，流量隨時(shí)間變化的趨勢是一致的。10-10斷面之后無水流經(jīng)過。由此可見，增加攔擋壩可以有效擋住水流，降低流量，延緩水流的進(jìn)程。

圖8 采取工程措施前后各斷面流量對比圖

表2 采取工程措施前后各斷面流量對比值

2.3.2 各斷面平均流速對比

采取工程措施前后各斷面平均流速對比如圖9所示，各斷面流量最大值統(tǒng)計(jì)如表3所示。由于攔擋壩建在斷面2-2的下游，對比采取工程措施前后監(jiān)測斷面的平均流速隨時(shí)間變化圖可以看出，斷面3-3的平均流速明顯降低，結(jié)合表3的對比數(shù)據(jù)，斷面3-3的平均流速減小了近一半，發(fā)生時(shí)刻也明顯延遲。采取工程措施后，10-10斷面之后無水流經(jīng)過，流速為0。

圖9 采取工程措施前后各斷面平均流速圖

表3 采取工程措施前后各斷面最大平均流速值對比

2.3.3 監(jiān)測點(diǎn)水位對比

結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)位置圖5，對比分析采取工程措施前后各監(jiān)測點(diǎn)的水深情況，不難看出，采取工程措施后可以適當(dāng)減少水流的淹沒范圍。圖10給出了各監(jiān)測點(diǎn)采取工程措施前后水深對比圖。

圖10 采取工程措施前后各監(jiān)測點(diǎn)水深對比圖

監(jiān)測點(diǎn)1～3位于下游溝口左側(cè)偏高的位置，增加攔擋壩后經(jīng)過三個(gè)點(diǎn)的水流明顯減少，對監(jiān)測點(diǎn)附近房屋的影響可以忽略不計(jì)。結(jié)合整體水位場圖可以看出，采取工程措施后，水流到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)4～6的時(shí)間明顯延遲，但是由于監(jiān)測點(diǎn)4、5、6處于山谷的最低處并且是水流的必經(jīng)之處，加上攔擋壩壩內(nèi)庫容有限，因此對于監(jiān)測點(diǎn)4～6來說，水深影響不大。

結(jié)合各斷面流量流速圖可以看出，增加攔擋壩后，水流的流速降低，淹沒范圍減小，大部分水流聚集于監(jiān)測點(diǎn)6與監(jiān)測點(diǎn)7之間的洼地上，監(jiān)測點(diǎn)7～9的水流影響減小。采取工程措施前后各監(jiān)測點(diǎn)水深數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 監(jiān)測點(diǎn)水位的對比

3 結(jié)語

本文通過對采取工程措施前后的尾礦庫潰壩進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)兩次計(jì)算結(jié)果對比了尾礦壩潰壩后對下游村莊及房屋的影響。結(jié)果表明，設(shè)置了攔擋壩后，斷面流量流速有所降低，并且出現(xiàn)最大流量流速的斷面時(shí)間也推遲了，由此可見，增加攔擋壩可以有效擋住水流，降低流量，延緩水流進(jìn)程，有效降低潰壩對下游的影響。