頭頂尾礦庫潰壩下游平原區(qū)防護措施優(yōu)選研究

李姝景 劉曉峰 武立功 肖利興 姚 池 姜清輝1

（1.南昌大學建筑工程學院，江西南昌330031；2.江西省尾礦庫工程安全重點實驗室，江西南昌330031；3.青州市應急管理局，山東濰坊262500；4.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330031）

尾礦庫一旦潰壩，壩內的尾礦砂、水、泥將以泥石流的形式流出，會嚴重威脅下游居民的生命財產安全，因此對尾礦庫下游進行有效防控很有必要［1-4］。

目前，關于尾礦庫潰壩特征及演進的研究方法主要有物理模型試驗和數(shù)值模擬兩種［5］。陶冬良［6］以鉬礦尾礦庫潰壩事件為工程背景，利用模型試驗法，明確了潰壩事故發(fā)生時的安全撤離時間以及尾礦庫潰壩形態(tài)和潰壩洪水狀態(tài)的影響因素。張力霆等［7-8］基于某尾礦庫工程，運用模型試驗法和數(shù)值模擬法，研究了尾礦庫的潰壩機理及過程，總結了潰壩破壞模式。王儀心等［9］以山西襄汾尾礦庫潰壩事故為例，介紹了尾礦庫潰壩安全風險評價方法，并定量評價了其風險程度。為研究尾礦庫逐漸潰壩時潰口的變化形態(tài)以及下游淹沒范圍，李火坤等［10］利用FLOW-3D軟件建立了潰壩數(shù)值模型，分析了各位置淹沒深度及變化情況，驗證了模擬的可行性。李鋼等［11］按一定的相似比尺建立了物理試驗模型，分析了尾礦庫潰壩后泥石流的演進規(guī)律以及沖擊力，并將模型試驗結果與數(shù)值模擬結果進行了對比，驗證了所建模型的可靠性。王學良等［12］分別利用Massflow和PFC3D兩種方法模擬了尾礦庫潰壩后水砂的運動特征，并進行了對比分析。王光進等［13］利用模型試驗方法進行了尾礦庫漫頂潰壩分析，并探究了潰壩模式。廖威林等［14］基于ANSYS CFX軟件對尾砂的流變特性進行了研究，結果表明：尾砂顆粒的粗細、濃度均影響剪切應力大小。敬小非等［15］以秧田箐尾礦庫為研究對象，通過改變潰壩時的潰口形態(tài)，分析了下泄泥沙的流動特性，認為下泄泥沙的沖擊力、演進規(guī)律以及淹沒范圍均受到潰口形態(tài)的影響。陳俊等［16］利用FLOW-3D軟件建立了潰壩數(shù)值模型，分析了潰壩后庫內泥沙對下游產生的影響。陳小玉［17］研究了尾礦泥沙流變參數(shù)的計算方法，并分析了尾礦庫發(fā)生潰壩后下泄泥沙的演進規(guī)律。

近年來，學術界對尾礦庫潰壩泥沙的成因及內力的研究較多，對下游防護措施的研究較少［18］?，F(xiàn)有的尾礦庫潰壩特征研究主要集中在潰壩砂流的演進特征、潰壩形式等方面，對提前設置防護措施以減少下游居民生命財產損失等方面的研究涉及較少。采取合理的防護措施對于尾礦庫工程防災意義重大，尤其是下游開闊地形范圍廣、影響大的尾礦庫工程，相關防護的研究更為迫切。本研究以具有開闊下游區(qū)域的永平銅礦尾礦庫為例，建立下游設置不同形式攔擋壩的物理模型，分析不同形式攔擋壩對潰壩砂流的影響，并基于FLOW-3D軟件對該模型進行三維數(shù)值模擬，計算并分析潰壩后下游淹沒范圍以及不同形式攔擋壩的攔擋效果，為尾礦庫潰壩泥石流防控研究提供參考。

1 模型試驗

1.1 工程背景

江西省永平銅礦5座初期壩中1#壩的下游部分區(qū)域存在大量的居民區(qū)與農田，如圖1所示。該類現(xiàn)象也普遍存在于國內其他尾礦庫中，如湖北省楊家灣尾礦庫。此類尾礦庫發(fā)生潰壩時，會威脅到下游居民的生命財產安全。為研究開闊地形下的潰壩砂流演進過程并確定下游最優(yōu)防護措施，本研究通過在實驗室內搭建尾礦庫潰壩試驗三維模型，對下游尾砂淤積厚度以及潰壩砂流的影響范圍進行分析，探究砂流影響范圍以及下游泥沙淤積厚度的變化規(guī)律，在此基礎上，對下游防護壩的布置形式進行優(yōu)選。

1.2 試驗方案

1.2.1 材料選取

為了保證尾砂的化學性質相似，試驗所用的模型砂取自永平燕倉尾礦庫。選取的尾砂粒徑均小于0.5 mm，顆粒級配曲線對比如圖2所示。尾砂具體物理性質及力學參數(shù)取值見表1。

1.2.2 試驗裝置

試驗模型是由制漿系統(tǒng)、貯漿系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)組成。其中，貯漿系統(tǒng)尺寸為80 cm×50 cm×100 cm（長×寬×高），系統(tǒng)上方和前方均為開放的，在水槽內設簡易的斜坡裝置，使槽內后方略高于潰口處，以便減少水槽內尾砂淤積，確保能下泄充足的尾砂量，形成尾礦庫庫區(qū)模型。在貯漿系統(tǒng)前方開口處插入塑料擋板，便于儲存足夠的尾砂，達到瞬間潰壩的目的。為防止槽內泥沙壓力過大造成擋板變形，在擋板前嵌入兩根橫向鋼筋來固定擋板，由此構成排漿系統(tǒng)。模型試驗裝置如圖3所示。

1.2.3 攔擋壩確定

為探究不同形式攔擋壩對潰壩下泄泥沙流的影響，從而確定最優(yōu)攔擋角度，試驗采用了3種形式的壩體，夾角分別為 180°（工況1）、135°（工況 2）、90°（工況3），并且將壩體均設在距潰口1.5 m處。

1.2.4 試驗過程

參照《尾礦庫手冊》［19］以及課題組相關研究經驗，確定試驗所需水砂混合物體積為10 m3，水砂濃度比為1∶1，通過制漿系統(tǒng)將尾礦砂和水按照試驗濃度比攪拌均勻，完成潰壩泥沙的初步制備，通過泄沙口將泥沙排放入貯沙池以模擬高勢能待潰頭頂尾礦庫，迅速打開排漿裝置，高勢能泥沙向下游開闊區(qū)流出，潰壩砂流演進開始。同時，利用高速攝像機記錄砂流在開口區(qū)的演進情況，通過數(shù)據(jù)量測系統(tǒng)記錄下游尾砂淤積厚度、尾砂影響范圍等數(shù)據(jù)。

1.3 試驗結果及分析

1.3.1 不同攔擋壩形式下的下游泥沙淤積厚度特征

泥沙淤積厚度是研究泥沙演進規(guī)律的一個重要參數(shù)，在本次試驗中，通過分析泥沙淤積厚度可以直接體現(xiàn)攔擋壩對于泥沙淤積的攔截效果［18］。試驗對泥沙淤積厚度、淹沒范圍進行了精確測量，以潰口中心為起始點，橫向間隔10 cm、縱向間隔20 cm設置監(jiān)測點，并用MATLAB編制程序繪制出泥沙淤積厚度等高線云圖，進一步分析3種壩型對泥沙演進的影響。

為分析尾礦庫潰壩后尾砂下泄后的泥沙淤積情況，試驗選取了兩個具有代表性的監(jiān)測區(qū)域，分別是潰口前20 cm×40 cm區(qū)域和攔擋壩前區(qū)域，如圖4所示。

3種工況下泥沙淤積厚度云圖如圖5所示。

分析圖5（a）可知：潰口前監(jiān)測區(qū)域的平均泥沙淤積厚度為2.5 cm，壩前泥沙平均淤積厚度為2 cm。

分析圖5（b）可知：潰口前監(jiān)測區(qū)域的平均泥沙淤積厚度為1.7 cm，壩前泥沙平均厚度為1.4 cm，相對于工況1，淹沒范圍內各位置的淤積厚度均減少了。原因主要為：①下游設置的攔擋壩壩體可以使流動的泥沙發(fā)生回流，泥沙從潰口下泄出來時會帶有較大的沖擊力，當壩體夾角為180°時，整個攔擋壩會同時受到下泄泥沙的碰撞，此時由于攔擋壩的截流攔擋作用，使得泥沙發(fā)生較大范圍回流。由于泥沙碰撞壩體時間基本一致，所以壩前泥沙淤積厚度較深且均勻。壩體夾角為135°時，折角的出現(xiàn)使下泄泥沙碰撞到壩體各個位置存在時間差，以致壩前泥沙淤積厚度分布不均勻。當泥沙碰撞折角兩側的壩體時，增大了泥沙運動位移，減少了壩前泥沙淤積量，由此也使下泄泥沙中的動能減小，運動速度減小，回流范圍減小。②攔擋壩具有導流作用，壩體夾角為135°的攔擋壩的導流作用比夾角為180°的攔擋壩明顯，此時下泄泥沙在碰撞攔擋壩后一部分會沿著攔擋壩的方向流動，使得壩前泥沙淤積厚度逐漸減小。對比以上兩種工況可知，減小攔擋壩的壩體夾角有利于減緩下泄泥沙對攔擋壩的沖擊力以及壩前淤積厚度，有利于壩體穩(wěn)定［20］。

分析圖5（c）可知：潰口前監(jiān)測區(qū)域泥沙平均淤積厚度為1.5 cm，壩前泥沙平均淤積厚度為1 cm，相對于工況2，各位置的淤積厚度均略有減小。進一步分析發(fā)現(xiàn)，泥沙運動到135°壩體折角時沖擊力較90°工況更大，所以回流的范圍也比壩體夾角為90°的工況影響大。原因是，當下游設置的攔擋壩的壩體夾角為90°時，壩體夾角過小，使得沖擊力不夠大，并且當泥沙運動到兩側壩體時，運動速度已經趨近于零，此時壩體僅是起著攔擋以及使泥沙沿壩體順勢流動的作用，經過一段時間后，會使壩前泥沙堆積過多，不利于壩體穩(wěn)定；當下游設置的攔擋壩的壩體夾角為135°時，下泄泥沙到達壩體折角時的沖擊力比工況3大，雖然沖擊力未達到能帶動大量泥沙發(fā)生回流的程度，但也可使泥沙因回流沿壩體向周圍擴散，可以有效地下泄泥沙排到兩側［20］。

根據(jù)上述分析可知，因尾礦庫發(fā)生瞬潰時泥沙的流動特性，淤積深度最深的區(qū)域為潰口正前方。為進一步分析潰口前方泥沙淤積厚度的變化規(guī)律，在模型試驗中增加了8個監(jiān)測點，如圖3所示。監(jiān)測點在不同夾角攔擋壩下的泥沙淤積厚度變化特征如圖6所示。分析該圖可知：攔擋壩的壩體夾角越小，壩前泥沙淤積厚度越小。當下游設置壩體夾角為180°的攔擋壩時，壩前50 cm內的泥沙淤積厚度均勻下降，而壩體夾角為135°和90°的攔擋壩，壩前10 cm處的泥沙淤積厚度會突增，這是由泥沙的回流作用以及回流后的剩余沖擊力所致。

1.3.2 不同攔擋壩形式下的下游泥沙淹沒范圍特征

淹沒范圍可直觀地反映攔擋壩的防護效果［21］。試驗中提取高速相機拍攝的照片，并進行圖像校正，通過計算分析系統(tǒng)獲取了各壩型攔擋作用下的尾砂淹沒范圍和淹沒面積，分別如圖7、表2所示。分析可知：在壩體夾角為135°的工況下，下游淹沒范圍最大，是由于攔擋壩既具有橫向導流作用，又具有縱向導流作用，兼具導流和攔擋的作用，而其他兩種工況下攔擋壩的導流作用只有單向。

1.3.3 物理模型試驗結果

綜上分析可知：夾角為180°的攔擋壩具有攔擋作用，下泄泥沙帶有較大的勢能，碰撞壩體后發(fā)生回流，增大了壩前泥沙淤積厚度，這需要壩體具有良好的抗沖擊能力和承載力。夾角為135°的攔擋壩具有攔擋和導流雙重作用，壩體上的折角減小了泥沙對壩體的沖擊力，阻擋了壩前泥沙的回流范圍。該壩型的雙向導流作用使得下泄泥沙擴大了運動區(qū)域，能夠使下泄泥沙沿壩體排到周圍，減小了泥沙淤積厚度，降低了對壩體的危害，同時也保護了下游居民安全。夾角為90°的攔擋壩也具有攔擋和導流作用，但縱向導流作用大于攔擋和橫向導流作用，以致泥沙的縱向流動范圍較明顯，并且此工況下的下泄泥沙對攔擋壩的沖擊力比工況2小，所以當泥沙觸碰壩體后減小了回流范圍，大部分泥沙都沿著壩體流向下游，但由于速度較小，泥沙長時間的流出會導致壩前淤積較大，不利于壩體穩(wěn)定?？梢?，在下游設置壩體夾角為135°左右的攔擋壩，效果較好。

2 數(shù)值模擬及結果分析

2.1 數(shù)值模擬原理

本研究采用流體計算軟件FLOW-3D對該尾礦庫在設置不同攔擋壩時的潰壩砂流演進進行模擬，選擇FLOW-3D軟件中的泥沙顆粒流模塊，并結合FAVOR技術劃分網格，計算泥沙的淤積厚度和移動值。

在FLOW-3D軟件中，非黏性顆粒流中的剪切應力由3種剪切力組成：①因顆粒碰撞產生的剪切應力τi；②顆粒的附加黏性剪切應力τv；③流體剪切應力τf。本研究通過文獻［22］中的公式來計算非黏性顆粒流中的剪切應力τ：

式中，ρs為顆粒密度，kg/m3；ρf為流體密度，kg/m3；D為球體直徑，m；λ為直徑與最小間隙之比，λ=D/S；dudy為混合物速度梯度；μf為流體的動態(tài)黏滯系數(shù)；ΔR為Couette流間隙。

2.2 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)設定

本研究利用Civil-3D軟件繪制幾何模型，然后導入FLOW-3D軟件完成幾何模型構建，如圖8所示，模型計算參數(shù)取值見表3。

2.3 數(shù)值模擬結果及分析

2.3.1 下游泥沙淤積厚度特征對比

3種工況下的泥沙淤積厚度數(shù)值模擬結果如圖9所示。分析圖9可知：攔擋壩的壩體夾角為180°時，潰口前監(jiān)測區(qū)域的泥沙平均淤積厚度為2.3 cm，壩前泥沙淤積厚度為2 cm；攔擋壩的壩體夾角為135°時，潰口前監(jiān)測區(qū)域泥沙平均淤積厚度為2.4 cm，壩前泥沙淤積厚度為1.7 cm；攔擋壩的壩體夾角為90°時，潰壩后潰口前監(jiān)測區(qū)域泥沙平均淤積厚度為2 cm，壩前泥沙淤積厚度為1.5 cm。

模型試驗與數(shù)值模擬的各項數(shù)據(jù)對比如表4所示。對比發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬得出的下游泥沙淤積厚度云圖、各位置泥沙淤積厚度與模型試驗結果相近。

3種壩型的壩前指定某個點的泥沙淤積厚度隨時間的變化特征如圖10所示。分析可知：最后趨于穩(wěn)定的壩前泥沙淤積厚度與模型試驗數(shù)據(jù)相似，并且壩前泥沙淤積厚度隨著攔擋壩壩體夾角的減小逐漸減小。

2.3.2 下游泥沙淹沒范圍特征對比

下游泥沙淹沒范圍是影響攔擋壩選擇的重要因素之一，對于下游居民的生命安全有重要影響，因此有必要準確掌握不同壩型對下游的淹沒范圍。圖11為數(shù)值模擬得到的各壩型的下游淹沒范圍，表5為模型試驗與數(shù)值模擬得到的下游淹沒面積數(shù)據(jù)。綜合分析表明：數(shù)值模擬與模型試驗得到的下游淹沒面積相近。

3 最優(yōu)防護措施確定

對比物理模型試驗以及數(shù)值模擬的結果可知，對于該類型尾礦庫，壩體夾角為135°左右的攔擋壩可以起到較好的攔擋效果。135°左右的壩體起著攔擋和導流的雙重作用，壩體上的折角可減緩下泄泥沙對壩體的沖擊力，該壩型的雙向導流作用增大了下泄泥沙的流動范圍，降低了下游泥沙淤積厚度，能夠使得泥沙有效地排到周圍，減小了對下游居民的危害。

為進一步確定最優(yōu)攔擋壩的壩體夾角，利用數(shù)值模擬方法對壩體夾角為126°、128°、130°以及136°的攔擋壩的防護效果進行了分析。結果表明：由于該范圍內壩體夾角變化幅度較小，下游淹沒范圍整體上變化不大；壩前淤積厚度峰值出現(xiàn)的時間以及大小也基本一致，如圖12所示。隨著下泄泥沙勢能減弱，壩前泥沙淤積厚度趨于穩(wěn)定，當攔擋壩壩體夾角改變時，壩前泥沙淤積厚度發(fā)生了明顯變化。由圖12可知：在這4種工況下，壩前泥沙淤積厚度的最終穩(wěn)定值的變化特征為隨著壩體夾角減小而減小，原因在于壩體夾角越大，泥沙觸碰壩體時的勢能越大，泥沙在壩前發(fā)生回流的次數(shù)越多，使得壩前淤積厚度增大；攔擋壩的壩體夾角為126°時，壩前泥沙淤積厚度最終穩(wěn)定值的變化特征則恰恰相反，原因在于適當減小壩體夾角，不僅不會改變攔擋壩的攔擋和雙向導流的雙重作用，還會增強壩體的導流作用，從而增大了泥沙的流動性；但攔擋壩的壩體夾角縮減過多，下泄泥沙運動距離增大，便會降低泥沙對壩體的沖擊力，減小壩前泥沙流動性，導致壩體前泥沙淤泥過多，不利于壩體穩(wěn)定。綜上所述：壩體夾角為128°的攔擋壩為最優(yōu)防護措施。

4 結 論

針對下游為開闊平原地形的尾礦庫，通過模型試驗與數(shù)值模擬兩種方法，研究了在不同下游攔擋壩布置形式下潰壩后各位置的泥沙淤積厚度以及淹沒范圍，并對下游防護攔擋壩的布置形式進行了優(yōu)選，得出以下結論：

（1）攔擋壩具有攔擋和導流的作用，其中，導流作用分為橫向和縱向。當泥沙觸碰到壩體時會產生兩種運動方式：①在壩體截流攔擋的作用下，大部分泥沙被截在壩前，小部分泥沙越過壩體繼續(xù)運動；②泥沙在攔擋壩的攔擋與導流雙重作用下，流體運動方向發(fā)生改變。

（2）不同壩型的攔擋壩所發(fā)揮的作用不同。對于壩體夾角較大的攔擋壩，壩體攔擋作用大于導流作用；對于壩體夾角為135°左右的攔擋壩，壩體的攔擋和導流作用均發(fā)揮了明顯作用；對于壩體夾角較小的攔擋壩，壩體的導流作用大于攔擋作用。

（3）壩體夾角為128°的攔擋壩為最優(yōu)防護措施。一方面在于夾角為128°的壩體起著攔擋和導流的雙重作用，壩體夾角能減緩下泄泥沙對壩體的沖擊力，同時此種壩型具有雙向導流作用，增大了下泄泥沙的流動范圍，降低了下游泥沙淤積厚度，使得泥沙有效地排到周圍，減小了對下游居民的危害；另一方面，相對于135°的攔擋壩來說，適當減小壩體夾角有利于減小泥沙對壩體的沖擊，減少壩前泥沙淤積，有利于壩體穩(wěn)定。