1前言
在新建尾礦庫的設(shè)計工作中、以及尾礦庫的日常管理工作中尤其是在尾礦庫的應(yīng)急管理工作中，往往需要對尾礦庫潰壩可能造成的危害及危害范圍進(jìn)行估計，以指導(dǎo)其設(shè)計、日常管理以及應(yīng)急管理，但現(xiàn)在并沒有一個成熟可用的數(shù)學(xué)模型對尾礦庫潰壩進(jìn)行模擬分析，在大部分工作當(dāng)中，全憑設(shè)計人員與管理人員的經(jīng)驗來進(jìn)行判斷，而且在尾礦庫下游多遠(yuǎn)處為安全距離也存在很大的爭議，沒有一定的規(guī)律可循，造成了在尾礦庫設(shè)計、管理乃至監(jiān)管工作中的不便，因此有必要對尾礦庫潰壩進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以為尾礦庫管理工作提供方便。
2尾礦庫潰壩的基本特征
2.1泥石流形成條件
泥石流的發(fā)育必須具備三個基本條件，一是有利的地形地貌基礎(chǔ);二是有豐富的補(bǔ)給物質(zhì)條件;三是有適當(dāng)?shù)慕涤晁醇ぐl(fā)。
1、地貌條件
地貌條件是形成泥石流的內(nèi)因和必要條件，制約著泥石流的形成和運動，影響著泥石流的規(guī)模和特性。泥石流形成的地貌條件主要是泥石流溝溝床比降、溝坡坡度、坡向、集水區(qū)面積和溝床形態(tài)等,表1是根據(jù)對典型泥石流的統(tǒng)計而得出的各條件對泥石流的影響。
表1 泥石流形成地貌條件統(tǒng)計結(jié)果
2、物質(zhì)補(bǔ)給條件
在泥石流溝內(nèi)都有大量碎屑物質(zhì)形成的地質(zhì)條件，一般在東部山區(qū)以滑坡為主，而在西部山區(qū)以崩塌為主，而隨著人類經(jīng)濟(jì)活動的增多，尤其是礦山建設(shè)和開采活動的加劇，對森林植被造成嚴(yán)重破壞，是引發(fā)泥石流的重要原因之一。礦山生產(chǎn)中棄渣不作合理處理，甚至有的亂挖亂采破壞山體，一遇暴雨往往產(chǎn)生泥石流，造成災(zāi)害。
3、水源條件
泥石流的發(fā)生和水的關(guān)系極為密切,泥石流發(fā)生的水源主要來自大氣降水，其次為地下水和冰雪融水，短時間暴雨尤易引發(fā)泥石流。
2.2水庫潰壩分析
大壩潰決時,水庫蓄水量突然下瀉，造成下游水位暴漲和庫區(qū)水位陡落。這種潰壩形成的潰壩波，不僅可能引起庫區(qū)坍岸和其他損失，更為嚴(yán)重的是會導(dǎo)致水庫下游地區(qū)災(zāi)害性的后果。
壩體潰決的類型一般分為瞬時全部潰決、瞬時局部潰決以及壩體逐漸潰決。大壩瞬時全部潰決、瞬時局部潰決是指大壩或部分壩段在壩址處瞬時消失;壩體逐漸潰決是指水流通過初始潰口，由于水流的沖刷切割及壩體的崩塌而引起的潰口不斷擴(kuò)展，潰決流量不斷增加的過程，這一過程將隨水庫水位下降及水流沖刷能力的減弱而結(jié)束。
在潰壩洪水復(fù)核中，潰決類型的選擇十分重要，潰決類型的選擇一般依壩體的類型而定，對整體結(jié)構(gòu)性大壩，如混凝土澆注的重力壩潰決類型常常為壩體瞬時全部潰決或瞬時局部潰決;對于散粒性大壩如均質(zhì)土壩或堆石壩，由于缺乏整體剛度，破壞往往又是由于局部水流滲透或過壩溢流沖刷，因此潰決類型常表現(xiàn)為逐漸潰決。
一般的土壩潰決原因主要有：1)防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不足;2)超標(biāo)準(zhǔn)洪水入庫;3)溢洪設(shè)施不能正常運行，沒有足夠的泄洪能力;4)壩體內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，如壩身、壩基的異常滲水，管涌等;5)運行管理不當(dāng)?shù)取?/span>
2.3尾礦庫特征
尾礦庫作為堆存細(xì)粒尾礦的場所，在特定的溝谷內(nèi)通過人工筑壩等形式，堆積了大量松散細(xì)粒物質(zhì)，其匯水面積均不大，通常不會超過5km2，一般為0.3～3km2，其所處溝谷坡降一般在0.05～0.2范圍內(nèi)，而由于尾礦堆積所形成的人工邊坡一般為1：4～1：3，其所處地形及形成的特點與泥石流高發(fā)段頗為相似。尾礦庫從其庫形條件來說，采用尾礦筑壩，與一般水庫的土石壩一樣同為松散體，其庫尾存在有較大的調(diào)洪庫容與安全庫容，此部分庫容內(nèi)要么是空置，要么充滿了水，在非常時期，洪水可能漫至壩頂，因此尾礦庫本身就可以看作是一個小型水庫，一旦發(fā)生洪水漫壩，由于筑壩材料為松散尾礦，極易被沖刷出大的缺口，從而導(dǎo)致潰壩，潰壩后水流與小型水庫潰壩極為相似。
尾礦庫一旦潰壩，堆存的細(xì)粒尾礦在地表水的作用下形成潰決型泥石流，根據(jù)對國內(nèi)外的潰壩案例進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，尾礦庫潰壩成因一般有以下幾種方式：
1)洪水漫壩造成壩坡失穩(wěn);如湖南柿竹園牛角垅尾礦庫潰壩事故，巋美山尾礦庫洪水漫頂潰壩事故、銀山鉛鋅礦尾礦壩決口事故等。
2)長期高水位運行造成壩坡失穩(wěn);如云南錫業(yè)公司火谷都尾礦庫潰壩事故、山西襄汾塔兒山鐵礦尾礦庫潰壩事故、遼寧海城尾礦庫潰壩事故等。
3)人為破壞等外力因素造成壩坡失穩(wěn)。
分析尾礦庫潰壩成因，可知洪水漫壩成因泥石流多為稀性泥石流，其特征為：稀性連續(xù)流的土水比小于0.35，石土比0.2~0.001，容重為1.6~1.3t/m3。泥漿體的粘滯作用很小，接近水流特征，流態(tài)紊亂，石塊翻滾并相互撞擊。第二種由于長期高水位運行造成的飽和失穩(wěn)則為從塑性蠕動流迅速發(fā)展為粘性陣流，其特征為：陣性連續(xù)流的土水比為0.6~0.35，石土比為1.0~0.2，容重為1.9~1.6t/m3。泥漿更接近于流體性質(zhì)，屬過渡性泥漿體。
因為洪水漫壩是潰壩的主要原因，而庫內(nèi)水流與水庫潰決頗為相似，因此采用工程類比法來進(jìn)行尾礦庫潰壩模型的建立工作，借用水利學(xué)中的潰壩公式以及泥石流配方法分析來估算尾礦庫潰壩可能產(chǎn)生的流量、沖擊范圍、流速、沖擊力等參數(shù)。
3尾礦庫潰壩模型的建立
3.1尾礦庫潰壩洪流的計算公式
尾礦庫潰壩后壩址斷面潰壩最大流量的計算利用水利學(xué)中水庫潰壩經(jīng)驗公式來進(jìn)行，該公式考慮了瞬間全潰和局部潰決的情況。公式為：
(1)
式中：Qw為壩址處潰壩洪水最大流量，m3/s;g為重力加速度，m/s2;B為壩址處的庫面寬，m;H為壩前水深，m;L為庫區(qū)長度，m， L>5B后，仍取L/B等于5;h為潰口處殘留壩體的平均高度，m;為經(jīng)驗系數(shù)，近似按=1.4(bh/BH)1/3估計;b為潰口的平均寬度，m，可按以下方法估計：
當(dāng)潰壩時蓄水V≥100萬m3時，有,式中：為壩體材質(zhì)系數(shù)，對粘土壩、粘土心墻或斜墻壩和混凝土壩取1.19，均質(zhì)壤土壩取1.98。當(dāng)V<100萬m3時，有,式中：壩體施工和管理質(zhì)量好的取6.6，差的取9.1。以上兩式中B、b、H單位為m，V單位為萬m3，B/b一般不應(yīng)超過17。
3.2尾礦庫潰壩后泥石流的估算
尾礦庫潰壩后往往形成災(zāi)害性泥石流，其主要特征表現(xiàn)為暴發(fā)突然、來勢兇猛、沖擊強(qiáng)烈、沖淤變幅大、溝道擺動速度和幅度大等幾個方面。根據(jù)形成過程可將尾礦庫潰壩后形成的泥石流分為土力類泥石流和水力類泥石流。土力類泥石流的性質(zhì)一般偏粘性，水力類泥石流偏稀性。
類比泥石流計算的配方法與雨洪修正法來對潰壩泥石流進(jìn)行流量估算，其計算公式為：
(2)
式中φ為泥石流修正系數(shù)，按
計算;Dm為泥石流堵塞系數(shù)，Dm值在1～3之間，可按其堵塞程度選用，因為尾礦庫作為一個廢渣存放地，在使用初期僅為輕微堵塞，因而Dm可取值為1.0-1.5，在使用中后期可以作為泥石流在壩址位置遇到了最嚴(yán)重的堵塞，因而Dm值可取3.0。
3.3潰壩最大流量向下游演進(jìn)的計算
1、尾礦庫下游某斷面潰壩最大流量的計算
如圖1、圖2所示，壩址處的潰壩流量過程線在向下游演進(jìn)中，將不斷展平，潰壩和最大流量將很快衰減,采用非恒定流解法，由壩址處的潰壩流量過程逐段演算出下游各斷面處的流量過程，潰壩在下游某斷面處形成的最大流量，其經(jīng)驗公式計為：
(3)
式中：Qm為壩址處潰壩最大泥石流流量，m3/s;Qm,l為Qm演進(jìn)至距壩址處的潰壩最大泥石流流量，m3/s;V為潰壩時的尾礦庫有效容積，m3，可以按(1+φ)DmV水進(jìn)行計算;為洪水期間河道斷面平均流速，m/s，一般可取下列數(shù)值：山區(qū)河道7.15m/s，半山區(qū)河道4.76m/s;平原河道3.13m/s。
圖1 潰壩洪水沿程演進(jìn)示意圖
圖2 潰壩水流狀態(tài)示意圖
1—壩址斷面(第Ⅰ斷面);2—壩下游第Ⅱ斷面;3—壩下游第Ⅲ斷面;4—壩下游第Ⅳ斷面
2、潰壩最大流量到達(dá)下游某斷面所需時間的計算
除了要知道潰壩之后在下游各斷面所需時間的最大流量外，還需要估計它們在下游各斷面什么時候出現(xiàn)，即需要計算潰壩最大流量，從壩址到下游某外的傳播時間，其計算經(jīng)驗公式為：
(4)
式中：τ為潰壩最大流量從壩址到下游處傳播時間，s;hm為下游斷面處最大流量時的平均水深，m;kτ為經(jīng)驗系數(shù)，等于0.8～1.2，水深小時取小值，大時取大值。
3.4潰壩泥石流沖擊力的估算方法
1、泥石流流速計算
尾礦庫潰壩形成的泥石流流速根據(jù)西南地區(qū)現(xiàn)行公式(據(jù)鐵道部第二勘測設(shè)計院)進(jìn)行估算，公式如下：
Uc=(Mm/α)R2/3I1/2 (5)
式中R為水力半徑(m)，可近似取其泥位深度;Mm為泥石流溝粗糙系數(shù)，查表可得;I為泥石流溝縱坡比降(%);α為阻力系數(shù)，根據(jù)Gs，ρm可直接查表。
2、泥石流動壓力計算
泥石流動壓力計算公式為：
(6)
式中Uc為泥石流的平均流速(m/s);σ為施于垂直面的動壓力KN/m2;為泥石流重力密度(KN/m3)。
3、泥石流沖高計算
泥石流沖高h(yuǎn)Δc按下式計算：
hΔc=Uc2/2g (7)
4計算實例
1985年8月24日至25日，野雞尾尾礦庫上游強(qiáng)大的洪水、泥石流席卷著泥沙、石塊、樹木、雜草，越過壩尾截洪溝，在幾分鐘的時間內(nèi)就將該庫壩體沖跨。此次洪水和垮壩事故導(dǎo)致礦區(qū)死亡46人，沖毀淹沒房屋、生產(chǎn)生活設(shè)備、設(shè)施(道路、橋梁、電線等)。
根據(jù)該尾礦庫潰壩時的各參數(shù)對尾礦庫潰壩形成的泥石流進(jìn)行模擬計算，此次潰壩形成的泥石流計算結(jié)果見表2。根據(jù)計算結(jié)果并對比尾礦庫下游溝谷情況即可對潰壩所造成的后果進(jìn)行相應(yīng)的分析，從而得出尾礦庫選址的合理性分析。
表2 野雞尾尾礦庫潰壩泥石流計算結(jié)果
5結(jié)束語
尾礦庫潰壩模型是建立在水庫潰壩形成的洪流以及洪流與松散尾礦混合形成泥石流的基礎(chǔ)之上得出的，其在工程條件上有一定的相似之處，其計算結(jié)果可以為尾礦庫的設(shè)計與管理提供必要的數(shù)據(jù)，為尾礦庫選址提供理論依據(jù)。
由于潰壩流量計算受各項因素影響，例如泄空的時間，沖刷破壞的形式，水頭的大小，很難計算出準(zhǔn)確的潰壩流量，因此還需在以后的實踐中進(jìn)一步建立與尾礦庫各系數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗公式，以提高模型的實用性。
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聲明：
“尾礦庫潰壩模型探討” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院
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