尾矿库溃坝影响预测方法的探讨

陈斌，翟文龙，李青

（北京矿冶研究总院，北京100160）

尾矿库溃坝影响预测方法的探讨

陈斌，翟文龙，李青

（北京矿冶研究总院，北京100160）

尾矿库溃坝后果严重，目前在金属矿山环境影响评价工作中，尾矿库溃坝预测方法无统一规范，且多数缺乏依据。以某尾矿库为例，通过对比前人的计算方法，找出相对合理的计算方法，采用数值法和解析法相结合的方法计算某尾矿库溃坝后尾砂下泄量、下游各断面洪峰流量、洪峰淹没高度、影响范围等关键数据，为环境影响评价中尾矿库溃坝风险预测工作提供借鉴。

尾矿库；溃坝；影响范围

尾矿库是金属矿采选建设项目重要的工程内容，由于尾矿堆积高度较大，具有较高的势能，可视作人造泥石流风险源。尾矿库溃坝原因如下：遇特大洪水，导致尾矿库水位上涨，造成漫顶垮坝；坝基选址不当，位于不稳定的断裂之上，或坝基下有软弱层存在，因坝体失稳而溃坝；排洪设施损坏，如坍塌造成隧洞堵塞致排洪系统失效，坝体浸润线升高而造成溃坝；此外，还有人为破坏等外力因素。

近年来我国尾矿库发生多起重特大溃坝事故，如湖南柿竹园牛角垅尾矿库溃坝事故、云南锡业公司火谷都尾矿库溃坝事故、山西襄汾塔儿山铁矿尾矿库溃坝事故、辽宁海城尾矿库溃坝事故［1］，给下游人民生命财产安全造成巨大损失，造成环境污染和生态破坏。因此尾矿库是金属矿采选项目环评及安评工作的重点关注对象。

1 尾矿库溃坝研究现状

目前对尾矿库溃坝后果的预测方法不一。有的采用数学模型法，用水力学模型来预测尾矿库溃坝风险；有的采用经验公式计算法，如袁子有［1］、徐克［2］等人，曾用工程类比法，借鉴水库溃坝的成熟公式来计算尾矿库溃坝后的洪峰流量及洪峰高度等数据，并结合尾矿库溃坝特点进行修正，该法较为合理，且省时省力；有的采用物理模型法，如德兴铜矿新建尾矿库溃坝预测、四川冕宁县牦牛坪稀土矿尾矿库溃坝预测工作，物理模型预测结果能够比较好的指导工程实践，但是物理模型法耗时、耗财。

目前有色金属矿山的环境影响评价工作中，对尾矿库溃坝后果预测方法暂无统一规范要求，存在很多问题。首先是泄砂量的取法不一，多数毫无依据，而泄砂量是预测结果是否可靠最重要的依据；其次，很多环评报告对尾矿库的溃坝预测结果停留在坝体下游尾砂体最终覆盖范围和覆盖高度上，且最终覆盖范围和高度的确定往往缺乏依据。实际上，尾砂溃出坝体后向下游的运移是一个动态的过程，因此应关注在这个过程中，尾砂流到达各个断面时的最大流量及最大淹没高度。

2 工程实例

本文以某尾矿库为例，预测其在洪水漫顶情况下发生溃坝后的影响。

2．1 尾矿库基本情况

某尾矿库为山谷型尾矿库，初期坝为透水堆石坝，坝高23m，后期坝采用尾砂筑坝，共设六级堆积坝，总坝高59m。库区总库容1 962．1万m3。

2．2 泄砂量的计算

本文假定尾矿库溃坝是由于洪水漫顶引起，此时下泄尾砂量最大。

查阅大量有色金属矿山环境影响报告书，发现在泄砂量的计算上，有的采用全库容，有的按照全库容的百分比取值，缺乏依据。本次采用数值模拟软件，运用摩根斯普莱斯条分法原理［3］预测洪水漫顶后尾矿库坝溃最不稳定滑动面位置，下泄尾砂体的总固体量取为滑弧底面以上的尾砂体，并考虑洪水漫顶溃坝时库内的水与固体尾砂量一下溃出库外［2，5］。

尾砂及地层的土工参数依据地质详勘报告，堆石坝体的参数参考经验数据得出。稳定性计算用到的岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass

假定该库发生洪水漫顶并溃坝，该工况下最不稳定滑面处安全系数为0．986，预计溃坝产生的泄砂总量为100万m3，滑面位置模拟结果见图1。

2．3 坝址处最大洪峰流量

通过查阅相关环境影响报告书及文献，溃坝洪水最大洪峰流量QM多采用水力学中的圣维南公式计算，相对合理。

图1 滑面位置模拟结果Fig．1 Simulation results of slip surfaces

式中：QM—坝址处洪水洪峰流量，m3/s；b—溃口宽度，m；B—主坝长度，m；g—重力加速度，9．8m/s2；H0—溃坝时库内水深，m，根据设计的尾矿库容曲线计算。

按最不利情况考虑，假设堆积坝局部溃坝一溃到底，溃口宽度b参考黄河水利委员会经验公式计算［］：

式中：b—溃口宽度，m；K—与坝体土壤有关的系数，黏土类坝取值0．65，壤土类坝取1．3；W—溃坝时的尾砂流下泄量，m3；B—主坝长度，m；H—坝高，m。

尾矿库溃坝后，进入下游的是尾矿和水的混合体，下泄尾砂体的洪峰流量与洪水洪峰流量成正比，但应按照尾砂的掺入量对公式（1）进行修正。修正后下泄尾砂流的洪峰流量Qs修正公式如下［1］：

式中：φc—考虑尾矿砂后的流量系数；γd—尾砂流的容重，N/m3；γw—水的容重，N/m3；γe—尾砂颗粒的容重，N/m3。

2．4 洪峰演进过程及淹没范围

下泄尾砂体在流动的过程中由于受到摩擦阻力的作用及两侧山体的阻挡能量迅速降低，洪峰流量逐渐削减，不同断面处的洪峰高度根据洪峰流量进行估算。

洪峰淹没高度公式如下：

式中：hs—洪峰淹没高度，m；QSLM—断面洪峰流量，m3/s；B—下断某断面处宽度，m。v—河道洪水流速，m/d。山区河道洪水期间河道断面平均速度7．15m/s，半山区河道4．76m/s，平原河道3．13m/s，本尾矿库位于山区，断面平均速度取值为7．15m/s［4］。

对于不同断面处洪峰流量的求解，查阅相关文献，主要有两种计算公式。

1）方法一：认为下游不同断面处的洪峰流量与坝体处的最大洪峰流量无关，而是与尾砂流下泄量有关［1］，公式如下：

式中：QSLM—沿程最大尾砂体洪峰流量，104m3/s；φc同上；QLM—沿程最大洪水流量，104m3/s；H0—上游水深，m；W—溃坝可泄库容，104m3；L—计算断面距坝址距离，km；k—系数，0．22～0．60，对于山区取k＝0．57，对于平原取k＝0．24。

2）方法二：认为下游不同断面处的洪峰流量与坝址处的最大洪峰流量及尾砂下泄量均相关［2，6］，公式如下：

式中：QSLM2—沿程最大尾砂体洪峰流量，m3/s；W2—溃坝可泄库容，m3；QM—坝址处洪水洪峰流量，m3/s；v同上；K—经验系数，山区K＝1．1～1．5，半山区K＝1．0，平原区K＝0．8～0．9。

两种方法的预测结果见表2。

表2 两种方法预测结果比较表Table 2 Comparison of the results with two different methods

方法一计算结果表明，坝下游100m处和200 m处的最大流量均高于坝址处的洪峰流量，与常理相悖。方法二的计算结果相对合理，而且断面洪峰流量随距离的衰减比方法一计算结果慢，相对保守，因此本次取方法二的计算结果。

根据经验，将尾砂流淹没高度0．5m以上时的范围作为淹没覆盖范围，因此，该尾矿库溃坝后影响范围在坝址下游3km以内。

3 结论

1）根据查阅大量环境影响报告书及相关文献，比较了尾矿库溃坝后泄砂量、洪峰流量的不同计算方法，尤其是在不同断面处洪峰流量的计算上进行了两种方法的着重比较，找出相对合理的算法，并运用于某尾矿库溃坝后影响范围的预测，预测结果表明影响范围在3km左右，影响范围较广。

2）本文所用解析算法存在不足之处，认为尾砂流在下泄路径中不存在淤积。实际上，尾砂体在下泄过程中，由于尾砂的沉降作用，会在下泄的路径上不断淤积，但目前对这个淤积量不好确定，有待进一步研究。本文所采用的方法更为保守，可以应用于实际工作。

3）尾矿库溃坝危害极大，因此必须采取有效措施，在建库前需要在尾矿库坝基地基、坝肩、以及整个库区进行详细的工程地质勘察和水文地质勘察，对不良地质条件进行治理，确定坝基、坝肩、库区稳定，禁止盲目设计；尾矿库应按规范规定的设计防洪标准进行洪水计算及调洪演算，保证调洪库容及排洪设施排洪能力能够满足设计洪水总量、洪峰流量以及洪水排出时间要求，以确保安全超高和干滩长度满足规范要求；对坝体浸润线进行在线监测，当发现浸润线超过安全高度时采取必要的排水措施；加强管理，加强人员培训，及时巡视并修复尾矿库安全设施。

4）尾矿库溃坝风险预测还有待进一步的研究。尾矿库溃坝所造成的影响巨大，应引起重视。建立溃坝后尾砂体演进过程的三维数值模型，可以更加准确地预测尾砂流的影响范围及破坏强度。本文旨在抛砖引玉，期待有更好的研究成果。

［1］袁子有．尾矿库溃坝数值计算及对下游影响分析［J］．金属矿山，2012（8）：156－159．

［2］徐克，赵云胜，张强．尾矿库溃坝后果数值分析［J］．工业安全与环保，2012，38（10）：28－30，43．

［3］陈仲颐，周景星．土力学［M］．北京：清华大学出版社，1992．

［4］郭朝阳，唐治亚．尾矿库溃坝模型探讨［J］．中国安全生产科学技术，2010，6（1）：63－67．

［5］袁兵，王飞跃，金永健，等．尾矿坝溃坝模型研究及应用［J］．中国安全科学学报，2008，18（4）：169－172．

［6］陈殿强，何峰，王来贵．凤城市某尾矿库溃坝数值计算［J］．金属矿山，2009（10）：74－76，80．

Study on prediction method about dam－break impact of tailings pond

CHEN Bin，ZHAI Wenlong，LI Qing
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

Tailings dam－break can cause serious consequences．In the current environmental impact assessment of metal mines，there is no unified standard on prediction methods about dam－break，and most methods are lack of basis．Taking a tailings dam as an example，by comparing the previous calculation method，this article selects a relatively reasonable calculation method to make a prediction about dam－break consequences，which used numerical and analytical methods．The key data calculated includes discharged amount of tailing flow，maximum flow and submerged height of different section of downstream，and influence range．This article can be a reference to prediction on tailings dam－break risk in environmental impact assessment．

tailings dam；dam－break；influence range

TD926

Α

1671－4172（2015）04－0098－03

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．022

陈斌（1986－），女，工程师，硕士，地下水科学与工程专业，主要从事环境影响评价工作。