一种简单的尾矿库溃坝泥石流演进计算方法研究

李文新，郭朝阳，莫苏鹏，刘艳红

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院， 湖南 长沙 410014；2.长沙迪迈数码科技股份有限公司， 湖南 长沙 410205)

一种简单的尾矿库溃坝泥石流演进计算方法研究

李文新1，郭朝阳1，莫苏鹏1，刘艳红2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院， 湖南 长沙 410014；2.长沙迪迈数码科技股份有限公司， 湖南 长沙 410205)

针对尾矿库溃坝泥石流危害范围尚无成熟模型模拟的情况，借鉴我国在泥石流领域及水库溃坝领域取得的研究成果，利用常用的工具软件，采用经验公式法对尾矿库溃坝泥石流进行简单计算，并根据泥石流流经的沟谷特征对计算结果进行调整，以获得尾矿库溃坝泥石流相对正确的流态，保证下游的淹没影响范围分析的准确性。

尾矿库；溃坝；泥石流演进；淹没区域

0 前 言

尾矿库是矿山安全生产的重要环节,也是该领域的重大危险源之一[1]。迄今为止，世界上正在使用的各类尾矿库超过2万座[2]，而我国尾矿库数量多，分布广,库容规模相差大，据初步统计,到2008年年底,我国共有尾矿库1万多座,其中100万m3以上的尾矿库有800多座[3]。尾矿泥石流具有高势能、流速快的特点，一旦溃坝会形成大规模的尾矿泥石流，对下游破坏力极强，可摧毁房屋村庄树木，破坏公共交通设施，严重危害下游居民的生命安全[4]。

目前尾矿库溃坝泥石流演进还没有一个成熟可用的数学模型可进行模拟分析[5]，针对尾矿库安全日益严峻的形势，本文借鉴成熟的泥石流演进研究成果及经验公式(见表1)，利用工作中常用的工具软件，采用数值模拟法对两种比较常见的尾矿库溃坝泥石流(下游为平直型山沟和串珠型山沟等多种情况)进行简单计算，提出了一种尾矿库溃坝泥石流下游淹没区域的简单计算方法，并在福建某尾矿库得到实际验证。本文研究成果对指导矿山企业对尾矿库下游安全区域划分及日常管理具有重要意义。

表1 尾矿库溃坝模拟计算公式

1 平直型山沟淹没区域的计算

1.1 计算原理

以尾矿库初期坝坝址处为计算参考点，沿尾矿库所在山沟每隔50～200 m(设置距离根据沟谷的宽度变化及弯曲程度，平直型沟谷设置间距大，串珠状沟谷设置间距小)设置一条垂直于沟底的剖面。在计算过程中，沟谷的沟底坡度，沟谷植被如无明显变化，一般认为沟底坡度、粗糙率不变。借助泥石流计算领域的经验公式，可连续计算得到尾矿库溃坝时溃口的平均宽度、尾矿库坝址处溃坝洪水最大流量、坝址处溃坝泥石流流量、不同计算断面处的最大泥石流流量。求得尾矿库下游溃坝泥石流淹没区域的关键是求得溃坝泥石流的泥深(水力半径R)，在溃坝泥石流经过的某一断面上存在关系式：过流断面面积(S)=流经此断面的流量(Qml)/此断面泥石流流速(Uc)，各断面的流量可通过经验公式计算得。Uc是水力半径R的函数(见公式(6))，而各断面不同水力半径下的溃坝泥石流过流面积可列表计算，然后根据关系式，列表计算出水力半径R(泥深)的值。

1.2 公式法计算

(1) 计算各断面处最大流量Qml。坝址处的溃坝流量在向下游演进中，将不断展平和於留，下游的最大流量将逐步衰减。采用非恒定流解法，由坝址处的溃坝流量过程逐段演算出下游各断面处的流量过程。溃坝在下游某断面处(为100的整数倍)形成的最大流量，根据式(5)计算。

(2) 计算不同水利半径下泥石流的流速。根据公式(6)列表计算不同水力半径下的泥石流流速，如表2所示。

表2 不同水力半径下的泥石流流速

(3) 计算各断面不同水力半径(R)下的过流面积(S)。计算剖面自最低标高处每隔1 m(水力半径)设为一层，共设n层，计算每层面积s及叠加面积S，得出不同水力半径下对应的过流断面面积，如表3所示。

(4) 泥石流深度。根据关系式Uc×S=Q，当不同的Uc值与S值计算得出的Q(见表4)与该断面计算得到的Qml相等时，该Qn栏对应的R即为所要求得溃坝泥石流流经此断面处的泥深。

溃坝泥石流在断面m处的深度H=R，根据该断面河槽最低标高，可得泥石流的淹没标高，将各断面求得的淹没标高沿地形线相连，所得的区域即为溃坝泥石流的淹没区域。

表3 不同水力半径下的过流断面面积

表4 某断面相同水力半径下的流速与过流断面的乘积(Q)

2 串珠型山沟淹没区域的计算

2.1 调整计算原理及原则

串珠型山沟宽度不一，河道弯曲，在计算串珠型山沟时，首先将串珠型山沟考虑为平直型山沟模型，为了使串珠型山沟计算得淹没标高更符合实际，然后在平直型山沟计算结果的基础上，对各断面距离初期坝距离与流量、水力半径、流速及过流面积进行调整计算，调整计算原理见图1。

图1 调整计算原理图

调整计算遵循以下原则：

(1) 串珠型沟谷先按照平直型沟谷计算出各项参数(过流断面面积、水力半径、流量、流速)，然后根据所得的各项参数进行调整；

(2) 无论河道宽窄变化，自上游第1剖面开始，Qm一直变小；

(3) 各参数的调整大小根据断面变化率进行调整(当前断面与上游上一个断面相比)，变化率大，调整大，变化率小，调整小；

(4) 溃坝泥石流在沟谷中流动过程中，各断面泥石流顶标高呈逐渐下降趋势(泥石流龙头除外)。

2.2 弯道超高和泥石流冲高

由于串珠型山沟河道存在弯曲，泥石流流经弯道和正对山坡流动时会有弯道超高ΔH(式(7))和泥石流冲高hΔc(式(8))。

2.3 外弯道处溃坝泥石流深度H

外弯道处溃坝泥石流深度H=调整后的泥石流泥深R+弯道超高ΔH+泥石流冲高hΔc，根据该断面河槽最低标高，可得泥石流的淹没标高，将各断面求得的淹没标高沿地形线相连，所得的区域即为溃坝泥石流调整后的淹没区域。

3 工程应用

3.1 尾矿库基本情况

福建某尾矿库坝底标高420.00 m，最终堆积标高为625 m，其总库容为4781.1万m3，其最终堆积标高时总坝高205 m，设计为二等库。初期坝为碾压堆石坝，后期采用尾矿上游法堆坝，堆积坝平均外坡比为1∶5，尾矿库排水系统为排水井—隧道系统，尾矿库汇水面积为3.992 km2，后期设计防洪标准为1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。

尾矿库下游600 m范围内有49户居民(已达成拆迁协议)，该处居民安全拆迁作为当地政府的重点工作于2014年6月已启动，并成立了安全移民专项工作领导小组，并经多方论证，在尾矿库下游距离初期坝1800 m处的山坡上+425 m标高处划定了一块安置房建设用地，作为拆迁户安置用地，该地块已开始了平整工作。

为配合当地政府部门更好地组织尾矿库下游的安全拆迁工作，同时也为尾矿库重大事故应急预案提供依据，需要对尾矿库溃坝可能产生的最坏后果进行一次模拟分析，以确保拆迁安置用地不再位于尾矿库溃坝的直接影响范围之内。

3.2 计算结果及分析

根据表1中的计算方法，计算得出尾矿库溃坝泥石流的各项参数，并调整计算得到最终结果，计算结果见表5。

表5 工程应用计算结果

根据调整计算结果，弯道处泥深H=R+hΔc+ΔH，各断面距离初期坝的距离分别与流量、水力半径、流速及过流面积的曲线见图2～图6。

尾矿坝溃决后，溃决平均宽度为200 m，洪水和尾矿砂同时下泄，最大洪水下泄流量为3057.75 m3/s，尾矿砂最大下泄流量为13821 m3/s。

泥石流首先沿着初期坝下游河沟(流通区)向下游行进，到达沟口处速度为13.48 m/s，进入堆积区，由于流通截面积突然变大，因此泥石流流速迅速衰减，流速衰减为4 m/s左右，由于流速变慢，尾砂出现堆积现象。泥石流流经弯道时，弯道外围泥石流面标高由于受冲高和弯道超高影响，会高出1～2 m。泥石流流经拆迁安置点时，泥石流顶面与拆迁安置点地面标高有近33 m高度差，因此尾矿库溃坝泥石流对拆迁安置区无直接影响。

由于堆积区河沟较粗糙，植被较发育，且多道弯，能起到降低泥石流动能和势能的作用，泥石流在堆积区流进过程中会逐渐堆积，流量会逐渐衰减。泥石流淹没区域见图7。

图2 断面距离初期坝的距离与泥石流顶标高曲线

图3 断面距离初期坝的距离与流量曲线

图4 断面距离初期坝的距离与水力半径关系曲线

图5 断面距离初期坝的距离与流速关系曲线

图6 断面距离初期坝的距离与过流面积关系曲线

图7 溃坝泥石淹没区域图(灰色部分)

4 结 论

尾矿库溃坝模拟是在经验公式的基础上，对流经各计算断面的不同水力半径下的过流断面面积、泥石流流速、流量及流经各断面的泥石流深度(水力半径)进行列表计算，然后根据串珠型沟谷的特点及调整计算原则进行调整计算，从而得出与实际情况较符的泥石流泥深(水力半径)、流量及流速，从而计算出溃坝泥石流对下游的淹没区域。根据计算结果，可对尾矿库下游安全区划分、尾矿库安全管理及应急预案编制起到指导作用。

在计算过程中，沟谷的摩擦系数与河槽坡度等因素的变化，对结果都有影响，需进一步深入研究。

[1]袁 梅,王作强.AHP在尾矿库安全现状评价中的应用[J].轻金属，2009(7)：6￣8.

[2]张力霆.尾矿库溃坝研究综述[J].水利学报，2013，44(5):594￣599。[3]王云海.尾矿库在线监测技术[J].劳动保护,2010(1):112￣113.

[4]林玉山，张 卫.尾矿库地质灾害与危险性评估[J].桂林工学院学报，2006，26(4)：486￣490.

[5]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.

[6]中国科学院一水利部，成都山地灾害与环境研究所.中国泥石流[M].香港：商务印书馆，2000:209.

[7]梁忠民，钟平安,等.水文水利计算(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社,2008:365￣366.

[8]常士骠，张苏民,等.工程地质手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：562.

[9]马庆冀，方振元.给排水设计手册第七册-城镇防洪(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2000：434￣435.

2017￣01￣11)