尾矿库溃坝物理模型试验

胡 虎

(中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031)

0 引言

在矿山开采中，尾矿库是其中必不可少的一个基础设施，它是用来储存矿山尾砂的重要设施，同时也是一个潜在的危险源，由于尾矿库的体量一般都比较大，一旦发生破坏危害性非常大[1]。在93种事故、公害的隐患中，尾矿库事故名列第18位[2]。尾矿库所处的地理位置有的设置在交通线附近；有的在山谷中重要水源处或者是在居民区的上游。一旦尾矿库发生溃决，将会对周围的环境造成十分恶劣的影响，甚至会威胁到下游居民的生命和财产安全，给当地的经济发展以及社会稳定带来恶劣的影响。因此，研究尾矿库溃坝尾砂流的特性及对下游的影响范围具有非常重要的意义。

1 工程概况

此尾矿库距矿厂约3.5 km，由几条树枝状冲沟组成，属山谷型尾矿库。此尾矿库有五座坝体，1号主坝初期坝为粘土斜墙堆石坝，2号～5号副坝的初期坝均为均质粘土坝，表面用块石护坡，其中2号、3号坝坝坡脚设有排水棱体，该尾矿库堆积坝采用上游法分散管放矿堆筑，设计平均外坡比为1∶5，设计堆积高程为150.0 m，设计总库容约6 600×104m3。

2 试验方案

2.1 试验目的

本试验的最终目的为：基于相似理论，以江西某尾矿库2号副坝为试验原型，在室内以1∶100的缩尺比建立试验模型，模拟在暴雨情况下坝体的溃决过程，分析漫顶溃坝以后尾砂流对下游各敏感目标点的水位和流速及它们随时间的变化过程；整个溃坝洪水影响区域的洪水流速；溃坝洪水淹没范围，下泄尾砂淹没范围；溃坝洪峰演进过程，洪峰到达敏感目标的时间；溃坝洪水是否淹没或冲击敏感目标，敏感目标受影响程度评估。

2.2 试验材料

采用原型尾矿库的尾矿砂作为此次模型试验的模拟材料，经过实验得到其颗粒级配,如图1所示。

2.3 试验仪器

1)PIV表面流速分析系统。在实验过程中仅仅采用传统的流速仪远远无法满足测量精度和密度的需求，因此采用基于示踪粒子的PIV溃坝全流场测量分析系统。2)LH-1A自动水位仪。LH-1A自动水位仪可用于模型试验以及水槽试验中的上游水位和溃坝后下泄洪水的变化过程，测量频率可以根据试验的实际需要自行调节，非常方便。本次试验所用规格为：量程800 mm，分辨率0.05 mm，绝对误差为0.2 mm，跟踪速度大于30～10。3)LGY-Ⅲ型多功能流速仪。LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪是采用先进的电子技术、传感技术和计算机硬、软件技术最新研制成功的一种多功能智能流速仪。该流速仪配置了新型通孔流速旋浆传感器，旋浆直径为15 mm，起动流速不大于1 cm/s，起动流速、测速范围、线性度、同心度、率定系数和均方差等指标均较以往传感器有很大的改进和提高。

2.4 仪器布置

1)在室内缩尺模型上按照前面选好的材料完成坝体的堆建以及库内尾砂的填充，之后清理现场。其中，尾矿库内的模型砂堆积高度控制在坝顶标高的1 m以下，按照1∶100的坡度向上游堆积直至到达设计试验高程。2)在试验开始前，在坝体下游不同位置处布置5台自动水位仪，用于测量下游不同位置处的尾砂流的深度及流速。在尾矿库内的坝体边布置第一台水位仪，坝后沿程每隔1 m布置一台水位仪，共四台(分别用SW1，SW2，SW3，SW4表示)；此外，在水工试验室大厅顶部的栈桥上布置两台高清摄像机、正对溃口位置布置一台高清摄像机，用于拍摄整个溃坝过程，为表面流速测量PIV系统提供分析数据；而压力传感器则直接布置在下游村庄的房子外侧，由于房子分布不均匀，所以传感器布置原则为尾砂流冲击可能最大的位置处。3)归纳总结各测量仪器的具体试验结果，并对相关的试验数据进行分析，得出坝体的破坏过程、溃坝后尾砂流的演进规律及尾砂流对下游的影响范围等。

3 溃坝模型试验结果

3.1 溃坝全流场测量分析

基于PIV的全流场测量系统运用于尾矿库1号、2号副坝及1号主坝溃坝物理模拟试验研究，主要分析溃坝全过程表面流速分布及下泄洪水演进过程。试验过程中人工加入白色示踪粒子，视频采集摄像头安置于试验大厅顶端，并在测量水面附近设置一定数量的标定点。试验完成后，将摄像机拍摄的表面流场的图像信号通过视频线传输至计算机图像采集卡进行分析处理，得到溃坝全过程的表面流场分布。

整个溃坝可以分为溃坝初期(形成溃口)、溃坝中期(溃口扩大)以及溃坝后期三个阶段。流速较大的位置出现在大坝溃口对岸的山坡部位，最大流速为3.3 m/s。

在溃坝中期，坝口受水流冲刷在左侧有大块坝体材料塌落入槽，导致溃口进一步扩大。最大流速出现在下游冲击扇部位，此时溃口宽度适中，库内水量充足，最大流速为4.7 m/s。

在溃坝后期，溃口宽度达到最大，尾矿库内形成冲沟，库水及尾砂主要汇聚进入冲沟，然后经溃口进行下泄。由于在溃坝后期库水集中由大坝上游冲沟经溃口下泄，流速呈带状分布，溃口部位最大流速为2.5 m/s，但此时溃口过水断面较小，下泄流量并不大。

3.2 溃坝尾砂流对下游的影响范围

尾砂流大部分集中在小学西侧的稻田中，有两股尾砂流从小学两侧通过，其中一股尾砂流从小学西北方越过668县道流至河谷中，对668县道北侧房屋造成影响，并在横山山脚处停留，对山脚处房屋造成影响，另一股尾砂流从小学南侧流过，对尾砂流经过的房屋造成影响，并在小学东南方的稻田中与另一股尾砂流汇合，流入河中。

3.3 水位过程线

本次试验上下游不同测点测得的水位变化过程，水流漫顶后，初始阶段溃口流量较小，库内水位仍然在缓慢上升，漫顶水流分别于49 min 0 s，59 min 3 s和1 h 11 min 2 s到达SW2，SW3和SW4，1 h 22 min 3 s到达SW5，即小学学校所在位置。按照流量比尺算出来的模型流量较小，漫顶水流到达各水位计位置后各处水位虽然在抬升，但速度很慢。漫顶1 h，SW2水位达到最高，为82.929 m，漫顶1 h 30 min 4 s，SW3水位到最高点，为82.263 m，漫顶2 h 12 min 42 s，SW4达到最高水位79.816 m，由于下游有河道排水功能，5号水位计在漫顶5 h 47 min 42 s才积蓄到80.969 m的最高水位。3 h 50 min坝体产生滑移，下泄流量剧增，水位抬升稍有所加快，随着滑移体稳定后，库内水量几乎没有余存，且下游没有排水通道，溃坝水流下泄后只能积蓄在平原麦田中，溃坝结束后水位趋于稳定。本次溃坝库内蓄水0.43×106m3，溃坝结束后用水3.79×106m3。

4 结语

本文主要研究了溃坝过程中坝体的具体破坏过程，以及溃坝以后尾砂流对下游区域的影响情况。溃坝以后有大量的尾砂流在短时间内涌向下游地区，并且对下游的公路以及周围的建筑物特别是小学造成了很大的影响。通过整理分析以上结论可以针对的提出预防性措施，具有实际的应用价值。