基于FLUENT某尾矿库溃坝数值分析

石满生

（江西天億矿业有限公司，江西 贵溪 335424）

1 引言

倾 大多数尾矿坝依山而建，下游不乏人口密集区、重要建构筑物、交通要道和河流等，一旦溃坝，给下游人民生命和财产安全带来严重危害，且污染下游生态环境［1,2]。因此，尾矿库溃坝灾害成为矿山防灾减灾的重要难题，深入研究尾砂流滑运移特征及对下游区域建构物的影响范围，具有重要的现实意义［3,4]。李彦娥等［5]采用单沟泥石流经验预测公式对尾矿库溃坝后泥石流覆盖范围及影响程度进行定量分析评价。皇甫凯龙等［6]应用二维溃坝水流数值模型和尾矿坝溃决砂流数值模型，分别模拟某尾矿坝溃决洪水、砂流运动状况。刘磊等［7]对尾矿坝溃口及坝体崩塌变化过程、下泄洪水演化过程等进行观测。郭天勇等［8]建立溃坝滑坡体滑移距离的计算公式，分析扩散角、空气阻力、残余强度、撞击动压力和拦挡坝等对滑移距离的影响。

尾矿库溃坝作为一种灾害事故具有瞬间爆发性和很强的破坏性，要想得到真实可靠的溃坝现场监测数据是非常困难的，并且需要巨大的人力和财力的投入［9]。本文针对尾矿库溃坝事故特点，把由尾砂和水组成的固液混合物视为均质、连续、不可压缩的非牛顿流体，建立溃坝尾砂流滑数值模型，采用FLUENT软件模拟溃坝尾砂的流滑运移过程，探究溃决尾砂流滑影响范围，为尾砂溃坝灾害的预报与灾害的防治提供理论支撑与技术指导。

2 工程简况

该尾矿库位于选厂北侧长约1600m，宽约400m的条带状沟谷中，植被茂密，清泉长流。最终堆积坝顶高程为310m，初期坝轴线底部最低高程为235m，计算尾矿坝最大坝高Hmax=75m，尾矿库的总库容为247.75×104m3。根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863-2013）［10]，该尾矿库为三等库，库内主要水工构筑物为3级，次要构筑物为5级，临时构筑物为5级。具体地形分布见图1。尾矿库下游有公路、河流，防护山脊下有居民区。

图1 尾矿库地形

3 FLUENT计算原理

尾矿库溃决后，库内尾水夹带尾矿形成泥浆一起冲向库区下游，对下游建构物造成巨大冲击。把溃坝所形成的泥浆体看作是空气和泥砂的两相流体，可用欧拉-欧拉模型来描述其运动。在欧拉-欧拉模型中，不同相被认为互相贯穿的连续介质。体积率是空间和时间的连续函数，各相的体积率之和等于1.0。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式［11]。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而能使上述方程封闭，另外，对于小颗粒流（Granular Flows），则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。在欧拉-欧拉模型中，常见的模型有三种，分别为：流体体积模型（VOF）、混合物模型及欧拉模型。

经过验证，选用流体体积模型（即VOF模型）对尾矿坝溃坝水砂流的运动过程进行数值模拟比较合适［9]。水气界面的追踪可通过求解相体积分数F的运输方程完成

4 溃坝数值模拟

4.1 计算模型

根据模拟现场坝体几何尺寸，确定尾矿库溃坝的计算模型。为了方便模型的建立、降低硬件资源消耗和缩短计算时程，将实际情况进行了适当简化，如库内沟谷上大下小断面，折算成一个宽度的断面，下游坡度和落差按实际地形确定，所建模型重点考虑溃坝水砂流对下游左侧民宅的影响。坝体外坡为1∶4，总坝高为75m，库容量为250万m3，模型如图2所示。

图2 计算模型

假设尾矿库溃坝是在最不利的情况下发生的，也就是瞬间全溃并且溃决水砂量最大的情况。经估算并结合现场情况，综合确定模型坝体部分的尺寸，本文分析以坝高75m情况下溃决水砂流的流动过程模拟，一种是未采取防范措施，另一种是在下游228m平台处修3m高混凝土挡土墙，通过模拟观察溃坝水砂流的淹没过程和压力变化情况。

根据类似工程有限元数值分析的经验，结合现场实际情况，确定边界条件。由于该尾矿库建在山谷中，则计算区域的下游断面为开边界，上游、两岸和地面为闭边界。

4.2 材料特性定义

在FLUENT中对多相流的设置中需要一些材料参数，这些参数是进行模拟的基础和成败的关键。根据现场取样尾矿的物理力学性质测试的结果，以矿浆浓度为40%，下游沟谷按实际坡度和落差，溃决形式为瞬间全溃为基础，参照国内外有关尾矿浆和泥石流等相关资料，综合分析后，确定出各计算参数，见表1。

表1 模型计算参数

4.3 结果分析

建立几何模型后，设立边界条件，导入到FLUENT程序中，检查网格质量，输入计算参数，进行计算。

从图3可知，10～20s时间段下游淹没区增长最快，这主要是初期坝下游有一个7m的台阶落差，使得此段水砂流速度很大。由于下游左侧突出防护小山体的阻挡作用，使得洪峰最高中心往远离民宅方向发生了偏移，这大大减小了下游民宅的防洪压力。在36s时刻，淹没民宅区范围最大，漫流水砂遇到民宅阻挡，水位抬到5m多高，对房子形成一定的冲击压力，整个影响时间大约在15s左右。在44～46s时间段，下游河边的淹没区最大，然后随着上游水位的下降和下游的泄流，淹没区缓慢减少。

图3 不同时刻溃坝泥砂流的运行情况

针对上述模拟结果，经过实地调研并与业主充分讨论，本着安全、经济与实用的原则，拟采取在228m平台处靠近民宅一侧修建一3m高混凝土挡墙，以预防水砂流漫到居民区，起到保护民宅的作用。对比图3（d）与图4可知，修建挡土墙后，在同一时刻（36s），溃坝尾砂对民宅的影响大大减小。

从图5可知，在溃坝泥砂作用下，增设挡土墙的总压应力先增大后减小，在20s时最大，此时主要是上游尾矿从台阶上冲下，对下游平台有较大的冲击力所致，所以挡土墙设置处的防护措施应严格到位。随着下游水砂的下泄，总压应力总体上越来越小。

图4 36s时溃坝泥砂流的淹没情况（修筑挡墙后）

图5 挡土墙总压应力随时间的变化

5 结 论

（1）为了减小溃坝发生的概率，汛期应加强对排洪系统、坝体的巡查，确保排洪系统完好畅通及坝体完好。

（2）事先对坝体溃坝数值进行研究分析，做好应急预案及防护措施，确保下游人民生命财产安全、减少对下游流域生态环境带来的影响。

（3）采用FLUENT软件模拟尾矿库溃坝后泥砂流滑运移特征及影响范围，进一步丰富了尾矿库溃坝灾害风险防范的手段，为业主在尾矿库的安全管理及风险防范提供参考。

（4）本案由于下游坡度较陡，河谷狭窄，未采取任何措施时，尾矿库溃坝水砂流会漫到居民区，对下游左侧民宅存在一定影响。采取修建1处3m高的混凝土挡土墙，预防尾砂流对民宅的影响，从分析结果来看，取得较好防护效果。