矿浆浓度对尾矿库溃坝泥石流运动规律研究分析

刘 林，郭忠林，何泽正，胡建非，杨晓敏

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2.重庆求精工程造价咨询有限公司，重庆 400000)

尾矿库属于金属、非金属矿山的重大危险源，在尾矿库事故中造成损失最大的是溃坝[1-3]。由于年限过长或者其他自然及外界因素的破坏，使尾矿坝存在较大安全隐患。因此，如何降低尾矿库溃坝风险显得极其重要。

近年来国内外学者对尾矿坝进行了深入研究，主要从尾矿坝稳定性、抗震性能、安全保护措施、安全管理、安全监测方面做了探讨分析[4-7]。众多专家利用理论分析及相似模拟实验等方法，从多个方面研讨尾矿坝坝体性能及溃决泥石流在下游的动力特性变化，并取得十分显著的科研成果，为未来对尾矿库溃坝的研究设计提供了有力的理论基础。敬小非等[8]选取尾款库库区尾砂为试验原材料，采用模拟装置在洪水漫顶情况下进行尾矿坝溃坝灾害的试验，总结在洪水的作用下尾矿坝坝体、浸润线等的变化情况，研究溃决泥石流的演进规律和运动特性。于广明等[9]运用几何学对尾矿坝内部结构特性进行研究，分析尾矿库内部结构性质对尾矿坝力学性能的影响。张晓萍等[10]针对某钼矿尾矿库进行抗震稳定性研究，分析不同荷载作用下坝体变形情况，并对该尾矿库尾矿液化稳定性进行预测。魏勇等[11]探究溃口形态、沙流体积分数及下游坡度对溃坝砂流的流动特性及演进规律的影响。RICO等[12]在2008年分析了尾矿库坝体一旦发生失稳破坏，会导致洪水的可能性问题及其关键影响因素。SUN等[13]运用物理模型试验方法，建立尾矿库覆顶演化模型，分析尾矿库溃坝演化特性，得到饱和线高度、坝体位移、溃坝演变和最大流量过程。DIEGO等[14]将合成孔径雷达(SAR)技术应用于尾矿坝坝体表面变形监测。

基于此，本文通过对不同矿浆浓度溃坝泥石流的影响因素及其运动规律进行分析，系统地研究了导致尾矿库溃坝的危险因素，并对溃决泥石流随时间、位移的变化规律进行分析，为尾矿库溃坝事故分析、库区下游居民的搬迁提供依据。

1 工程概况

某铜矿尾矿库地处四川省，沟谷朝向大致为北南向，属于山谷型尾矿库，呈“V”字状，尾矿库底宽约为10～25 m，纵坡比较陡峭，平均坡降约为0.17。沟谷地貌大多为坡地和荒岩，植被比较少，初期坝采用堆石坝的形式，初期坝顶标高大约为1 240 m，坝高为73 m，该尾矿坝堆积坝高目前已达115 m，总坝高185 m。上游坡比为1∶1.76，下游坡比为1∶2，在每升高15 m的地方建造一宽约1.5 m的马道。

2 相似模拟试验

2.1 试验材料及装置

试验尾矿砂选自于该尾矿库，通过测试可知，尾矿库堆存尾矿砂粒径为d10=0.02 mm，d30=0.065 mm，d60=0.11 mm；曲率系数Cc平均值约为1.92，不均匀系数Cu平均值约为5.5，级配良好；液限18.8%，塑限9.4%，塑性指数9.4%，液性指数0.33。试验选取浓度为20%、30%、40%、50%、60%的尾矿矿浆为试验材料进行5组尾矿坝相似模拟试验，并从淹没高程、流速、应力三个方面分析不同尾矿矿浆浓度对库区下游流动特性的影响。根据泥石流相似准则和库区地形地貌，综合考虑工程需求、试验室场地和设施设备等情况，各要素比尺见表1。

表1 相似模拟比

该试验装置为溃决泥石流运动规律研究模拟试验系统，试验系统主要由模拟尾矿坝区、溃口挡板、玻璃沟槽、录影观测设备、应力测量系统构成。整个装置采用透明材料制成，便于记录观测溃决泥石流泥深、流速等变化，试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Test device

2.2 试验步骤及过程

通过利用尾矿坝溃坝泥石流运动规律试验装置，对不同浓度矿浆泥石流演进变化进行试验研究，具体试验步骤如下：

1)首先按计算出的比例配制好模型尾矿浆；

2)调试观测设备的位置使拍摄角度最佳，将应力测量系统归零，做好试验前的所有准备；

3)密封坝体溃决口，将配制好的矿浆倒入库区中；

4)提升溃坝挡板模拟尾矿坝溃决泥石流，用观测设备记录泥石流在库区下游的运功过程，用红色浮标测试流速。

通过观测设备录像片段观察出各浓度在不同断面处淹没高程的变化规律，溃坝淹没高程特性分析如图2～7，可观察出各浓度的淹没高程有明显差异，随着浓度及距坝址的距离增大，淹没高程呈现逐渐减小直至平缓的趋势。为了更好地观测溃坝矿浆浓度对尾矿库溃坝泥石流运动规律的影响，本次试验分别从1.5、3、4.5、6 m取点，沿着溃坝流向选择4个不同的点。

图2 不同浓度溃坝泥石流淹没高程变化(距坝址1.5 m处)Fig.2 Changes in elevation of submerged dam-break debris flows with different concentrations(1.5 m away from the dam site)

图3 距坝址1.5 m处淹没高程变化规律Fig.3 Change law of submerged elevation of the location with 1.5 m away from the dam site

由图2可知，尾矿库溃决泥石流浓度的增加导致泥沙流流经库区下游时，相同特征过流断面处泥深有较大的差异，随着浓度的增加，淹没高程呈增大趋势，其不同浓度淹没高程分别为10.1、11.9、12.2、12.6、14 cm。图3展示了不同泥浆浓度情况下泥沙流的淹没高程变化过程线，可看出各浓度的最大淹没高程分别为11、12、13、14、15 cm，1.5 s之内，淹没高程迅速达到峰值，随着时间的变化，各个浓度的淹没高程渐渐降低。

由图4可知，随着浓度的增大，淹没高程也在逐渐增大。由图5可知，在距坝址3 m位置处，各浓度的最大淹没高程分别为7、8、8.4、9、10 m，相较距离1.5 m处各浓度最大淹没高程范围有所减小，随着时间的流逝和距离的增加，淹没高程逐渐减小。在2 s内淹没高程增长迅速，比距离1.5 m处所达到淹没高程峰值的时间延长了0.5 s，在达到淹没高程峰值及降低的过程中，增长速率与下降速率有减慢的趋势。

图4 不同浓度溃坝泥石流淹没高程(距坝址3 m处)Fig.4 Inundation elevation of dam-breaking debris flow with different concentrations(3 m away from the dam site)

图6中对比各浓度的淹没高程，随着泥浆浓度变大，淹没高程逐渐升高，20%浓度时淹没高程为5.5 cm，60%浓度时淹没高程为6.6 cm。由图7可知，距坝址4.5 m处各浓度淹没高程最大值分别为5、5.5、6、6.5、7 cm，相比3 m处下降了2～4 cm，最大淹没高程的增长速率也明显变缓，随后淹没高程逐渐降低至平稳流动。

图5 距坝址3 m处淹没高程变化规律Fig.5 Variation law of submerged elevation 3 m from the dam site

图6 不同浓度溃坝泥石流淹没高程(距坝址4.5 m)Fig.6 Inundation elevation of dam-breaking debris flow with different concentrations(4.5 m away from the dam site)

图7 距坝址4.5 m处淹没高程变化规律Fig.7 Variation law of submerged elevation of the location with 4.5 m away from the dam site

经过对库区下游不同特征过流断面的淹没高程变化及不同浓度的淹没高程变化折线图分析预测，得到各断面淹没高程随时间变化的规律及流体在下游的运动规律，随着尾矿库溃决泥石流浓度的逐渐增大，泥石流在流经库区下游同一特征过流断面时的淹没高程有着较大差异。根据数据分析得出：

1)在距坝址相同位置处，随着矿浆浓度的变化，淹没高程也表现出逐渐增大的走势。而淹没高程在下游的流动中随着流动距离的逐渐变大而表现出变小的趋势。距离溃口的位置越近，淹没高程越高，随着距离的增大，由于势能的逐渐减少，淹没高程越来越低。根据试验结果可知，当距离溃口1.5 m处时，不同浓度的最大淹没高程范围大约为11～15 cm；而在距坝址3 m处，最大淹没高程范围为7～10 cm；距离4.5 m处，最大淹没高程降低至5～7 cm。显然离溃口距离越近的库区下游灾害范围越大。由图4可知，距坝址1.5 m处，当浓度由20%增大至60%时，淹没高程由10.1 cm上升至14 cm；同理可知距坝址3、4.5 m位置处，泥浆浓度由20%浓度上升至60%时，淹没高程分别由7.5、5.5 cm上升至9.2、6.6 cm。

2)泥浆在下游各个过流断面处观测点流速的演进过程中有着极具明显的衰弱现象，淹没高程总体呈现出小—大—小的变化趋势。各个断面上的淹没高程变化趋势均体现为前面陡峭后面逐渐平缓，当溃坝泥浆到达某一个断面后，在短时间内达到最大值，随后就不断降低，出现明显的拖尾现象[15]。整个淹没高程过程曲线总体上可以总结为三个阶段：第一阶段为淹没高程迅速增长的阶段。在该阶段内，淹没高程迅速爬高，并且达到一个峰值，该段的曲线斜率较大。淹没高程达到峰值的时间越短，代表该区域的人撤离的时间越短，所受灾害程度越大；第二阶段为淹没高程逐渐下降阶段。该阶段内淹没高程随着时间的推移慢慢降低，下降速率明显小于第一阶段；第三阶段为稳定阶段，伴随着泥浆淹没高程缓慢地变小，淹没高程从最顶峰降至最低处并使泥浆停滞于沟槽。该阶段的特点就是持续时间长，淹没高程降低速率比较低。

通过观察摄像系统拍摄的记录结果，可得出不同过流断面，在不同浓度情况下的流速随时间的变化趋势，溃坝流速特性分析见表2。试验中采用红色泡沫小球追踪记录矿浆流速，当流体流到下游沟槽时，间断性地投入泡沫小球，由于小球较轻，将随着流体一起流动，通过小球的位移和经过的时间即可计算出流体的流速。

表2 不同泥浆浓度各过流断面观测点流速

从表2中可以观察出溃决泥石流在下游流槽中的流速在距坝址相同位置处，随着矿浆浓度的增大，速度呈现逐渐变小的趋势。以距坝址3 m处为例，20%浓度的流速2.01 m/s，而60%浓度的流速降低至1.36 m/s，初步研究判断为泥浆浓度越高时，泥浆内部的黏度也随之变大，导致泥浆在下游沟槽活动过程中累计消耗的能量也越多，所以流动速度随着泥浆浓度的增大而减小。

同一泥浆浓度的情况下，观测点最大流速随着距离坝址的位置增大而减小，以20%浓度为例，当观测点流速在3 m处时，流体速度的峰值达到2.01 m/s，当泥石流到达下游6 m处时，流速降低至1.39 m/s。因为库区泥砂流来源的减少和势能的降低，且流动过程中受到一定的阻力，使同一浓度泥浆流速随着距离的增大而减小。以上现象说明泥浆浓度越大，到达下游所需的时间越长，发生溃坝事故时，有相对更多的时间采取应急措施，使人员迅速撤离到安全区域。

图8为不同浓度泥浆在1、2、3、4号传感器(1号距坝址1.5 m，2号距坝址3 m，3号距坝址4.5 m，4号距坝址6 m)位置处溃坝应力特性的变化规律。

图8 不同浓度应力变化Fig.8 Stress changes at different concentrations

由图8可分析出溃坝泥石流浓度是影响应力变化的重要因素，随着泥石流浓度的增加，应力表现出逐渐减小的趋势。以2号传感器为例，20%浓度应力峰值为6.4 kPa，60%浓度应力峰值降低至0.79 kPa。因为冲击力受到浓度、运动速度的影响很大，使其随着浓度的增加，泥沙流的相对运动速度变小，泥沙流浓度对冲击力的影响反而更为明显，因此随浓度的增大使其对泥沙流的冲击力表现为减小趋势。

在相同浓度的情况下，2号传感器应力值最大，距溃口越远的传感器所受应力越小，4号传感器应力值最小。而1号传感器所受应力值小于2、3号传感器的应力值，因为溃口处受到窄小位置处的阻流，形成回荡现象，使流体到1位置处的冲击力对比2、3号传感器的冲击力更小，结果表现为1号应力值小于2、3号传感器应力值。在同一浓度情况下应力值迅速达到峰值后，随即产生逐渐下降至平稳的趋势。

3 结论

本文通过相似模拟试验，探析了不同矿浆浓度对尾矿库溃坝泥石流规律的影响，针对不同浓度对溃决泥石流在下游的运动规律分析结果，通过一定的相似模拟比放大，将试验得到的结论结合到实际情况中，对发生溃坝事故时人员撤离高度、房屋耐压等级和人员疏散时间提出合理的建议。

1)根据不同浓度泥石流淹没高程特性分析结果，将相似模拟长度比尺1∶400放大，得到人员应安全撤离的高度。以泥浆浓度为60%为例，试验得出该浓度在距坝址0.6 km处，人员应撤离到高于84 m的安全区域；在距坝址1.2 km处，人员应撤离到高于60 m处；距坝址1.8 km时，应撤离到高于39.6 m处。随着浓度变小，淹没高程将逐渐减小，所以当泥石流浓度越低时，应撤离的高度相对越低。

2)根据不同浓度泥石流应力特性分析，库区下游的建筑物须能够承受一定的冲击力，才能保证建筑物不被泥石流破坏。根据应力特性分析结果，通过冲击力比尺1∶557的相似模拟比计算得出建筑物应达到的耐压强度。当泥浆浓度为20%时，在距坝址0.6 km处，建筑物抗压程度应大于1.73 MPa；在距坝址1.2 km处，建筑物抗压程度应大于3.56 MPa；而在距坝址1.8 km处，耐压程度应大于1.95 MPa；在距坝址2.4 km处，建筑物抗压程度应大于1.03 MPa。当泥浆浓度增大到60%时，由于冲击力相对减小，所对应的建筑物必须达到的抗压程度也随之减小。在距坝址0.6 km处，建筑无耐压程度应大于0.28 MPa；距坝址1.2 km处，耐压程度应大于0.45 MPa；距坝址1.8 km处，耐压程度应大于0.33 MPa；距坝址2.4 km处，耐压程度应大于0.21 MPa。

3)根据不同浓度流速特性分析，根据流速比尺1∶20，计算出人员安全撤离的疏散时间。库区下游按长度比尺(1∶400)算出总长为2 400 m，20%浓度时按流速比尺计算出的最大流速为40.2 m/s，安全撤离时间为59 s；30%浓度时最大流速为36.4 m/s，安全撤离时间为65 s；40%浓度时最大流速为30.8 m/s，安全撤离时间为78 s；50%浓度时最大流速为28.4 m/s，安全撤离时间为85 s；60%浓度时最大流速为27.2 m/s，安全撤离时间为88 s。当浓度从20%增大至60%时，安全撤离时间延长了29 s。