头顶尾矿库溃坝下游平原区防护措施优选研究

李姝景 刘晓峰 武立功 肖利兴 姚 池 姜清辉1

（1.南昌大学建筑工程学院，江西南昌330031；2.江西省尾矿库工程安全重点实验室，江西南昌330031；3.青州市应急管理局，山东潍坊262500；4.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌330031）

尾矿库一旦溃坝，坝内的尾矿砂、水、泥将以泥石流的形式流出，会严重威胁下游居民的生命财产安全，因此对尾矿库下游进行有效防控很有必要［1-4］。

目前，关于尾矿库溃坝特征及演进的研究方法主要有物理模型试验和数值模拟两种［5］。陶冬良［6］以钼矿尾矿库溃坝事件为工程背景，利用模型试验法，明确了溃坝事故发生时的安全撤离时间以及尾矿库溃坝形态和溃坝洪水状态的影响因素。张力霆等［7-8］基于某尾矿库工程，运用模型试验法和数值模拟法，研究了尾矿库的溃坝机理及过程，总结了溃坝破坏模式。王仪心等［9］以山西襄汾尾矿库溃坝事故为例，介绍了尾矿库溃坝安全风险评价方法，并定量评价了其风险程度。为研究尾矿库逐渐溃坝时溃口的变化形态以及下游淹没范围，李火坤等［10］利用FLOW-3D软件建立了溃坝数值模型，分析了各位置淹没深度及变化情况，验证了模拟的可行性。李钢等［11］按一定的相似比尺建立了物理试验模型，分析了尾矿库溃坝后泥石流的演进规律以及冲击力，并将模型试验结果与数值模拟结果进行了对比，验证了所建模型的可靠性。王学良等［12］分别利用Massflow和PFC3D两种方法模拟了尾矿库溃坝后水砂的运动特征，并进行了对比分析。王光进等［13］利用模型试验方法进行了尾矿库漫顶溃坝分析，并探究了溃坝模式。廖威林等［14］基于ANSYS CFX软件对尾砂的流变特性进行了研究，结果表明：尾砂颗粒的粗细、浓度均影响剪切应力大小。敬小非等［15］以秧田箐尾矿库为研究对象，通过改变溃坝时的溃口形态，分析了下泄泥沙的流动特性，认为下泄泥沙的冲击力、演进规律以及淹没范围均受到溃口形态的影响。陈俊等［16］利用FLOW-3D软件建立了溃坝数值模型，分析了溃坝后库内泥沙对下游产生的影响。陈小玉［17］研究了尾矿泥沙流变参数的计算方法，并分析了尾矿库发生溃坝后下泄泥沙的演进规律。

近年来，学术界对尾矿库溃坝泥沙的成因及内力的研究较多，对下游防护措施的研究较少［18］。现有的尾矿库溃坝特征研究主要集中在溃坝砂流的演进特征、溃坝形式等方面，对提前设置防护措施以减少下游居民生命财产损失等方面的研究涉及较少。采取合理的防护措施对于尾矿库工程防灾意义重大，尤其是下游开阔地形范围广、影响大的尾矿库工程，相关防护的研究更为迫切。本研究以具有开阔下游区域的永平铜矿尾矿库为例，建立下游设置不同形式拦挡坝的物理模型，分析不同形式拦挡坝对溃坝砂流的影响，并基于FLOW-3D软件对该模型进行三维数值模拟，计算并分析溃坝后下游淹没范围以及不同形式拦挡坝的拦挡效果，为尾矿库溃坝泥石流防控研究提供参考。

1 模型试验

1.1 工程背景

江西省永平铜矿5座初期坝中1#坝的下游部分区域存在大量的居民区与农田，如图1所示。该类现象也普遍存在于国内其他尾矿库中，如湖北省杨家湾尾矿库。此类尾矿库发生溃坝时，会威胁到下游居民的生命财产安全。为研究开阔地形下的溃坝砂流演进过程并确定下游最优防护措施，本研究通过在实验室内搭建尾矿库溃坝试验三维模型，对下游尾砂淤积厚度以及溃坝砂流的影响范围进行分析，探究砂流影响范围以及下游泥沙淤积厚度的变化规律，在此基础上，对下游防护坝的布置形式进行优选。

1.2 试验方案

1.2.1 材料选取

为了保证尾砂的化学性质相似，试验所用的模型砂取自永平燕仓尾矿库。选取的尾砂粒径均小于0.5 mm，颗粒级配曲线对比如图2所示。尾砂具体物理性质及力学参数取值见表1。

1.2.2 试验装置

试验模型是由制浆系统、贮浆系统、排浆系统以及数据测量系统组成。其中，贮浆系统尺寸为80 cm×50 cm×100 cm（长×宽×高），系统上方和前方均为开放的，在水槽内设简易的斜坡装置，使槽内后方略高于溃口处，以便减少水槽内尾砂淤积，确保能下泄充足的尾砂量，形成尾矿库库区模型。在贮浆系统前方开口处插入塑料挡板，便于储存足够的尾砂，达到瞬间溃坝的目的。为防止槽内泥沙压力过大造成挡板变形，在挡板前嵌入两根横向钢筋来固定挡板，由此构成排浆系统。模型试验装置如图3所示。

1.2.3 拦挡坝确定

为探究不同形式拦挡坝对溃坝下泄泥沙流的影响，从而确定最优拦挡角度，试验采用了3种形式的坝体，夹角分别为 180°（工况1）、135°（工况 2）、90°（工况3），并且将坝体均设在距溃口1.5 m处。

1.2.4 试验过程

参照《尾矿库手册》［19］以及课题组相关研究经验，确定试验所需水砂混合物体积为10 m3，水砂浓度比为1∶1，通过制浆系统将尾矿砂和水按照试验浓度比搅拌均匀，完成溃坝泥沙的初步制备，通过泄沙口将泥沙排放入贮沙池以模拟高势能待溃头顶尾矿库，迅速打开排浆装置，高势能泥沙向下游开阔区流出，溃坝砂流演进开始。同时，利用高速摄像机记录砂流在开口区的演进情况，通过数据量测系统记录下游尾砂淤积厚度、尾砂影响范围等数据。

1.3 试验结果及分析

1.3.1 不同拦挡坝形式下的下游泥沙淤积厚度特征

泥沙淤积厚度是研究泥沙演进规律的一个重要参数，在本次试验中，通过分析泥沙淤积厚度可以直接体现拦挡坝对于泥沙淤积的拦截效果［18］。试验对泥沙淤积厚度、淹没范围进行了精确测量，以溃口中心为起始点，横向间隔10 cm、纵向间隔20 cm设置监测点，并用MATLAB编制程序绘制出泥沙淤积厚度等高线云图，进一步分析3种坝型对泥沙演进的影响。

为分析尾矿库溃坝后尾砂下泄后的泥沙淤积情况，试验选取了两个具有代表性的监测区域，分别是溃口前20 cm×40 cm区域和拦挡坝前区域，如图4所示。

3种工况下泥沙淤积厚度云图如图5所示。

分析图5（a）可知：溃口前监测区域的平均泥沙淤积厚度为2.5 cm，坝前泥沙平均淤积厚度为2 cm。

分析图5（b）可知：溃口前监测区域的平均泥沙淤积厚度为1.7 cm，坝前泥沙平均厚度为1.4 cm，相对于工况1，淹没范围内各位置的淤积厚度均减少了。原因主要为：①下游设置的拦挡坝坝体可以使流动的泥沙发生回流，泥沙从溃口下泄出来时会带有较大的冲击力，当坝体夹角为180°时，整个拦挡坝会同时受到下泄泥沙的碰撞，此时由于拦挡坝的截流拦挡作用，使得泥沙发生较大范围回流。由于泥沙碰撞坝体时间基本一致，所以坝前泥沙淤积厚度较深且均匀。坝体夹角为135°时，折角的出现使下泄泥沙碰撞到坝体各个位置存在时间差，以致坝前泥沙淤积厚度分布不均匀。当泥沙碰撞折角两侧的坝体时，增大了泥沙运动位移，减少了坝前泥沙淤积量，由此也使下泄泥沙中的动能减小，运动速度减小，回流范围减小。②拦挡坝具有导流作用，坝体夹角为135°的拦挡坝的导流作用比夹角为180°的拦挡坝明显，此时下泄泥沙在碰撞拦挡坝后一部分会沿着拦挡坝的方向流动，使得坝前泥沙淤积厚度逐渐减小。对比以上两种工况可知，减小拦挡坝的坝体夹角有利于减缓下泄泥沙对拦挡坝的冲击力以及坝前淤积厚度，有利于坝体稳定［20］。

分析图5（c）可知：溃口前监测区域泥沙平均淤积厚度为1.5 cm，坝前泥沙平均淤积厚度为1 cm，相对于工况2，各位置的淤积厚度均略有减小。进一步分析发现，泥沙运动到135°坝体折角时冲击力较90°工况更大，所以回流的范围也比坝体夹角为90°的工况影响大。原因是，当下游设置的拦挡坝的坝体夹角为90°时，坝体夹角过小，使得冲击力不够大，并且当泥沙运动到两侧坝体时，运动速度已经趋近于零，此时坝体仅是起着拦挡以及使泥沙沿坝体顺势流动的作用，经过一段时间后，会使坝前泥沙堆积过多，不利于坝体稳定；当下游设置的拦挡坝的坝体夹角为135°时，下泄泥沙到达坝体折角时的冲击力比工况3大，虽然冲击力未达到能带动大量泥沙发生回流的程度，但也可使泥沙因回流沿坝体向周围扩散，可以有效地下泄泥沙排到两侧［20］。

根据上述分析可知，因尾矿库发生瞬溃时泥沙的流动特性，淤积深度最深的区域为溃口正前方。为进一步分析溃口前方泥沙淤积厚度的变化规律，在模型试验中增加了8个监测点，如图3所示。监测点在不同夹角拦挡坝下的泥沙淤积厚度变化特征如图6所示。分析该图可知：拦挡坝的坝体夹角越小，坝前泥沙淤积厚度越小。当下游设置坝体夹角为180°的拦挡坝时，坝前50 cm内的泥沙淤积厚度均匀下降，而坝体夹角为135°和90°的拦挡坝，坝前10 cm处的泥沙淤积厚度会突增，这是由泥沙的回流作用以及回流后的剩余冲击力所致。

1.3.2 不同拦挡坝形式下的下游泥沙淹没范围特征

淹没范围可直观地反映拦挡坝的防护效果［21］。试验中提取高速相机拍摄的照片，并进行图像校正，通过计算分析系统获取了各坝型拦挡作用下的尾砂淹没范围和淹没面积，分别如图7、表2所示。分析可知：在坝体夹角为135°的工况下，下游淹没范围最大，是由于拦挡坝既具有横向导流作用，又具有纵向导流作用，兼具导流和拦挡的作用，而其他两种工况下拦挡坝的导流作用只有单向。

1.3.3 物理模型试验结果

综上分析可知：夹角为180°的拦挡坝具有拦挡作用，下泄泥沙带有较大的势能，碰撞坝体后发生回流，增大了坝前泥沙淤积厚度，这需要坝体具有良好的抗冲击能力和承载力。夹角为135°的拦挡坝具有拦挡和导流双重作用，坝体上的折角减小了泥沙对坝体的冲击力，阻挡了坝前泥沙的回流范围。该坝型的双向导流作用使得下泄泥沙扩大了运动区域，能够使下泄泥沙沿坝体排到周围，减小了泥沙淤积厚度，降低了对坝体的危害，同时也保护了下游居民安全。夹角为90°的拦挡坝也具有拦挡和导流作用，但纵向导流作用大于拦挡和横向导流作用，以致泥沙的纵向流动范围较明显，并且此工况下的下泄泥沙对拦挡坝的冲击力比工况2小，所以当泥沙触碰坝体后减小了回流范围，大部分泥沙都沿着坝体流向下游，但由于速度较小，泥沙长时间的流出会导致坝前淤积较大，不利于坝体稳定。可见，在下游设置坝体夹角为135°左右的拦挡坝，效果较好。

2 数值模拟及结果分析

2.1 数值模拟原理

本研究采用流体计算软件FLOW-3D对该尾矿库在设置不同拦挡坝时的溃坝砂流演进进行模拟，选择FLOW-3D软件中的泥沙颗粒流模块，并结合FAVOR技术划分网格，计算泥沙的淤积厚度和移动值。

在FLOW-3D软件中，非黏性颗粒流中的剪切应力由3种剪切力组成：①因颗粒碰撞产生的剪切应力τi；②颗粒的附加黏性剪切应力τv；③流体剪切应力τf。本研究通过文献［22］中的公式来计算非黏性颗粒流中的剪切应力τ：

式中，ρs为颗粒密度，kg/m3；ρf为流体密度，kg/m3；D为球体直径，m；λ为直径与最小间隙之比，λ=D/S；dudy为混合物速度梯度；μf为流体的动态黏滞系数；ΔR为Couette流间隙。

2.2 数值模拟模型建立及参数设定

本研究利用Civil-3D软件绘制几何模型，然后导入FLOW-3D软件完成几何模型构建，如图8所示，模型计算参数取值见表3。

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1 下游泥沙淤积厚度特征对比

3种工况下的泥沙淤积厚度数值模拟结果如图9所示。分析图9可知：拦挡坝的坝体夹角为180°时，溃口前监测区域的泥沙平均淤积厚度为2.3 cm，坝前泥沙淤积厚度为2 cm；拦挡坝的坝体夹角为135°时，溃口前监测区域泥沙平均淤积厚度为2.4 cm，坝前泥沙淤积厚度为1.7 cm；拦挡坝的坝体夹角为90°时，溃坝后溃口前监测区域泥沙平均淤积厚度为2 cm，坝前泥沙淤积厚度为1.5 cm。

模型试验与数值模拟的各项数据对比如表4所示。对比发现：数值模拟得出的下游泥沙淤积厚度云图、各位置泥沙淤积厚度与模型试验结果相近。

3种坝型的坝前指定某个点的泥沙淤积厚度随时间的变化特征如图10所示。分析可知：最后趋于稳定的坝前泥沙淤积厚度与模型试验数据相似，并且坝前泥沙淤积厚度随着拦挡坝坝体夹角的减小逐渐减小。

2.3.2 下游泥沙淹没范围特征对比

下游泥沙淹没范围是影响拦挡坝选择的重要因素之一，对于下游居民的生命安全有重要影响，因此有必要准确掌握不同坝型对下游的淹没范围。图11为数值模拟得到的各坝型的下游淹没范围，表5为模型试验与数值模拟得到的下游淹没面积数据。综合分析表明：数值模拟与模型试验得到的下游淹没面积相近。

3 最优防护措施确定

对比物理模型试验以及数值模拟的结果可知，对于该类型尾矿库，坝体夹角为135°左右的拦挡坝可以起到较好的拦挡效果。135°左右的坝体起着拦挡和导流的双重作用，坝体上的折角可减缓下泄泥沙对坝体的冲击力，该坝型的双向导流作用增大了下泄泥沙的流动范围，降低了下游泥沙淤积厚度，能够使得泥沙有效地排到周围，减小了对下游居民的危害。

为进一步确定最优拦挡坝的坝体夹角，利用数值模拟方法对坝体夹角为126°、128°、130°以及136°的拦挡坝的防护效果进行了分析。结果表明：由于该范围内坝体夹角变化幅度较小，下游淹没范围整体上变化不大；坝前淤积厚度峰值出现的时间以及大小也基本一致，如图12所示。随着下泄泥沙势能减弱，坝前泥沙淤积厚度趋于稳定，当拦挡坝坝体夹角改变时，坝前泥沙淤积厚度发生了明显变化。由图12可知：在这4种工况下，坝前泥沙淤积厚度的最终稳定值的变化特征为随着坝体夹角减小而减小，原因在于坝体夹角越大，泥沙触碰坝体时的势能越大，泥沙在坝前发生回流的次数越多，使得坝前淤积厚度增大；拦挡坝的坝体夹角为126°时，坝前泥沙淤积厚度最终稳定值的变化特征则恰恰相反，原因在于适当减小坝体夹角，不仅不会改变拦挡坝的拦挡和双向导流的双重作用，还会增强坝体的导流作用，从而增大了泥沙的流动性；但拦挡坝的坝体夹角缩减过多，下泄泥沙运动距离增大，便会降低泥沙对坝体的冲击力，减小坝前泥沙流动性，导致坝体前泥沙淤泥过多，不利于坝体稳定。综上所述：坝体夹角为128°的拦挡坝为最优防护措施。

4 结 论

针对下游为开阔平原地形的尾矿库，通过模型试验与数值模拟两种方法，研究了在不同下游拦挡坝布置形式下溃坝后各位置的泥沙淤积厚度以及淹没范围，并对下游防护拦挡坝的布置形式进行了优选，得出以下结论：

（1）拦挡坝具有拦挡和导流的作用，其中，导流作用分为横向和纵向。当泥沙触碰到坝体时会产生两种运动方式：①在坝体截流拦挡的作用下，大部分泥沙被截在坝前，小部分泥沙越过坝体继续运动；②泥沙在拦挡坝的拦挡与导流双重作用下，流体运动方向发生改变。

（2）不同坝型的拦挡坝所发挥的作用不同。对于坝体夹角较大的拦挡坝，坝体拦挡作用大于导流作用；对于坝体夹角为135°左右的拦挡坝，坝体的拦挡和导流作用均发挥了明显作用；对于坝体夹角较小的拦挡坝，坝体的导流作用大于拦挡作用。

（3）坝体夹角为128°的拦挡坝为最优防护措施。一方面在于夹角为128°的坝体起着拦挡和导流的双重作用，坝体夹角能减缓下泄泥沙对坝体的冲击力，同时此种坝型具有双向导流作用，增大了下泄泥沙的流动范围，降低了下游泥沙淤积厚度，使得泥沙有效地排到周围，减小了对下游居民的危害；另一方面，相对于135°的拦挡坝来说，适当减小坝体夹角有利于减小泥沙对坝体的冲击，减少坝前泥沙淤积，有利于坝体稳定。