尾矿库溃坝溃口发展状态模拟试验

秦 柯 孟宪磊

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家研究中心有限公司；4.甘肃工程地质研究院)



尾矿库溃坝溃口发展状态模拟试验

秦 柯1，2，3孟宪磊4

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家研究中心有限公司；4.甘肃工程地质研究院)

我国尾矿库数量众多，早期建设的尾矿库标准偏低，存在较大的安全隐患。尾矿库一旦发生溃坝，将对其下游居民的生命财产安全造成巨大损失，并导致严重的环境污染。为此，需进行尾矿坝溃坝试验研究。在尾矿库溃坝试验中，由于每座尾矿库的具体情况不同，很难按照严格比例进行物理模拟，因此试验中主要采用概化模型，通过试验设计，对影响尾矿库溃坝的部分比变量进行研究，找出一般规律，为尾矿库溃坝治理提供参考。

尾矿库 溃坝 模型 溃口 陡坎

据统计，尾矿库灾害在世界各种重大灾害中居第18位，仅次于洪水、霍乱、地震等灾害。若尾矿坝发生溃坝事故，必将严重危害下游地区的人民生命和财产安全，同时导致严重的环境污染。我国曾经发生过多起严重的尾矿库事故，2006年陕西省镇安县金矿尾矿库在实施增容施工过程中，坝体突然垮塌，造成17人失踪，40余间房屋被淹；2008年，山西省襄汾新塔矿业公司发生尾矿库溃坝事故，矿砂泄漏达19万m3，造成277人死亡，下游2.5 km范围内的建构筑物被淹没，造成塔山矿的3层办公楼整体向后推移达15 m；2010年9月，茂名市信宜紫金矿业有限公司银岩锡矿高旗岭尾矿库发生溃坝事件，造成22人死亡，直接经济损失达3 187.71万元人民币，而其尾矿坝溃坝的直接原因就是洪水漫顶。这些重大事故发生后，不仅造成人员伤亡，财产极大损失，矿山也被迫停产。

研究表明[1]，尾矿坝坝体稳定性破坏的因素很多，坝体稳定性的破坏会直接导致溃坝。就其发生机理而言，是由于外界环境的影响使尾矿库中的应力场和渗流场发生了变化，导致尾矿坝失稳。按照尾矿库失事的直接原因，尾矿库灾害类型主要有：①排洪及排水系统失效的洪水漫顶而导致的尾矿坝失稳；②尾矿坝坝体及坝基稳定性不足，引起坝基坝坡失稳；③自然灾害导致的尾矿坝失稳。

1 尾矿库溃坝方面的研究

在尾矿库溃坝研究中，T.L.Wah提出尾矿坝侵蚀的两个重要阶段：溃口形成阶段与溃口发展阶段[2]。D.C.Froehlich则认为，溃口发展阶段的起始时刻应为溃口剧烈扩大时刻，而溃口结束的时间是溃口侧向侵蚀停止的时刻[3]。因此，大坝溃决的总时间可以认为是溃口形成时间与溃口发展时间之和。欧洲和美国近年来做了大量溃坝试验，基于试验及溃坝实例观察，拉尔斯顿(Ralston)、瓦尔和汉森等学者提出了一项新的尾矿坝漫溃机理——“陡坎”冲刷(headcuterosion)[4]，“陡坎”(headcut)指水在高程上的突降。当水流流经“陡坎”时，水流流速瞬间变大，对下游河床或渠道造成冲刷，同时在陡坎底部形成反向旋流，旋流在近似垂直的跌水面上施加剪应力，冲刷床面并掏蚀跌水面基础，造成跌水面失稳斜塌[5]。

2 模型设计

由于尾矿库尾砂堆排复杂，试验中很难按照一定比例去设计模型，其相似性质泥沙的选配也是难点。因此，在试验模型设计中，将假定多个变量，只对其中一个或几个变量进行试验研究，由此得出的数据虽然具有一定的局限性，但对于研究尾矿库溃坝某一参数的影响仍然有积极意义。

本试验中设计制作了一个水槽系统进行研究，模型试验水槽如图1所示。槽体由有机玻璃制造，水槽一端安装转轮用于调整坡度，另一端与水平水槽连接，在水槽中铺设尾砂模拟尾矿堆积坝，水槽末端设置沉砂池。

图1 试验水槽

本次试验设计中采用11.30°坡度，模拟坡度为1∶5的尾砂堆积层，分别以尾砂干燥、湿润状态和溃口形态作为变量进行试验，形成4中不同工况：①铺设湿砂+溃口位于水槽中部；②铺设干砂+溃口位于水槽中部；③铺设湿砂+溃口位于水槽侧面；④铺设干砂+溃口位于水槽侧面。观察各种工况溃口状态的发展变化，寻找溃口发展的内在规律。溃口位于水槽中部模拟溃口断面与水流方向垂直，溃口位于水槽侧面模拟溃口与水流方向平行。

2.1 工况①

工况①冲刷形态变化见图2。

图2 工况①冲刷形态变化

通过对工况①中溃口变化状态的观察发现，人为在水槽中部开口后，当水深逐渐加高漫过尾砂时，尾砂面出现多个小股细流，由于受到水槽的限制，最终仅中部细流造成的尾砂冲刷逐步加深，溃口形成。随着水流的继续增大，水流的下切作用使水沟加深并形成“陡坎”，“陡坎”不断向上游移动，并最终将尾砂溃口下游区域内尾砂全部冲至沉砂池内。

2.2 工况②

工况②冲刷形态变化见图3。

图3 工况②冲刷形态变化

通过工况②溃口变化状态的观察发现，溃口的变化状态与工况①相近，但对溃口下游尾砂的冲刷能力较工况①小。

2.3 工况③

工况③冲刷形态变化见图4。

图4 工况③冲刷形态变化

通过工况③溃口变化状态的观察发现，工况③中溃口发展速度相对工况①、工况②较为缓慢。造成这一现象可能是由于溃口断面与水流方向平行，溃口产生后，仅有部分水流对溃口具有下切作用，部分水流仍然按照原路径沿水槽向下流淌，因此水流整体对工况③中溃口发展的作用较小。

2.4 工况④

工况④冲刷形态变化见图5。

图5 工况④冲刷形态变化

通过对工况④溃口变化状态的观察发现，工况④中溃口发展速度相对工况③较小，且溃口上部尾砂仍然保持着完好状态，仅靠近溃口一侧尾砂被冲毁。

3 结 论

(1)由冲刷结果可以看出，溃口形态为矩形。泥沙受到水流的冲刷而不断下切，随着冲刷的进行，冲刷宽度不断增大，但本设计中由于受到水槽槽体限制，溃口最大宽度与水量关系无法确定。

(2)溃口断面与水流方向垂直时，溃口发展速度较快，且产生的破坏力度大，对下游尾砂的冲刷能力更强。

(3)尾砂处于干燥状态下，溃口形成后遭到的破坏相对较小，且溃口发展速度较慢。

[1] 张力霆.尾矿库溃坝研究综述[J].水利学报，2013,44(5):594-600.

[2] 魏 勇,许开立.尾矿坝漫顶溃坝机理及过程研究[J].金属矿山,2012(4):131-135.

[3] 徐 耀，张利民.土石坝溃口发展模式研究[J].中国防汛抗旱，2007(12):18-22.

[4] 陈生水，钟启明，陶建基.土石坝溃决模拟及水流计算研究进展[J].水科学进展，2008，19(6):903-910.

[5] 魏 勇.尾矿坝漫顶溃坝砂流演进数值模拟与风险评价[D].沈阳：东北大学,2011.

Simulation Test of the Development Status of the Breach of Tailings Dam Break

Qing Ke1,2,3Meng Xianlei4

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Institute of Engineering Geology in Gansu Province)

There is a large number of tailings in China,the standard of the early period construction of tailings is low,the potential safety hazards is serious,if the tailings dam break is occurred,the life and property of the downstream residents will be threatened seriously and the significant environmental pollution could be caused.So,it is necessary to conduct the test of tailings dam break.During the test process of tailings dam break,due to the different specific circumstances of each tailings,so,it is difficult to conduct the physical simulation test based on the proportion strictly.Therefore,the generalized model is adopted in the test design in this paper,part of the proportion variables that affecting the tailings dam break are analyzed to discuss the general rules and some relative conclusions are drawn to provide some reference to deal with tailings dam break.

Tailings,Dam break,Model,Break,Scarp

2016-06-28)

秦 柯(1984—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。