尾矿坝溃坝数值模拟研究_王孟来

图 2 溃坝泥砂流在下游 5 m 处冲击力变化情况
3 尾矿坝溃坝数值模拟
把尾矿库溃坝所形成的泥流浆体看作是空气 和泥砂流的两相流体，可用欧拉 － 欧拉模型来描
图 3 溃决泥砂流通过不同断面时的泥深变化情况
２０１３ 年第４ 月３８ 卷第 ２ 期
能源技术与管理
Ｆｅｂ．， Ｖ２０ｏ１ｌ．３３８ Ｎｏ．２
5结论
图 4 不同断面过泥砂流压力变化情况
4 数值模拟与相似模拟试验结果对比
为了验证数值计算结果的可靠性，将其与相 似模拟试验所得到的结果进行对比分析，下面就 整体趋势、泥深变化和压力变化的情况进行简单 的比较。 4.1 整体趋势比对
根据相似模拟试验结果比对分析得出：无论 是淹没深度还是冲击力变化情况，总体上都呈现 前面迅速增长、峰值以后都逐渐减小，并趋于平稳 值的现象。都有明显的峰值，并且在相同条件下， 两种计算结果得出的规律是类似的。 4.2 淹没深度结果比较
当坝高 １００ ｍ 的情况下，根据溃后库区下游 ２．５ ｋｍ 处的淹没深度的峰值情况，包括相似模拟 和数值模拟两个结果。两者之间的差值在 ２５％左 右，处于可以接受的范围。 4.3 冲击力结果比较
同样是抽取坝高 １００ ｍ，库区下游 ２．５ ｋｍ 处 的冲击力数据进行比对，在此处冲击力的峰值结 果相差有点大，数值计算结果为 １．９ ＭＰａ，相似模 拟试验结果为 ６ ＭＰａ。根据相关工程实际经验认 为此结果可以接受，处于合理误差范围［6］。 4.4 原因分析
尾矿坝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，并且需要很大的人力 和财力的投入。为了得到更多的数据，更好地研究 分析尾矿坝溃坝相关机理，不得不另辟蹊径。经过 大量的研究与尝试后，认为使用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 软件来 模拟泥砂流的流动过程有一定的可行性，它能为 研究提供运动和动力方面的数据，填补现场数据
2.1 溃坝后泥深变化规律 通过对下游各过流断面的泥浆淹没高程进行
整理，得到了各断面泥深随时间变化曲线，如图 １ 所示。
图 1 坝高 20 cm 时泥深变化情况
2.2 溃坝后冲击力变化规律 不同尾矿坝高度溃决后，泥浆在库区下游 ５ ｍ
处的冲击力过程情况，如图 ２ 所示。总体上看冲击 力曲线呈现前陡后缓的趋势，意味着溃后泥砂流 的冲击力在很短的时间内便能达到其峰值，然后 会逐渐降低。
通过图 ３ 可以知道，不同断面上的泥深的变 化都呈现前面陡峭后面平缓的趋势。就某一断面 来讲当溃泥砂流到达后，在很短的时间内达到最 大值，随后就不断降低，出现明显的拖尾现象。其 中转弯处有点异常，主要是因为转弯处由于弯道 效应而使得泥深要比直道的情况下高出很多。综 合来看，溃坝后下游将会出现的最大淹没深度是 ９５ ｍ 左右，距离坝址下游 ５ ｋｍ 范围内最后会形 成约 ２０ ｍ 的泥砂沉积深度，也就是说下游 ５ ｋｍ 内的村庄基本都会被淹没掉。
１．９４
１４．８１
２．０１
１４．６８
１．９６
１４．９７
１．９７
１４．８２
干密度 （／ ｇ／ｃｍ） １．６９ １．７３ １．６７ １．７０
饱和密度 （／ ｇ／ｃｍ） ２．２０ ２．２４ ２．１４ ２．１９
饱和度 ／％ ６５．９ ６９．２ ６８．３ ６７．８
孔隙比 ０．６８ ０．６５ ０．６９ ０．６７
（２）证实了用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 软件来模拟尾矿坝溃 坝后泥砂流流动的可行性，进一步拓展了尾矿坝 溃坝研究的方式和手段，能为以后溃坝后泥砂流 的研究提供一个参考。
（３）解决了因尾矿坝溃坝具有瞬间性及极强 破坏性而不易监测到溃坝现场数据的难题，为进 一步研究尾矿坝溃坝防护措施打下了基础。
［参 考 文 献］
的不足。
1 尾矿坝基本概况
1.1 尾矿颗粒组成 尾矿的颗粒组成不仅决定了它的物理性质，
也决定了其力学性质，如渗透性、压缩性和剪切强 度等。为了得到准确的尾矿颗粒组成情况，试验人 员随机选取了 ５ 袋尾矿样并将其混合均匀，进行 细化处置后，取 １０ 组试样，使用美国生产的 Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ Ｓ３５００ 型激光颗粒分析仪 进 行 颗 粒 分 析。从颗粒测试结果可知，１０ 组全尾矿样均为尾 粉土，全尾矿颗粒粒径的中值粒径在 ０．０１６～ ０．０８８ ｍｍ 之间，平均值为 ０．０４４ ｍｍ。 1.2 物理性质试验测试
Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
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3.2 溃坝后冲击力变化规律 由图 ４ 中可以知道，１００ ｍ 高尾矿库溃决后
对下游造成的冲击力可以高达 ２．６ ＭＰａ，泥砂流一 旦到达某处则迅速产生很高的冲击力，在很短的 时间内达到峰值，随着库区泥砂流来源的减少和 流动距离的增加冲击压力将迅速的减小。而对于 下游 ０．６ ｋｍ 处的米茂村来说，受到的冲击力可以 说是最大的，高达 ２．５ ＭＰａ 左右，所以该村的防护 工作应重点把握。
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Байду номын сангаас
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Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
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ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－ ９９４３．２０１３．０２．００１
专论与综述
尾矿坝溃坝数值模拟研究
王孟来 １，２，李耀基 １，２，李小双 １，２，史苏苏 １，２
［6］ 尹光志，敬小非，魏作安. 尾矿坝溃坝相似模拟试验研 究 [J].岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ，2010，29（ 增 刊 2）：38303838
［作者简介］
王孟来（１９８６－），男，硕士，毕业于重庆大学资源与环 境科学学院采矿专业，主要从事采矿与岩石力学方面的研 究。
［收稿日期：２０１２－ １０－ ２４］
［1］ 史冬梅. 泥浆流变模型的判别方法［J］. 西部探矿工程, 2005（9）：141-142
［2］ 周娜娜，汤亚飞，梁震. 磷矿浮选尾矿水污染物释放的 实验［J］. 武汉工程大学学报，2011，33（3）
［3］ 敬小非. 尾矿坝溃坝泥石流流动特性及灾害防护措施 研究［D］. 重庆：重庆大学，2011
（１ ． 云南磷化集团有限公司，云南 昆明 ６５０１ １ ３；２．国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 昆明 ６５０１ １ ３）
［摘 要］ 针对近年来尾矿坝（库）溃坝事故不断增多以及溃坝事故现场数据不容易监测的问 题，提出了采用数值模拟的计算机技术模拟事故现场的方法。首先，根据溃坝本身 的特点以及溃后泥砂流流动特性选择 ＶＯＦ 模型作为数值计算的基本模型，利用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 流体模拟计算软件进行数值计算。通过相似模拟试验和数值计算结果对比 发现，溃坝后泥砂流的泥深分布与冲击力变化曲线都具有相同的趋势，并且各自峰 值的相似度较大，证实了利用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 软件来模拟尾矿坝溃坝后泥砂流流动是可行 的，初步解决了因尾矿坝溃坝具有瞬间性及极强破坏性而不易监测到溃坝现场数 据的难题，为进一步研究尾矿坝溃坝防护措施打下了基础。
［关键词］ 尾矿坝；数值模拟；VOF 模型；溃坝 ［中图分类号］ ＴＰ１５ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １６７２-９９４３（２０１３）０２-０００１-０３
0引言
近年来随着社会对矿产需求的增加，尾矿的 总量也在急剧的增长，尾矿库数目也随之增加，堆 坝高度也越来越高，同时尾矿坝溃坝的风险也越 来越高［1］，又加上服务年数超限的尾矿库越来越 多，导致尾矿库溃坝事故的数目逐年递增。又由于 多数尾矿堆存物具有一 定 的 毒 害 性 ［2］，这 更 加 加 剧了尾矿溃坝带来的危害，现在已成为政府重点 关注对象。
根据库区地形，试验模型按 １∶５００ 比尺缩 小，则模型库区尺寸为 ３ ｍ×２．８ ｍ×０．５ ｍ（长× 宽×高），参考以往尾矿坝溃坝泥石流冲击距离，
该次试验下游冲沟设计为 １５ ｍ，模拟溃坝泥石流 在下游冲击距离为 ７．５ ｋｍ 的整个情况。根据设计 模型尺寸及其他条件综合考虑，确定相似系数如 表 ２ 所示 。 ［3］
述其运动。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）、混合物模型以 及欧拉模型。经过验证，选用流体体积模型 （即 ＶＯＦ 模型）对尾矿坝溃坝泥砂流的运动过程进行 数值模拟比较合适［4-5］。
为了方便模型的建立，将实际情况进行了相 应的简化，比如沟谷的边坡角度都统一设置成一 个大致的平均值，模型高 １００ ｍ，库区模型尺寸为 １ ５００ ｍ×１ ４００ ｍ×１００ ｍ，整个下游流动沟槽长 度为 ７ ５００ ｍ。参照前面得到的尾矿物理力学性质 以及原始边界条件的初始化，开展溃坝泥砂流流 动的数值模拟。 3.1 溃坝后泥深变化规律
［4］ 魏文礼， 郭永涛. 基于加权本质无振荡格式的二维溃 坝水流数值模拟[J]. 水利学报, 2007，5（5）：596-600
［5］ ZHOU Di -hua, SHEN H W,LAI Jihn -sung, et a1. Approximate Riemann solvers in FVM for 2D hydraulic shock wave modeling ［J］. J Hydraul Eng,1996,l22(12): 692-702
相似模拟试验与数值模拟的结果不同主要有 以下几点原因：①试验设备器材与数值模拟中选
利用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 软件对坝高 １００ ｍ 的尾矿坝溃 决过程进行数值模拟，可以得出以下结论：
（１）用 Ｆｌｕｅｎｔ３Ｄ 软件对尾矿坝溃决过程的模 拟结果与采用相似模拟试验得到的结果基本相 同，溃坝后泥砂流的泥深分布与冲击力变化曲线 都具有相同的趋势，并且各自的峰值的相似度较 大，均在工程计算允许的误差范围内。
表 2 相似系数参考
相似系数 公式 数值
几何相似系数 λl
λl
=
LP Lm
１∶５００
时间相似系数 λt
λt =
tm tp
= 姨λl
１∶２２
速度相似系数 λu
λu = 姨λl
１∶２２
流量相似比 λQ
２
λQ =λl λu １∶５．５ｅ６
粘度相似比 λη
λη =λρ 姨λl
１∶２２
式中，Lm 为模型尺寸；Lp 为原型尺寸；tm 为模型过程时间；tp 为原型过程时间；λρ＝１。
孔隙率 ／％ ４０．３ ３９．５ ４０．８ ４０．２
注：密度是将制备好的尾矿样按照 １５％含水率配制，然后根据《土工试验规程》测定。
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＢ０８Ｂ００）
２０１３ 年 ４ 月
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王孟来，等 尾矿坝溃坝数值模拟研究
Ｆｅｂ．， ２０１３
2 尾矿坝溃坝模拟试验
材之间有一定的差异，不尽相同；②相似模拟试验 中相似材料选取与数值模拟中材料有一定的差 异，不尽相同；③相似模拟试验设备中溃坝瞬间控 制系统无法像数值模拟那样做进行完美模拟；④ 相似模拟试验设备中应力采集系统存在一定的误 差，而数值模拟中采用力学模型以及算法也存在 一定的缺陷。这些都是导致两者结果有差异的原 因，但是结果在工程要求的范围内。
按照试验规范要求，取了 ３ 组尾矿样，分别对 它们进行了比重、密度、含水率、塑限和液限等物 理性质参数的测定，尾矿物理性质试验测试结果 如表 １ 所示。
表 1 尾矿物理性质试验测试结果
编号 １＃ 尾矿 ２＃ 尾矿 ３＃ 尾矿 平均值
比重 （／ ｔ／ｍ） ２．８３ ２．８４ ２．８１ ２．８２６
密度 （／ ｇ／ｃｍ） 含水量 ／％