尾矿库溃坝模型设计及试验方法概要

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尾矿库溃坝模型设计及试验方法

张红武,刘磊,卜海磊,钟德钰

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084

摘要:在简要回顾前人有关模拟方法研究成果的基础上,分析了尾矿库溃坝及其模型试验的特点,理清了设计思路,提出了模型相似条件,然后以预备试验为依托,通过模型尾沙选择与要求、模型制作、测验手段等环节的研究,进一步论述了尾矿库溃坝模型的设计方法与试验方法。尾矿库溃坝模型设计应遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挟沙相似、尾沙悬移相似、河床变形相似及尾沙起动相似等条件;模型沙可选择容重适中、化学性质稳定的拟焦沙;模型试验的工作步骤:给出尾矿库最可能的溃坝方式及对下游影响最大的典型情况,确定尾矿库最终高程,选配合适的模型沙,设计溃坝模型,测出尾矿库溃坝坝址流量、水位过程线和冲沙率以及向下游的洪水演进情况,提出可行的下游保护方案、工程措施及综合防治对策,确定尾矿库最终堆积标高。

关键词:设计方法;模型试验;溃坝;尾矿库

中图分类号:TD221;TV131．61文献标识码:A doi:10．3969/j．issn．1000-1379．2011．12．001

Test and Design of Tailings Dam Model

ZHANG Hong-wu,LIU Lei,BU Hai-lei,ZHONG De-yu

(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China

Abstract:Based on the model test,further discussions about the design method of the tailings dam failure model and the test method was presented in this paper through the

model selection,requirements and tailings model manufacture．This paper analyzed the characteristics and the model test of the tailing dam,and presented a model similar conditions based on the achievements of previous research about simulation method．The results show that:the design of the tailings dam should follow the laws of resistance similar,water sediment carrying capacity similar,tailings sediment similar,bed deformation similar and sediment incipient motion similar;the sediment of which the bulk density is light and the chemical stability is good can be chosen as the model sediment;the most ability dam-bursting mode,the biggest impact on downstream typical case,calculation of the eventually elevation of tailing dam,the discharge from the site of tailing dam,flood control level hydrograph and the flood routing are presented in the model experiment．Moreover,the feasible downstream protection

solutions,comprehensive prevention and control measures are presented in this paper．

Key words:design method;model test;dam break;tailing dam

尾矿库是一种特殊的工业建筑物,是矿山企业最大的环境保护工程项目,同时也是具有高势能的人造泥石流危险源。我国为世界矿业大国,已建尾矿库约5000座(全世界约有20万座,总库容约为50亿m3,堆贮尾矿约55亿t[1]。我国尾矿库数量之多、库容之大、坝体之高在世界上都是少见的,更严重的是,目前全国尾矿库中非正常库比例高达45%,且半数以上尾矿库是由没有专业资质的设计单位设计的,大都存在溃坝的风险[2]。尾矿坝的溃决会带来巨大的人员伤亡和财产损失,并产生严重的环境污染,是矿山安全的头等问题。如2008年9月,山西襄汾新塔集团尾矿库出现的特大尾矿库溃坝事故,淹没土地35．9hm2,造成276人死亡,直接经济损失近亿元,引起社会广泛关注,此后全国各省(区、市安全生产监督管理局都提高了下游有居民住宅和重要设施的尾矿库安全生产许可的准入门槛。对于下游有居民住宅和重要设施的尾矿库,为保护群众生命财产及重要建筑物的安全,需要研究尾矿库溃坝的淹没范围和对下游的影响程度。

鉴于在尾矿库设计与建设中,诸如尾矿库总体布局、溃坝对下游的影响等关键技术问题,长期缺乏系统、深入的研究,急需借助能够检验不同方案优劣的科学研究

手段来提高工程论证水平。尤其不同的尾矿库坝体结构、物质组成差异很大,溃决机理十分复杂,溃决过程在机理方面很不清晰,完全从理论

收稿日期:2011-11-28

基金项目:国家自然科学基金重点项目(51039003。

作者简介:张红武(1958—,男,河南淮阳人,教授,博士生导师,研究方向为河流动力学及河流模拟。

E-mail:zhhw@tsinghua．edu．cn

第33卷第12期人民黄河Vol．33,No．12 2011年12月YELLOW RIVER Dec．,2011

上难以给出可靠的溃决模式[3],且一般情况下尾矿库及其下游沟道的边界条件都相当复杂,用解析法定量分析十分困难,完全从理论上给出的工程设计与计算成果很难符合实际。而利用试验手段,又缺乏尾矿库溃坝模型相似律。为使工程论证与模拟研究接近实际,并使解决该类工程问题时(包括堰塞湖溃决等能按照较为可靠的研究方法,定量掌握尾矿库坝体的溃决过程及其对下游的影响程度,必须在模拟方法上有所突破。为此,近几年笔者在开展栾川三强钼钨寺院沟尾矿库溃坝模型等试验的过程中,对溃坝模拟方法进行了探讨。本文在简要回顾前人成果的基础上,尾矿库溃坝模型设计及试验方法。

1尾矿库溃坝模拟方法研究现状

在数值模拟方面,早期一些学者参考一般水力溃坝模型进行了尾矿库溃坝模拟计算。不过,尾矿库的溃坝实际同散粒体土坝溃决及堰塞湖溃坝情况相近,同一般水力溃坝差异很大。因而后来较多学者根据多个尾矿坝的实际溃决资料,参考水力溃坝模型,考虑尾矿的物理力学性质及其在流动中的变形,建立尾矿坝溃坝的数学模型,就尾矿坝溃坝后泥石流对坝下游的影响进行预测[4－5]。如袁兵等[5]为开展数值计算,根据多个大坝的实际溃决资料,建立了尾矿坝溃坝的数学模型,提出了尾矿坝溃坝