尾矿库漫顶溃坝模型试验研究-中国恩菲工程技术有限公司

　2015年6月

第44卷　第3期

中国矿山工程China Mine Engineering

综合技术

尾矿库漫顶溃坝模型试验研究

Experimental study on tailing dam break due to overtopping

楚金旺1,宋会彬1,张红武2

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京100038;2.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:根据洪水计算结果㊁调洪库容和排洪设施泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验条件,选取洪水频率,确定洪水过程线,再换算成模型试验来水流量 时间曲线㊂将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,试验模型遵循水流重力相似㊁水流阻力相似㊁尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件㊂以国内某尾矿库为工程背景,建立试验模型进行溃坝试验研究,分析溃决过程和溃坝机理㊂尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由 水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀”和 溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展”组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素㊂

关键词:漫顶溃坝;模型试验;相似定律;溃坝机理;陡坎冲蚀;溃口形态

Abstract:According to flood regulation calculation which based on flood calculation,flood storage capacity and discharge capacity of flood drainage facility,the inducements for dam failure caused by overtopping could be found out,and test conditions were drafted which included flood frequency,flood process line and flow time curves used for the model test.When the similarity law is properly relaxed,the similar integrated effects are chiefly concerned.The test model follows the similarity conditions of gravity,resistance, incipient motion and suspending.Taking a domestic tailings dam as the engineering background,the test model for experimental study on tailings dam break was established to analyze the process and failure mechanism.The breaching process of tailings dam failure due to overtopping mainly consists of vertical continuous erosion caused by flow and scarp erosion’and intermittent transverse expansion caused by slope instability collapse’.In the early time of dam break,flow erosion is the dominant factor of breach expansion,while in the middle and late stages,vertical scarp erosion and slope instability collapse have become the dominant factors.

Key words:dam failure caused by overtopping;model test;similarity law;mechanism of dam break;scarp erosion;breach morphology

文章编号:

　1672⁃⁃609X(2015)03⁃⁃0073⁃⁃05中图分类号:TV649

文献标志码:A

收稿日期:2015⁃⁃03⁃⁃03

作者简介:楚金旺(1977-),男,山东禹城人,高级工程师,从事尾矿库设计工作㊂1　前言

尾矿库是矿山正常生产所需的重要设施,同时又是重大危险源㊂尾矿坝溃坝会对下游人民的生命财产安全造成重大损失以及严重的环境污染㊂在世界93种事故㊁公害隐患中,尾矿库事故名列第18位[1~2]㊂自1960年以来我国发生尾矿库事故共计70多起,其中危害较大的有云锡公司火谷都尾矿库坝体失稳溃坝(1962年9月)㊁湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库洪水漫顶溃坝(1985年8月)㊁湖北大冶铜矿龙角山尾矿库洪水漫顶溃坝(1994年7月)㊁广西南丹鸿图选厂尾矿库坝体失稳溃坝(2000年10月)㊁山西襄汾新塔矿业公司尾矿库坝体失稳溃坝(2008年9月)和信宜紫金矿业高旗岭尾矿库洪水漫顶溃坝(2010年12月)等㊂从安全意义上说,尾矿库必须满足两项最基本要求,一是尾矿坝坝体稳定性,二是尾矿库防洪能力(包括调洪库容㊁排洪设施的泄洪能力及可

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中国矿山工程　2015年(第44卷)

靠性)㊂造成尾矿库溃坝的主要因素有洪水漫顶㊁坝体失稳㊁渗透破坏和地震等㊂

基于尾矿库溃坝后果的严重性,专家学者对尾矿坝安全问题高度重视㊂张力霆㊁张红武㊁陈青生等[2~10]分别从理论分析㊁物理模型试验㊁数值模拟㊁溃坝洪水演进及影响范围等方面对溃坝问题进行了研究㊂李全明㊁魏勇等[11~12]着重开展了溃坝风险评估㊁溃坝机理以及应急预案制定等研究㊂尽管尾矿库溃坝问题研究主要以数值模拟及溃坝资料分析为主,但物理模型试验是研究溃坝问题不可缺少的技术手段㊂尾矿库溃坝模型试验成果不仅可以弥补溃坝资料分析在数量及可靠性上的局限,亦可为数值模拟提供验证数据,并在溃坝机理研究方面具有数值模拟及溃坝资料分析不可替代的作用㊂

尾矿库漫顶溃坝模型试验研究的重点是在溃决及泥砂演进过程和溃坝机理上,主要研究内容为试验条件㊁试验模型㊁溃决过程与机理分析㊁演进过程与淹没范围和预防措施等㊂溃坝模型试验研究对溃坝事故早期预警㊁制定应急预案㊁防灾减灾㊁保护下游的生命财产安全和环境有重要意义㊂

2　试验条件

造成尾矿库洪水漫顶溃坝的主要因素有排洪设施排洪能力不足或失效㊁调洪库容不够和超标准的洪水等㊂漫顶溃坝试验前,首先应对尾矿库干滩长度及坡度㊁调洪库容㊁排洪设施的排洪能力及可靠性等漫顶溃坝影响因素进行复核和分析,通过调洪演算和结构复核计算找出可能导致洪水漫顶溃坝的诱因,拟定溃坝条件㊂

3　试验模型

3.1　相似定律

尾矿库溃坝现象极其复杂,溃坝过程涉及水力学㊁土力学㊁泥沙运动力学等多方面相似问题,从各个方面导出的相似关系通常不相容,试验模型无法满足全部的相似条件㊂因此,抛开相似的一般性,将相似准则适当放宽,选择主要作用力进行分析,重点考虑重集积效果相似㊂为反映集积效果,引入宏观物理量来说明侵蚀现象㊂在尾矿坝实际溃坝过程中和模型试验中的流体都是水流,水流流动过程中主要受重力的作用,因此应首先满足重力相似㊂尾矿受水流扰动而变形主要与尾矿的重力㊁惯性力㊁摩擦力和粘聚力等有力的作用相关,尾矿的重力和惯性力也应满足重力相似条件㊂尾矿坝子坝及沉积滩的尾矿颗粒都较粗,饱和状态下尾矿颗粒间的粘聚力与重力及摩擦力相比可以忽略㊂为使模型沙的内摩擦系数与原型尾矿相等,主要考虑尾矿变形过程中颗粒运动的集积效果,而忽略尾矿颗粒的几何相似条件[3]㊂

溃坝过程中的含泥沙水流主要是紊流,起支配作用的是水的惯性和重力,黏性影响较小,由于惯性力主要作用于水平方向上,重力作用于垂直方向上,因此对这两个方向分别求相似准则㊂溃坝过程中的含泥沙水流属于高含沙水流,应按照高含沙洪水模型相似律考虑,满足水流运动相似㊁尾沙运动相似(悬移相似㊁挟沙相似等)[4]㊂

尾矿库溃坝模型试验主要包括尾矿坝坝面侵蚀㊁坝体溃决㊁泥砂演进过程等,尾矿库溃坝模型不需要包括上游较长的汇水流域,下游也只需考虑主要的影响范围,故试验模型宜采用正态模型(水平比尺与垂直比尺相等)㊂尾矿库溃坝试验正态模型应遵循水流重力相似㊁水流阻力相似㊁尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件,即水流流速比尺λv=λH,糙率比尺λn=1λvλ23(HλHλ)L12=λ16H,泥沙起动

流速比尺λv

c=λv,悬沙沉速比尺λω=λv㊂

3.2　模型沙

尾矿模型沙的选择对于正确模拟原型尾矿库溃坝后尾矿的运动规律具有关键作用㊂由于尾矿在坝前水力充填筑坝过程中,尾矿进行了自然分级,粗颗粒首先沉积下来,形成沉积滩,细颗粒冲到库内㊂因此,尾矿坝子坝及沉积滩中的尾矿可以看作是无粘性土或少粘性土㊂若采用原型尾矿作为模型尾矿,不仅忽略了尾矿颗粒本身的相似性,而且显著影响了尾矿侵蚀的相似性,故不能采用原型尾矿作为模型沙[3]㊂而且模型沙应与原型尾矿在主要的物理㊁力学性质方面有较好的相似性或相同性,主要包括渗透性㊁变形及强度特性㊁重力相似性㊁泥沙水流的运动特性以及物理㊁化学性质的稳定性㊂拟焦沙的孔隙介质特性㊁表观形貌及容重同原型尾矿颇为相近,因此,可选用拟焦沙作为尾矿库溃坝模型试验的模型沙㊂

4　洪水模拟

洪水是影响尾矿库安全的重要因素,尾矿库防洪能力不足是造成漫顶溃坝的根源㊂因此,尾矿库的洪水计算㊁调洪演算和排洪设施设计是至关重要

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