基于3DMine耦合的尾矿库溃坝灾害模拟
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［11 ］ 2D
，构建尾矿库溃坝模型。
研究预测溃坝泥砂流流速、 下游影响范围和淹没深 建立溃坝的数字化灾害 度等； 并耦合 3DMine 软件， 评价模型； 以期为尾矿库溃坝灾害应急预案的编制 、 下游人员安全疏散方案等提供重要的依据 ， 从而为 尾矿库防灾减灾和库区下游灾害的避险提供指导 。
（ 4） 再将式（ 4 ） 改写成坡度形式： S f = S y + S v + S td = τy Kηu n2 u2 + （ 5） + 4 γ m h 8 γ m h2 h3
雷
涛
（ 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083 ）
学科分类与代码：6203099 （ 安全工程技术科学） 中图分类号：X936 ；TU45 文献标志码：A
基金项目：国家自然科学基金资助（ 51074178 ） ；湖南省自然科学基金资助（ 09JJ4025 ） 。
【摘
要】 为预测和评价尾矿库溃坝的致灾情况 ， 提高库区防灾减灾能力， 建立尾矿库溃坝数值仿 2D 真模型。采用 FLO 泥石流模拟软件对湖南某尾矿库进行溃坝灾害过程仿真， 并将模拟结果与
［9 ］ ［7 ］ ［8 ］
－ S fx ) g =
( hV x ) ( hV x ) V x h g + Vx + Vy + x x y t （ 2） ( hV y ) ( hV y ) V y h g + Vx + Vy + y x y t （ 3）
(S
oy
［17 ］
2． 2
初始条件及边界条件
2D 基于 FLO 软件的尾矿库溃坝数值模拟， 需要
。
C τ y = α 1 e β1 v
研究区域 DTM 模型、 尾矿库库容、 溃坝时尾砂体积 （ 6） （ 7） 尾砂流比重、 屈服应力及黏滞系数、 层流阻滞 浓度、 系数、 曼宁系数等基础资料。 通过导入尾矿库区域 DTM 文件， 建立初始的溃坝泥砂流数字地形模型， 为保证计算效率和精度， 将计算区域划分为 10 m × 10 m 的正方形计算网格， 用多边形线选择尾矿库及 其下游地势较低的沟谷的地区为计算区域 ， 共划分 2 601 个计算网格单元。 通过流入 － 流出模块建立堆积标高为 150 m 尾 模拟尾矿库后期溃坝灾害。其中， 流入节点位 矿库， 于库区内； 出流节点分布在计算范围的边界周围地 势较低处。 溃坝后的细粒高含砂水流通常被看作泥流或者 属于非均匀的非牛顿流体、 瞬时洪水事件。 泥砂流， 溃坝尾砂流体基本模拟参数见表 1 。
prevent and mitigate the disaster，a numerical simulation model for dam failure was built． Based on the debris flow software FLO2D ，the disaster of a certain tailings pond dam break was studied． And coupled time evolution process of the dam break was simulated． The with a digital mining software 3DMine，realresults show that the greatest outburst flow velocity of the tailings from dam is 40． 2 m / s， that the maximum depth of submerged area is 13． 6 m， and that the largest instantaneous impact force of dam failure is 100 MPa． The tailings flow state and submerged area of the steady state before the dam break，and 0． 01 h，0． 02 h and 0． 05 h after dam failure were threedimensionally and dynamically presented． According to the flow strength of the dam failure sediment，a threecolor graph was drew to distinguish the disaster levels of whole failure and semifailure of the tailings dam． Key words： tailings pond； dam failure； FLO2D ； numerical simulation； hazard assessment
［5 ］ ［4 ］ ［3 ］
等漫地水流， 还可以用来模拟泥流、 泥石流等的灾害 演化 1． 1
［14 ］
。
控制方程 假定流体为均质不可压缩的流体， 而且因天然
河道近似平面水流的特性， 在流场中水平方向的变 化量远大于水深方向的变化量。 因此， 可将三维控 制方程式简化为二维形式。这样做不但可以将方程 Stokes 方程 简化， 还可节约计算时间。 三维 Navier组经垂直积分后， 可简化成二维浅水波方程组 式（ 1 ） —式（ 3 ） 为模型连续方程和运动方程： h ( hV x ) ( hV y ) + + = i t x y
1
泥砂流数值计算模型
FLO2D 模型是由 O’ Brien 等［12 － 13］提出的二维洪
该模型基于中央有限差分模式 水漫滩流数值模型， 进行求解， 不仅可用于模拟城市淹水、 河道水文演算
式中： Sy 为屈服坡降； Sv 为黏滞坡降； Std 为紊流 － 扩散 Pa； η 为黏滞系数； γm 为土石流 坡降； τy 为屈服应力，
第8 期
阮德修等： 基于 FLO 与 3DMine 耦合的尾矿库溃坝灾害模拟
2D
· 151·
据相关 统 计 资 料， 我国目前有各类尾矿库达 2 000 多座， 而处于正常运行的不足 70% ， 其中， 有 险库或处于超期服 色矿山企业 39% 的尾矿库为病、 ［2 ］ 务状态 。尾矿库一旦发生溃坝事故， 不仅对矿山 而且对下游居民的生活生产设 企业造成重大损失， 施造成严重威胁甚至是灭顶之灾。 近年来， 国内外 尾矿库溃坝事故屡见不鲜，2000 年 10 月 18 日， 广 造成 西南丹县鸿图选矿厂锡尾矿库发生溃坝事故 ， 28 人死亡， 56 人 受 伤 ； 2003 年 10 月 3 日， 智利 Cerro Negro 铜尾矿库发生溃坝， 5 万 t 尾矿泄流而下 ； 2008 年 9 月 8 日， 山西襄汾塔山 巨大的泥石流冲毁办 铁矿尾矿坝溃坝造成泥石流， 造成重大灾害 公楼及下游部分村庄，造成 276 人死亡
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中 国 安 全 科 学 China Safety Science
学 报 Journal
第 22 卷 2012 年
体相对密度； K 为层流阻滞系数； n 为曼宁系数。 数值模型中流体的屈服应力及黏滞系数通过 式（ 6 ） 和式（ 7 ） 中给定，α1 ， α2 ， β1 和 β2 等 4 项参数 查表设置
第 2 2 卷 第 8 期 2 0 1 2 年 8 月
中 国 China
安 全 Safety
科 学 Science
学 报 Journal
Vol ． 2 2 No ． 8 Aug ． 2 0 1 2
2D 基于 FLO 与 3DMine 耦合的尾矿库溃坝灾害模拟
＊ ＊
*
阮德修
胡建华
副教授
周科平
教授
陈宜楷
3DMine 数字矿山软件耦合， 实时反演溃坝灾害过程。分析结果表明， 该尾矿库溃坝时的最大溃决流 速为40． 2 m / s， 下游沟谷最大淹没深度达 13． 6 m， 溃坝瞬时最大冲击应力达 100 MPa。 三维动态反 0． 02 和 0． 05 h 的尾砂流动状态和淹没范围。 根据溃坝 演了尾矿库溃坝前稳定状态、 溃坝后 0． 01 ， 泥砂流动强度， 对该尾矿库全部溃坝和半溃坝时的灾害程度进行三色图判别 。 【关键词】 尾矿库； 溃坝； FLO2D ； 数值模拟； 灾害评价
－ S fy ) g =
m； t 为时间， s； V x 和 V y 分别为 式中： h 为流动深度， x 和 y 方向流速， m / s； i 为降雨强度， m / s； S fx ， S fy 分 S oy 分别为 x 和 y 方向 别为 x 和 y 方向摩擦坡降； S ox ， m / s2 。 的河床坡降； g 为重力加速度， FLO2D 提供动力波模式与扩散波模式来模拟洪 水与泥石流问题， 式 （ 1 ） 为泥石流或洪水体积质量 其 守恒方程。式（ 2 ） 和式（ 3 ） 为力平衡的动量方程， 中， 动力波模式为动量方程式主体， 扩散波模式为省 略式中最后 3 项； 运动波模式则是省略式中的压力 梯度项。 1． 2 流变方程 O’ brien 和 Julien［16］ 设计了一套总剪应力由凝 聚屈服应力、 摩尔库伦剪应力、 黏滞剪应力、 紊流剪 应力和离散剪应力组成的适用于高含砂水流 、 泥石 流及泥流的流变模式， 并将其定义为： τ = τ y + η（ dV dV ） + （ ρ m l2 + a i ρ s λ 2 d2 ） s） （ dz dz
(S
ox ［15 ］
。
； 2010 年
（ 1）
9 月21 日， 广东信宜紫金矿业银岩锡尾矿库发生溃 ［6 ］ 坝事件， 造成 22 人死亡， 大量基础设施损毁 。 因 此， 研究反演尾矿库的溃坝灾害情况显得尤为重要 。 目前国内外关于尾矿坝稳定性的研究较多而对 尾矿库溃坝灾害的研究相对较少， 现有的安全评价 报告对于这一危险性仅仅停留在定性分析的基础 而没有定量的分析该坝体溃决将为下游带来多 上， 大的灾难。尾矿库溃坝后引起的砂流下泄过程， 本 质上属于泥石流， 只是在组成上与一般的泥石流存 在一定的差异， 可参考泥石流的运移规律来研究尾 矿库溃坝砂流的流动规律 。 敬小非等 通过相 似模型试验， 研究尾矿坝溃决泥浆流动特性； 陈殿强 等
0
引
言
围截山谷而成， 用于堆积储存选矿中遗留的尾矿渣 和尾矿粉。由于其堆存方式的特殊性， 尾矿库更容 易受洪水、 地震的影响而发生流滑或溃坝
［1 ］
尾矿库是一种特殊的工业建构物， 通常由堆坝
。
＊ 文章编号： 1003 － 3033 （ 2012 ） 08 － 0150 － 07 ； 收稿日期： 2012 － 04 － 21 ； 修稿日期： 2012 － 05 － 31 mail： ＊ ＊ 通信作者： 胡建华（ 1975 － ） ， 男， 湖南衡南人。 博士， 副教授， 主要从 事 高 效 安全采 矿 技 术与岩 土 工 程的稳 定性分 析研究 。 Ehujh21@ csu． edu． cn．
Simulation of Tailings Dam Failure Disaster Based on Coupled FLO2D and 3DMine
RUAN Dexiu HU Jianhua ZHOU Keping CHEN Yikai LEI Tao
（ School of Resources ＆ Safety Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083 ，China） Abstract： In order to evaluate of dam break，and strengthen the capacity to
2
通过经验公式法建立溃坝灾害演化模型， 预测
［10 ］
溃坝泥沙流淹没范围和深度； 李全明等
基于水动
力学和有限差分理论建立尾矿库溃决的简化数值模 评价尾矿库溃坝灾害情况。 但这些研究并没有 型， 考虑真实地形地貌的影响， 因而对溃坝灾害的评价 与真实情况有较大偏差。 文中引入美国联邦急难管理署认可的 FLO 洪 水和泥流灾害仿真软件
，构建尾矿库溃坝模型。
研究预测溃坝泥砂流流速、 下游影响范围和淹没深 建立溃坝的数字化灾害 度等； 并耦合 3DMine 软件， 评价模型； 以期为尾矿库溃坝灾害应急预案的编制 、 下游人员安全疏散方案等提供重要的依据 ， 从而为 尾矿库防灾减灾和库区下游灾害的避险提供指导 。
（ 4） 再将式（ 4 ） 改写成坡度形式： S f = S y + S v + S td = τy Kηu n2 u2 + （ 5） + 4 γ m h 8 γ m h2 h3
雷
涛
（ 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083 ）
学科分类与代码：6203099 （ 安全工程技术科学） 中图分类号：X936 ；TU45 文献标志码：A
基金项目：国家自然科学基金资助（ 51074178 ） ；湖南省自然科学基金资助（ 09JJ4025 ） 。
【摘
要】 为预测和评价尾矿库溃坝的致灾情况 ， 提高库区防灾减灾能力， 建立尾矿库溃坝数值仿 2D 真模型。采用 FLO 泥石流模拟软件对湖南某尾矿库进行溃坝灾害过程仿真， 并将模拟结果与
［9 ］ ［7 ］ ［8 ］
－ S fx ) g =
( hV x ) ( hV x ) V x h g + Vx + Vy + x x y t （ 2） ( hV y ) ( hV y ) V y h g + Vx + Vy + y x y t （ 3）
(S
oy
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2． 2
初始条件及边界条件
2D 基于 FLO 软件的尾矿库溃坝数值模拟， 需要
。
C τ y = α 1 e β1 v
研究区域 DTM 模型、 尾矿库库容、 溃坝时尾砂体积 （ 6） （ 7） 尾砂流比重、 屈服应力及黏滞系数、 层流阻滞 浓度、 系数、 曼宁系数等基础资料。 通过导入尾矿库区域 DTM 文件， 建立初始的溃坝泥砂流数字地形模型， 为保证计算效率和精度， 将计算区域划分为 10 m × 10 m 的正方形计算网格， 用多边形线选择尾矿库及 其下游地势较低的沟谷的地区为计算区域 ， 共划分 2 601 个计算网格单元。 通过流入 － 流出模块建立堆积标高为 150 m 尾 模拟尾矿库后期溃坝灾害。其中， 流入节点位 矿库， 于库区内； 出流节点分布在计算范围的边界周围地 势较低处。 溃坝后的细粒高含砂水流通常被看作泥流或者 属于非均匀的非牛顿流体、 瞬时洪水事件。 泥砂流， 溃坝尾砂流体基本模拟参数见表 1 。
prevent and mitigate the disaster，a numerical simulation model for dam failure was built． Based on the debris flow software FLO2D ，the disaster of a certain tailings pond dam break was studied． And coupled time evolution process of the dam break was simulated． The with a digital mining software 3DMine，realresults show that the greatest outburst flow velocity of the tailings from dam is 40． 2 m / s， that the maximum depth of submerged area is 13． 6 m， and that the largest instantaneous impact force of dam failure is 100 MPa． The tailings flow state and submerged area of the steady state before the dam break，and 0． 01 h，0． 02 h and 0． 05 h after dam failure were threedimensionally and dynamically presented． According to the flow strength of the dam failure sediment，a threecolor graph was drew to distinguish the disaster levels of whole failure and semifailure of the tailings dam． Key words： tailings pond； dam failure； FLO2D ； numerical simulation； hazard assessment
［5 ］ ［4 ］ ［3 ］
等漫地水流， 还可以用来模拟泥流、 泥石流等的灾害 演化 1． 1
［14 ］
。
控制方程 假定流体为均质不可压缩的流体， 而且因天然
河道近似平面水流的特性， 在流场中水平方向的变 化量远大于水深方向的变化量。 因此， 可将三维控 制方程式简化为二维形式。这样做不但可以将方程 Stokes 方程 简化， 还可节约计算时间。 三维 Navier组经垂直积分后， 可简化成二维浅水波方程组 式（ 1 ） —式（ 3 ） 为模型连续方程和运动方程： h ( hV x ) ( hV y ) + + = i t x y
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泥砂流数值计算模型
FLO2D 模型是由 O’ Brien 等［12 － 13］提出的二维洪
该模型基于中央有限差分模式 水漫滩流数值模型， 进行求解， 不仅可用于模拟城市淹水、 河道水文演算
式中： Sy 为屈服坡降； Sv 为黏滞坡降； Std 为紊流 － 扩散 Pa； η 为黏滞系数； γm 为土石流 坡降； τy 为屈服应力，
第8 期
阮德修等： 基于 FLO 与 3DMine 耦合的尾矿库溃坝灾害模拟
2D
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据相关 统 计 资 料， 我国目前有各类尾矿库达 2 000 多座， 而处于正常运行的不足 70% ， 其中， 有 险库或处于超期服 色矿山企业 39% 的尾矿库为病、 ［2 ］ 务状态 。尾矿库一旦发生溃坝事故， 不仅对矿山 而且对下游居民的生活生产设 企业造成重大损失， 施造成严重威胁甚至是灭顶之灾。 近年来， 国内外 尾矿库溃坝事故屡见不鲜，2000 年 10 月 18 日， 广 造成 西南丹县鸿图选矿厂锡尾矿库发生溃坝事故 ， 28 人死亡， 56 人 受 伤 ； 2003 年 10 月 3 日， 智利 Cerro Negro 铜尾矿库发生溃坝， 5 万 t 尾矿泄流而下 ； 2008 年 9 月 8 日， 山西襄汾塔山 巨大的泥石流冲毁办 铁矿尾矿坝溃坝造成泥石流， 造成重大灾害 公楼及下游部分村庄，造成 276 人死亡
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中 国 安 全 科 学 China Safety Science
学 报 Journal
第 22 卷 2012 年
体相对密度； K 为层流阻滞系数； n 为曼宁系数。 数值模型中流体的屈服应力及黏滞系数通过 式（ 6 ） 和式（ 7 ） 中给定，α1 ， α2 ， β1 和 β2 等 4 项参数 查表设置
第 2 2 卷 第 8 期 2 0 1 2 年 8 月
中 国 China
安 全 Safety
科 学 Science
学 报 Journal
Vol ． 2 2 No ． 8 Aug ． 2 0 1 2
2D 基于 FLO 与 3DMine 耦合的尾矿库溃坝灾害模拟
＊ ＊
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阮德修
胡建华
副教授
周科平
教授
陈宜楷
3DMine 数字矿山软件耦合， 实时反演溃坝灾害过程。分析结果表明， 该尾矿库溃坝时的最大溃决流 速为40． 2 m / s， 下游沟谷最大淹没深度达 13． 6 m， 溃坝瞬时最大冲击应力达 100 MPa。 三维动态反 0． 02 和 0． 05 h 的尾砂流动状态和淹没范围。 根据溃坝 演了尾矿库溃坝前稳定状态、 溃坝后 0． 01 ， 泥砂流动强度， 对该尾矿库全部溃坝和半溃坝时的灾害程度进行三色图判别 。 【关键词】 尾矿库； 溃坝； FLO2D ； 数值模拟； 灾害评价
－ S fy ) g =
m； t 为时间， s； V x 和 V y 分别为 式中： h 为流动深度， x 和 y 方向流速， m / s； i 为降雨强度， m / s； S fx ， S fy 分 S oy 分别为 x 和 y 方向 别为 x 和 y 方向摩擦坡降； S ox ， m / s2 。 的河床坡降； g 为重力加速度， FLO2D 提供动力波模式与扩散波模式来模拟洪 水与泥石流问题， 式 （ 1 ） 为泥石流或洪水体积质量 其 守恒方程。式（ 2 ） 和式（ 3 ） 为力平衡的动量方程， 中， 动力波模式为动量方程式主体， 扩散波模式为省 略式中最后 3 项； 运动波模式则是省略式中的压力 梯度项。 1． 2 流变方程 O’ brien 和 Julien［16］ 设计了一套总剪应力由凝 聚屈服应力、 摩尔库伦剪应力、 黏滞剪应力、 紊流剪 应力和离散剪应力组成的适用于高含砂水流 、 泥石 流及泥流的流变模式， 并将其定义为： τ = τ y + η（ dV dV ） + （ ρ m l2 + a i ρ s λ 2 d2 ） s） （ dz dz
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； 2010 年
（ 1）
9 月21 日， 广东信宜紫金矿业银岩锡尾矿库发生溃 ［6 ］ 坝事件， 造成 22 人死亡， 大量基础设施损毁 。 因 此， 研究反演尾矿库的溃坝灾害情况显得尤为重要 。 目前国内外关于尾矿坝稳定性的研究较多而对 尾矿库溃坝灾害的研究相对较少， 现有的安全评价 报告对于这一危险性仅仅停留在定性分析的基础 而没有定量的分析该坝体溃决将为下游带来多 上， 大的灾难。尾矿库溃坝后引起的砂流下泄过程， 本 质上属于泥石流， 只是在组成上与一般的泥石流存 在一定的差异， 可参考泥石流的运移规律来研究尾 矿库溃坝砂流的流动规律 。 敬小非等 通过相 似模型试验， 研究尾矿坝溃决泥浆流动特性； 陈殿强 等
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言
围截山谷而成， 用于堆积储存选矿中遗留的尾矿渣 和尾矿粉。由于其堆存方式的特殊性， 尾矿库更容 易受洪水、 地震的影响而发生流滑或溃坝
［1 ］
尾矿库是一种特殊的工业建构物， 通常由堆坝
。
＊ 文章编号： 1003 － 3033 （ 2012 ） 08 － 0150 － 07 ； 收稿日期： 2012 － 04 － 21 ； 修稿日期： 2012 － 05 － 31 mail： ＊ ＊ 通信作者： 胡建华（ 1975 － ） ， 男， 湖南衡南人。 博士， 副教授， 主要从 事 高 效 安全采 矿 技 术与岩 土 工 程的稳 定性分 析研究 。 Ehujh21@ csu． edu． cn．
Simulation of Tailings Dam Failure Disaster Based on Coupled FLO2D and 3DMine
RUAN Dexiu HU Jianhua ZHOU Keping CHEN Yikai LEI Tao
（ School of Resources ＆ Safety Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083 ，China） Abstract： In order to evaluate of dam break，and strengthen the capacity to
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通过经验公式法建立溃坝灾害演化模型， 预测
［10 ］
溃坝泥沙流淹没范围和深度； 李全明等
基于水动
力学和有限差分理论建立尾矿库溃决的简化数值模 评价尾矿库溃坝灾害情况。 但这些研究并没有 型， 考虑真实地形地貌的影响， 因而对溃坝灾害的评价 与真实情况有较大偏差。 文中引入美国联邦急难管理署认可的 FLO 洪 水和泥流灾害仿真软件