尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)*

李天華　黃　杰　李小雙

(1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心；2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

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尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)*

李天華1,2黃杰1,2李小雙1,2

(1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心；2.云南磷化集團(tuán)有限公司)

摘要尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)對(duì)其潰決形成泥石流災(zāi)害具有非常重要的影響。依據(jù)潰決基礎(chǔ)理論，探討了尾礦庫(kù)壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測(cè)方法。以云南磷化集團(tuán)海口磷礦的玉銅汞凹子尾礦庫(kù)為例，分析了全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決4種壩體潰決形式下，尾礦庫(kù)潰壩的泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址最大泥石流流量、潰壩泥石流流速、潰壩泥石流動(dòng)壓力及壩址泄砂流量過(guò)程線等潰決參數(shù)。研究成果不僅對(duì)于減少因尾礦庫(kù)潰壩造成的損失有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且為尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)者與礦山管理決策者提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞尾礦庫(kù)潰決形式潰決參數(shù)預(yù)測(cè)

尾礦庫(kù)堆放選礦后的廢棄礦渣[1]，是礦山企業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)施。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，到目前為止，世界上具有各類尾礦庫(kù)超過(guò)2萬(wàn)座[2]，我國(guó)占有率為60%，堆積尾礦量達(dá)80億t[3]。尾礦庫(kù)運(yùn)行中，如果發(fā)生壩基失穩(wěn)、洪水漫頂、地震、滲流場(chǎng)及涌浪，尾礦庫(kù)會(huì)潰壩形成泥石流，嚴(yán)重威脅下游區(qū)域人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2008年9月8日，山西省襄汾縣發(fā)生的特別重大尾礦庫(kù)潰壩事故，造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)9 619.2萬(wàn)元[4]。

尾礦庫(kù)潰壩泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址、最大泥石流流量、潰壩泥石流速度、潰壩泥石流動(dòng)壓力及壩址泄砂流量過(guò)程線等壩體潰決參數(shù)，決定潰壩形成泥石流災(zāi)害效果。如壩址下游沿程最大泥石流流量、潰壩后泥石流在下游各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)傳播時(shí)間(泥石流開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)間、泥石流最大流量達(dá)到時(shí)間及泥石流消退時(shí)間)及危害范圍等，決定下游區(qū)域造成災(zāi)害的嚴(yán)重程度。因此，本文開(kāi)展尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)方法研究，為尾礦庫(kù)潰壩誘發(fā)泥石流災(zāi)害的防治與預(yù)警提供參考。

1　尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)研究

1.1壩體潰決形式

礦山尾礦壩潰決形式主要取決于壩的類型。由于礦山尾礦壩的初期壩為土石混合料堆積壩，后期為直接用尾砂堆積的土壩，遇上洪水漫頂和壩基管涌及滲漏，引起潰壩的水流沖擊力極強(qiáng)，從決口開(kāi)始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面，整個(gè)時(shí)間過(guò)程非常短暫，尾礦庫(kù)潰壩為瞬時(shí)潰壩；從潰壩缺口規(guī)模分析，全局潰壩與局部潰壩在尾礦庫(kù)壩體潰決中都可能出現(xiàn)，全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決等尾礦庫(kù)壩體潰決均有可能發(fā)生。

1.2尾礦庫(kù)泄砂總量

尾礦庫(kù)潰壩泄砂總量是尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游造成嚴(yán)重災(zāi)害的重要參數(shù)，一般尾礦庫(kù)泄砂總量的計(jì)算按尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)，利用土坡穩(wěn)定性的方法進(jìn)行估算。由于尾礦壩潰決時(shí)往往伴隨著暴雨，庫(kù)區(qū)尾礦砂呈飽和狀態(tài)，為安全起見(jiàn)，一般考慮最不利的情況，

泄砂總量可看作是可能潰決高度以上的全部庫(kù)容( 包括庫(kù)內(nèi)沉積區(qū)全部洪水及尾礦砂量) 。

1.3尾礦庫(kù)潰壩決口平均寬度

參照黃河水利委員會(huì)科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，經(jīng)過(guò)修訂，尾礦庫(kù)潰壩決口平均寬度為[6]

(1)

式中，b為尾礦庫(kù)潰壩潰口平均寬度，m；K1為與壩體材料有關(guān)的系數(shù)，黏土K1=0.65，壤土K1=1.30；W為潰壩時(shí)泄砂總量，m3；B為潰壩時(shí)壩前水面寬度或壩頂長(zhǎng)度，m；Hs為潰壩時(shí)水頭或壩體高度，m。

1.4潰口壩址最大泥石流流量估算

首先計(jì)算潰口壩址最大洪水流量，再用雨洪修正法計(jì)算潰口壩址最大泥石流流量。根據(jù)肖克列奇(Schoklitsch)經(jīng)驗(yàn)公式，估算潰口壩址最大洪水流量：

(2)

式中,Qbhs-max為潰口壩址最大洪水流量，m3/s；H0為潰壩前壩體處水深，m。

在式(2)的基礎(chǔ)上，依據(jù)雨洪修正法原理,估算潰口壩址最大泥石流流量(也稱為東川公式)：

(3)

式中,Qbns-max為潰口壩址最大泥石流流量，m3/s；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，其取值見(jiàn)文獻(xiàn)[7]；φ為泥石流修正系數(shù)；γh為泥石流固體物質(zhì)重度，g/cm3;γc為泥石流流體重度，g/cm3。

1.5潰壩泥石流流速計(jì)算

尾礦壩潰壩形成的泥石流流速為

(4)

式中,Vns為泥石流流速，m/s；n為泥石流溝床的糙率系數(shù),取值見(jiàn)文獻(xiàn)[7]；Hc為計(jì)算斷面泥石流的平均泥深，m；I為泥石流溝的水力坡度，一般近似取溝縱坡比降，‰。

1.6潰壩泥石流動(dòng)壓力

尾礦壩潰壩形成的泥石流動(dòng)壓力為

(5)

式中,σ為尾礦壩潰壩形成的泥石流的動(dòng)壓力，kN/m2；K2為潰壩形成的泥石流不均勻系數(shù)，對(duì)黏性泥石流取2.4～3.0。

1.7壩址泄砂流量過(guò)程線

潰壩初始時(shí)刻流量由初始流量Q0瞬時(shí)突增到Qbns-max，緊接著流量迅速下降，最后趨近于初始流量Q0。對(duì)于壩址泄砂流量過(guò)程線，工程上多采用4 次拋物線來(lái)概化，見(jiàn)表1。

表1　尾礦壩壩址流量概化過(guò)程[5]

表2中：t為壩址泄砂流量過(guò)程的任意時(shí)刻，s；Q為壩址泄砂流量過(guò)程相應(yīng)t時(shí)刻流量，m3/s；T為尾礦庫(kù)的泄空時(shí)間，s，可采用下式計(jì)算得到

(6)

式中,K3為系數(shù)，對(duì)于4次拋物線，一般取4～5[5]。

2　工程應(yīng)用

2.1尾礦庫(kù)基本情況

玉銅汞凹子尾礦庫(kù)屬于云南磷化集團(tuán)海口磷礦，分布在磷礦北西向分水嶺一側(cè)的玉銅汞凹子山谷，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)102°28′36.5″，北緯24°47′26.3″。該尾礦庫(kù)一次設(shè)計(jì)分期施工，壩體為碾壓土石壩，屬擋水壩。初期壩設(shè)計(jì)壩長(zhǎng)150 m，底寬76 m，頂寬5 m，壩頂高程1 970 m，壩高33.5 m；最終設(shè)計(jì)標(biāo)高1 990 m，壩高49.5 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容365萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)使用年限15 a。后期尾礦壩加高到1 987 m，壩頂寬6 m，壩長(zhǎng)約210 m。

2.2壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)

以玉銅汞凹子尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，分析其庫(kù)容與壩體高度的關(guān)系，見(jiàn)圖1。

圖1　玉銅汞凹子尾礦庫(kù)庫(kù)容與壩體高度的關(guān)系

根據(jù)玉銅汞凹子尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，分析得出了庫(kù)容Vkr與對(duì)應(yīng)的壩體高度Hdkr滿足如下關(guān)系式：

(7)

相關(guān)系數(shù)R2=0.998。

根據(jù)尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)程中尾礦平均粒徑與泥石流固體物質(zhì)密度的關(guān)系，可得到該尾礦庫(kù)的泥石流固體物質(zhì)密度γh=1.95 g/cm3(海口磷礦尾礦平均粒徑為0.037 4 mm),泥石流流體密度γc=1.70 g/cm3，泥石流修正系數(shù)φ=2.80，泥石流堵塞系數(shù)Dc=2.0、溝床地形縱坡比降I=100、泥石流溝床糙率系數(shù)n=0.038、K1=0.65、K2=2.7、K3=4.5及h0=0。

根據(jù)尾礦庫(kù)壩體潰決參數(shù)預(yù)測(cè)理論，分析可得到玉銅汞凹子尾礦庫(kù)全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決四種壩體潰決形式的潰決參數(shù)，見(jiàn)表2、圖2。

表2　玉銅汞凹子尾礦庫(kù)4種潰壩形式潰決參數(shù)

圖2　玉銅汞凹子尾礦庫(kù)4種潰壩形式的潰壩流量過(guò)程線 ◆—全潰決；■—1/2潰決；▲—1/3潰決；×—1/4潰決

3　結(jié)　論

(1)探討了尾礦庫(kù)壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測(cè)方法，分析得到尾礦庫(kù)潰壩泄砂總量、潰壩決口平均寬度、潰口壩址最大泥石流流量、潰壩泥石流流速、潰壩泥石流動(dòng)壓力及壩址泄砂流量過(guò)程線等。

(2)以云南磷化集團(tuán)海口磷礦的玉銅汞凹子尾礦庫(kù)為例，應(yīng)用尾礦庫(kù)壩體潰決形式及參數(shù)預(yù)測(cè)方法，分析得到其全潰決、1/2潰決、1/3潰決及1/4潰決四種壩體潰決形式的潰決參數(shù)。

本文研究成果，不僅對(duì)減少因尾礦庫(kù)潰壩造成的損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且可為尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)者與礦山管理決策者提供一定的理論依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)

[1]田文旗,謝旭陽(yáng).我國(guó)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀及安全對(duì)策的建議[J].中國(guó)礦山工程，2009，12(6):42-49．

[2]Rico M, Benito G, Salgueiro A R. Reported tailings dam failures：a review of the Europeanincidents in the worldwide context[J]. Journal of Hazardous Materials，2008，152(2):846-852.

[3]李全明,張興凱,王云海.尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型研究[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(8):989-994．

[4]山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫(kù)潰壩事故[EB/OL].[2016-05-06].http://baike.baidu.com/link?url=H77GdhR3d4ijkYGr5eAZV-

iNEru4oKFJVObxY3NSsiuNT-o8qN-ikKiDLkr34JM5G9v5J2YD9Z-

xlW30hXeNHfzK.

[5]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].2版.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

[6]山西省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院.尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害數(shù)值模擬分析[EB/OL].(2013-10-15)[2016-05-06].http://ajs.sxaj.gov.cn/keyangongzuo/keyantuiguang/weikuangkukuibazaihaishuzhimonifenxixitong/2013-10-15/899.html

[7]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.DZ/T 0220—2006泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

(收稿日期2016-05-09)

PredictionoftheOutburstParametersofTailingsDam

LiTianhua1,2HuangJie1,2LiXiaoshuang1,2

(1.NationalEngineeringResearchCenterofPhosphateResourcesDevelopmentandUtilization;2.YunnanPhosphateChemicalGroupCo.,Ltd.)

AbstractOutburst parameters of tailings dam have a very important effect on debris flows generated in tailings dam outburst. According to the basic outburst theory,the outburst forms and parameters of tailings dam are discussed.Taking Yutonggongaozi tailings reservoir in the Haikou phosphate mine that is belongs to Yunnan phosphate group Co. Ltd as the example,the outburst parameters (total discharge sand amount,average width of dam outburst,maximum debris flow discharge in the damsite,debris flow velocity of dam outburst,debris flow dynamic pressure of dam outburst,discharge hydrograph of tailings dam outburst in damsite) of the tailings dam are analyzed under the conditions of total outburst,1/2 outburst,1/3 outburst and 1/4 outburst.The study results of the paper not only have important realistic significance to reduce loss by the tailings dam outburst,but also play a reference guiding role for design,management and construction of tailings reservoir.

KeywordsTailings reservoir,Outburst form,Prediction of outburst parameters

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAB08B01,2013BAB07B06)；云南省科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2014HA014)。

李天華(1966—)，男，高級(jí)工程師，碩士，650600 云南省晉寧市。