一種簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進計算方法研究

李文新，郭朝陽，莫蘇鵬，劉艷紅

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410014；2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

一種簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進計算方法研究

李文新1，郭朝陽1，莫蘇鵬1，劉艷紅2

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南 長沙 410014；2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

針對尾礦庫潰壩泥石流危害范圍尚無成熟模型模擬的情況，借鑒我國在泥石流領域及水庫潰壩領域取得的研究成果，利用常用的工具軟件，采用經驗公式法對尾礦庫潰壩泥石流進行簡單計算，并根據泥石流流經的溝谷特征對計算結果進行調整，以獲得尾礦庫潰壩泥石流相對正確的流態，保證下游的淹沒影響范圍分析的準確性。

尾礦庫；潰壩；泥石流演進；淹沒區域

0 前 言

尾礦庫是礦山安全生產的重要環節,也是該領域的重大危險源之一[1]。迄今為止，世界上正在使用的各類尾礦庫超過2萬座[2]，而我國尾礦庫數量多，分布廣,庫容規模相差大，據初步統計,到2008年年底,我國共有尾礦庫1萬多座,其中100萬m3以上的尾礦庫有800多座[3]。尾礦泥石流具有高勢能、流速快的特點，一旦潰壩會形成大規模的尾礦泥石流，對下游破壞力極強，可摧毀房屋村莊樹木，破壞公共交通設施，嚴重危害下游居民的生命安全[4]。

目前尾礦庫潰壩泥石流演進還沒有一個成熟可用的數學模型可進行模擬分析[5]，針對尾礦庫安全日益嚴峻的形勢，本文借鑒成熟的泥石流演進研究成果及經驗公式(見表1)，利用工作中常用的工具軟件，采用數值模擬法對兩種比較常見的尾礦庫潰壩泥石流(下游為平直型山溝和串珠型山溝等多種情況)進行簡單計算，提出了一種尾礦庫潰壩泥石流下游淹沒區域的簡單計算方法，并在福建某尾礦庫得到實際驗證。本文研究成果對指導礦山企業對尾礦庫下游安全區域劃分及日常管理具有重要意義。

表1 尾礦庫潰壩模擬計算公式

1 平直型山溝淹沒區域的計算

1.1 計算原理

以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點，沿尾礦庫所在山溝每隔50～200 m(設置距離根據溝谷的寬度變化及彎曲程度，平直型溝谷設置間距大，串珠狀溝谷設置間距小)設置一條垂直于溝底的剖面。在計算過程中，溝谷的溝底坡度，溝谷植被如無明顯變化，一般認為溝底坡度、粗糙率不變。借助泥石流計算領域的經驗公式，可連續計算得到尾礦庫潰壩時潰口的平均寬度、尾礦庫壩址處潰壩洪水最大流量、壩址處潰壩泥石流流量、不同計算斷面處的最大泥石流流量。求得尾礦庫下游潰壩泥石流淹沒區域的關鍵是求得潰壩泥石流的泥深(水力半徑R)，在潰壩泥石流經過的某一斷面上存在關系式：過流斷面面積(S)=流經此斷面的流量(Qml)/此斷面泥石流流速(Uc)，各斷面的流量可通過經驗公式計算得。Uc是水力半徑R的函數(見公式(6))，而各斷面不同水力半徑下的潰壩泥石流過流面積可列表計算，然后根據關系式，列表計算出水力半徑R(泥深)的值。

1.2 公式法計算

(1) 計算各斷面處最大流量Qml。壩址處的潰壩流量在向下游演進中，將不斷展平和於留，下游的最大流量將逐步衰減。采用非恒定流解法，由壩址處的潰壩流量過程逐段演算出下游各斷面處的流量過程。潰壩在下游某斷面處(為100的整數倍)形成的最大流量，根據式(5)計算。

(2) 計算不同水利半徑下泥石流的流速。根據公式(6)列表計算不同水力半徑下的泥石流流速，如表2所示。

表2 不同水力半徑下的泥石流流速

(3) 計算各斷面不同水力半徑(R)下的過流面積(S)。計算剖面自最低標高處每隔1 m(水力半徑)設為一層，共設n層，計算每層面積s及疊加面積S，得出不同水力半徑下對應的過流斷面面積，如表3所示。

(4) 泥石流深度。根據關系式Uc×S=Q，當不同的Uc值與S值計算得出的Q(見表4)與該斷面計算得到的Qml相等時，該Qn欄對應的R即為所要求得潰壩泥石流流經此斷面處的泥深。

潰壩泥石流在斷面m處的深度H=R，根據該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區域即為潰壩泥石流的淹沒區域。

表3 不同水力半徑下的過流斷面面積

表4 某斷面相同水力半徑下的流速與過流斷面的乘積(Q)

2 串珠型山溝淹沒區域的計算

2.1 調整計算原理及原則

串珠型山溝寬度不一，河道彎曲，在計算串珠型山溝時，首先將串珠型山溝考慮為平直型山溝模型，為了使串珠型山溝計算得淹沒標高更符合實際，然后在平直型山溝計算結果的基礎上，對各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積進行調整計算，調整計算原理見圖1。

圖1 調整計算原理圖

調整計算遵循以下原則：

(1) 串珠型溝谷先按照平直型溝谷計算出各項參數(過流斷面面積、水力半徑、流量、流速)，然后根據所得的各項參數進行調整；

(2) 無論河道寬窄變化，自上游第1剖面開始，Qm一直變小；

(3) 各參數的調整大小根據斷面變化率進行調整(當前斷面與上游上一個斷面相比)，變化率大，調整大，變化率小，調整小；

(4) 潰壩泥石流在溝谷中流動過程中，各斷面泥石流頂標高呈逐漸下降趨勢(泥石流龍頭除外)。

2.2 彎道超高和泥石流沖高

由于串珠型山溝河道存在彎曲，泥石流流經彎道和正對山坡流動時會有彎道超高ΔH(式(7))和泥石流沖高hΔc(式(8))。

2.3 外彎道處潰壩泥石流深度H

外彎道處潰壩泥石流深度H=調整后的泥石流泥深R+彎道超高ΔH+泥石流沖高hΔc，根據該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區域即為潰壩泥石流調整后的淹沒區域。

3 工程應用

3.1 尾礦庫基本情況

福建某尾礦庫壩底標高420.00 m，最終堆積標高為625 m，其總庫容為4781.1萬m3，其最終堆積標高時總壩高205 m，設計為二等庫。初期壩為碾壓堆石壩，后期采用尾礦上游法堆壩，堆積壩平均外坡比為1∶5，尾礦庫排水系統為排水井—隧道系統，尾礦庫匯水面積為3.992 km2，后期設計防洪標準為1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。

尾礦庫下游600 m范圍內有49戶居民(已達成拆遷協議)，該處居民安全拆遷作為當地政府的重點工作于2014年6月已啟動，并成立了安全移民專項工作領導小組，并經多方論證，在尾礦庫下游距離初期壩1800 m處的山坡上+425 m標高處劃定了一塊安置房建設用地，作為拆遷戶安置用地，該地塊已開始了平整工作。

為配合當地政府部門更好地組織尾礦庫下游的安全拆遷工作，同時也為尾礦庫重大事故應急預案提供依據，需要對尾礦庫潰壩可能產生的最壞后果進行一次模擬分析，以確保拆遷安置用地不再位于尾礦庫潰壩的直接影響范圍之內。

3.2 計算結果及分析

根據表1中的計算方法，計算得出尾礦庫潰壩泥石流的各項參數，并調整計算得到最終結果，計算結果見表5。

表5 工程應用計算結果

根據調整計算結果，彎道處泥深H=R+hΔc+ΔH，各斷面距離初期壩的距離分別與流量、水力半徑、流速及過流面積的曲線見圖2～圖6。

尾礦壩潰決后，潰決平均寬度為200 m，洪水和尾礦砂同時下泄，最大洪水下泄流量為3057.75 m3/s，尾礦砂最大下泄流量為13821 m3/s。

泥石流首先沿著初期壩下游河溝(流通區)向下游行進，到達溝口處速度為13.48 m/s，進入堆積區，由于流通截面積突然變大，因此泥石流流速迅速衰減，流速衰減為4 m/s左右，由于流速變慢，尾砂出現堆積現象。泥石流流經彎道時，彎道外圍泥石流面標高由于受沖高和彎道超高影響，會高出1～2 m。泥石流流經拆遷安置點時，泥石流頂面與拆遷安置點地面標高有近33 m高度差，因此尾礦庫潰壩泥石流對拆遷安置區無直接影響。

由于堆積區河溝較粗糙，植被較發育，且多道彎，能起到降低泥石流動能和勢能的作用，泥石流在堆積區流進過程中會逐漸堆積，流量會逐漸衰減。泥石流淹沒區域見圖7。

圖2 斷面距離初期壩的距離與泥石流頂標高曲線

圖3 斷面距離初期壩的距離與流量曲線

圖4 斷面距離初期壩的距離與水力半徑關系曲線

圖5 斷面距離初期壩的距離與流速關系曲線

圖6 斷面距離初期壩的距離與過流面積關系曲線

圖7 潰壩泥石淹沒區域圖(灰色部分)

4 結 論

尾礦庫潰壩模擬是在經驗公式的基礎上，對流經各計算斷面的不同水力半徑下的過流斷面面積、泥石流流速、流量及流經各斷面的泥石流深度(水力半徑)進行列表計算，然后根據串珠型溝谷的特點及調整計算原則進行調整計算，從而得出與實際情況較符的泥石流泥深(水力半徑)、流量及流速，從而計算出潰壩泥石流對下游的淹沒區域。根據計算結果，可對尾礦庫下游安全區劃分、尾礦庫安全管理及應急預案編制起到指導作用。

在計算過程中，溝谷的摩擦系數與河槽坡度等因素的變化，對結果都有影響，需進一步深入研究。

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[4]林玉山，張 衛.尾礦庫地質災害與危險性評估[J].桂林工學院學報，2006，26(4)：486￣490.

[5]郭朝陽，唐治亞.尾礦庫潰壩模型探討[J].中國安全生產科學技術，2010，6(1):63￣67.

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2017￣01￣11)