尾礦庫(kù)潰壩物理模型試驗(yàn)

胡 虎

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031)

0 引言

在礦山開采中，尾礦庫(kù)是其中必不可少的一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，它是用來(lái)儲(chǔ)存礦山尾砂的重要設(shè)施，同時(shí)也是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)源，由于尾礦庫(kù)的體量一般都比較大，一旦發(fā)生破壞危害性非常大[1]。在93種事故、公害的隱患中，尾礦庫(kù)事故名列第18位[2]。尾礦庫(kù)所處的地理位置有的設(shè)置在交通線附近；有的在山谷中重要水源處或者是在居民區(qū)的上游。一旦尾礦庫(kù)發(fā)生潰決，將會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成十分惡劣的影響，甚至?xí){到下游居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)惡劣的影響。因此，研究尾礦庫(kù)潰壩尾砂流的特性及對(duì)下游的影響范圍具有非常重要的意義。

1 工程概況

此尾礦庫(kù)距礦廠約3.5 km，由幾條樹枝狀沖溝組成，屬山谷型尾礦庫(kù)。此尾礦庫(kù)有五座壩體，1號(hào)主壩初期壩為粘土斜墻堆石壩，2號(hào)～5號(hào)副壩的初期壩均為均質(zhì)粘土壩，表面用塊石護(hù)坡，其中2號(hào)、3號(hào)壩壩坡腳設(shè)有排水棱體，該尾礦庫(kù)堆積壩采用上游法分散管放礦堆筑，設(shè)計(jì)平均外坡比為1∶5，設(shè)計(jì)堆積高程為150.0 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容約6 600×104m3。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)的最終目的為：基于相似理論，以江西某尾礦庫(kù)2號(hào)副壩為試驗(yàn)原型，在室內(nèi)以1∶100的縮尺比建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M在暴雨情況下壩體的潰決過(guò)程，分析漫頂潰壩以后尾砂流對(duì)下游各敏感目標(biāo)點(diǎn)的水位和流速及它們隨時(shí)間的變化過(guò)程；整個(gè)潰壩洪水影響區(qū)域的洪水流速；潰壩洪水淹沒(méi)范圍，下泄尾砂淹沒(méi)范圍；潰壩洪峰演進(jìn)過(guò)程，洪峰到達(dá)敏感目標(biāo)的時(shí)間；潰壩洪水是否淹沒(méi)或沖擊敏感目標(biāo)，敏感目標(biāo)受影響程度評(píng)估。

2.2 試驗(yàn)材料

采用原型尾礦庫(kù)的尾礦砂作為此次模型試驗(yàn)的模擬材料，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到其顆粒級(jí)配,如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)儀器

1)PIV表面流速分析系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅僅采用傳統(tǒng)的流速儀遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足測(cè)量精度和密度的需求，因此采用基于示蹤粒子的PIV潰壩全流場(chǎng)測(cè)量分析系統(tǒng)。2)LH-1A自動(dòng)水位儀。LH-1A自動(dòng)水位儀可用于模型試驗(yàn)以及水槽試驗(yàn)中的上游水位和潰壩后下泄洪水的變化過(guò)程，測(cè)量頻率可以根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際需要自行調(diào)節(jié)，非常方便。本次試驗(yàn)所用規(guī)格為：量程800 mm，分辨率0.05 mm，絕對(duì)誤差為0.2 mm，跟蹤速度大于30～10。3)LGY-Ⅲ型多功能流速儀。LGY-Ⅲ型多功能智能流速儀是采用先進(jìn)的電子技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)最新研制成功的一種多功能智能流速儀。該流速儀配置了新型通孔流速旋漿傳感器，旋漿直徑為15 mm，起動(dòng)流速不大于1 cm/s，起動(dòng)流速、測(cè)速范圍、線性度、同心度、率定系數(shù)和均方差等指標(biāo)均較以往傳感器有很大的改進(jìn)和提高。

2.4 儀器布置

1)在室內(nèi)縮尺模型上按照前面選好的材料完成壩體的堆建以及庫(kù)內(nèi)尾砂的填充，之后清理現(xiàn)場(chǎng)。其中，尾礦庫(kù)內(nèi)的模型砂堆積高度控制在壩頂標(biāo)高的1 m以下，按照1∶100的坡度向上游堆積直至到達(dá)設(shè)計(jì)試驗(yàn)高程。2)在試驗(yàn)開始前，在壩體下游不同位置處布置5臺(tái)自動(dòng)水位儀，用于測(cè)量下游不同位置處的尾砂流的深度及流速。在尾礦庫(kù)內(nèi)的壩體邊布置第一臺(tái)水位儀，壩后沿程每隔1 m布置一臺(tái)水位儀，共四臺(tái)(分別用SW1，SW2，SW3，SW4表示)；此外，在水工試驗(yàn)室大廳頂部的棧橋上布置兩臺(tái)高清攝像機(jī)、正對(duì)潰口位置布置一臺(tái)高清攝像機(jī)，用于拍攝整個(gè)潰壩過(guò)程，為表面流速測(cè)量PIV系統(tǒng)提供分析數(shù)據(jù)；而壓力傳感器則直接布置在下游村莊的房子外側(cè)，由于房子分布不均勻，所以傳感器布置原則為尾砂流沖擊可能最大的位置處。3)歸納總結(jié)各測(cè)量?jī)x器的具體試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出壩體的破壞過(guò)程、潰壩后尾砂流的演進(jìn)規(guī)律及尾砂流對(duì)下游的影響范圍等。

3 潰壩模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 潰壩全流場(chǎng)測(cè)量分析

基于PIV的全流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用于尾礦庫(kù)1號(hào)、2號(hào)副壩及1號(hào)主壩潰壩物理模擬試驗(yàn)研究，主要分析潰壩全過(guò)程表面流速分布及下泄洪水演進(jìn)過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中人工加入白色示蹤粒子，視頻采集攝像頭安置于試驗(yàn)大廳頂端，并在測(cè)量水面附近設(shè)置一定數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)。試驗(yàn)完成后，將攝像機(jī)拍攝的表面流場(chǎng)的圖像信號(hào)通過(guò)視頻線傳輸至計(jì)算機(jī)圖像采集卡進(jìn)行分析處理，得到潰壩全過(guò)程的表面流場(chǎng)分布。

整個(gè)潰壩可以分為潰壩初期(形成潰口)、潰壩中期(潰口擴(kuò)大)以及潰壩后期三個(gè)階段。流速較大的位置出現(xiàn)在大壩潰口對(duì)岸的山坡部位，最大流速為3.3 m/s。

在潰壩中期，壩口受水流沖刷在左側(cè)有大塊壩體材料塌落入槽，導(dǎo)致潰口進(jìn)一步擴(kuò)大。最大流速出現(xiàn)在下游沖擊扇部位，此時(shí)潰口寬度適中，庫(kù)內(nèi)水量充足，最大流速為4.7 m/s。

在潰壩后期，潰口寬度達(dá)到最大，尾礦庫(kù)內(nèi)形成沖溝，庫(kù)水及尾砂主要匯聚進(jìn)入沖溝，然后經(jīng)潰口進(jìn)行下泄。由于在潰壩后期庫(kù)水集中由大壩上游沖溝經(jīng)潰口下泄，流速呈帶狀分布，潰口部位最大流速為2.5 m/s，但此時(shí)潰口過(guò)水?dāng)嗝孑^小，下泄流量并不大。

3.2 潰壩尾砂流對(duì)下游的影響范圍

尾砂流大部分集中在小學(xué)西側(cè)的稻田中，有兩股尾砂流從小學(xué)兩側(cè)通過(guò)，其中一股尾砂流從小學(xué)西北方越過(guò)668縣道流至河谷中，對(duì)668縣道北側(cè)房屋造成影響，并在橫山山腳處停留，對(duì)山腳處房屋造成影響，另一股尾砂流從小學(xué)南側(cè)流過(guò)，對(duì)尾砂流經(jīng)過(guò)的房屋造成影響，并在小學(xué)東南方的稻田中與另一股尾砂流匯合，流入河中。

3.3 水位過(guò)程線

本次試驗(yàn)上下游不同測(cè)點(diǎn)測(cè)得的水位變化過(guò)程，水流漫頂后，初始階段潰口流量較小，庫(kù)內(nèi)水位仍然在緩慢上升，漫頂水流分別于49 min 0 s，59 min 3 s和1 h 11 min 2 s到達(dá)SW2，SW3和SW4，1 h 22 min 3 s到達(dá)SW5，即小學(xué)學(xué)校所在位置。按照流量比尺算出來(lái)的模型流量較小，漫頂水流到達(dá)各水位計(jì)位置后各處水位雖然在抬升，但速度很慢。漫頂1 h，SW2水位達(dá)到最高，為82.929 m，漫頂1 h 30 min 4 s，SW3水位到最高點(diǎn)，為82.263 m，漫頂2 h 12 min 42 s，SW4達(dá)到最高水位79.816 m，由于下游有河道排水功能，5號(hào)水位計(jì)在漫頂5 h 47 min 42 s才積蓄到80.969 m的最高水位。3 h 50 min壩體產(chǎn)生滑移，下泄流量劇增，水位抬升稍有所加快，隨著滑移體穩(wěn)定后，庫(kù)內(nèi)水量幾乎沒(méi)有余存，且下游沒(méi)有排水通道，潰壩水流下泄后只能積蓄在平原麥田中，潰壩結(jié)束后水位趨于穩(wěn)定。本次潰壩庫(kù)內(nèi)蓄水0.43×106m3，潰壩結(jié)束后用水3.79×106m3。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了潰壩過(guò)程中壩體的具體破壞過(guò)程，以及潰壩以后尾砂流對(duì)下游區(qū)域的影響情況。潰壩以后有大量的尾砂流在短時(shí)間內(nèi)涌向下游地區(qū)，并且對(duì)下游的公路以及周圍的建筑物特別是小學(xué)造成了很大的影響。通過(guò)整理分析以上結(jié)論可以針對(duì)的提出預(yù)防性措施，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。