基于SPH模型的尾礦庫潰壩風險模擬研究

摘要：作為一種具有高勢能的危險源，尾礦庫可能發生潰壩事故，進而產生泥石流，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。傳統的深度積分方法在模擬泥石流演進過程時存在局限性，而光滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）是一種新型的數值模擬方法，可以彌補傳統方法的缺陷。以攀枝花市某尾礦庫為例，構建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流的演進過程，獲得泥石流的流量數據，研究潰口寬度與深度對泥石流演進特征的影響。模擬結果與實際情況較為吻合，因此SPH模型可以有效模擬尾礦庫潰壩風險。研究結果為尾礦庫安全管理和風險防控提供新方法，有利于保障人民群眾的生命財產安全，促進礦業可持續發展。

關鍵詞：尾礦庫；潰壩風險；光滑粒子流體動力學（SPH）；數值模擬

中圖分類號：TD926.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.026

Simulation Study on dam failure risk of tailings Ponds based on SPH model

ZHOU Yuxi1， ZHANG Xinxin1， FAN Meng2

（1. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China;

2. Changshou District Emergency Management Bureau of Chongqing City， Chongqing 401121， China）

Abstract： As a hazardous source with high potential energy， tailings ponds may experience dam collapse accidents， leading to mudslides and causing serious casualties and economic losses. The traditional depth integration method has limitations in simulating the evolution process of debris flows， while Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） is a new numerical simulation method that can compensate for the shortcomings of traditional methods. Taking a tailings pond in Panzhihua City as an example， a SPH model for dam failure debris flow is constructed to simulate the evolution process of debris flow under different working conditions， obtain flow data of debris flow， and study the influence of breach width and depth on the evolution characteristics of debris flow. The simulation results are in good agreement with the actual situation， so the SPH model can effectively simulate the dam failure risk of tailings ponds. The research results provide new methods for the safety management and risk prevention of tailings ponds， thereby ensuring the safety of people’s lives and property and promoting sustainable development of the mining industry.

Keywords： tailings ponds; dam failure risk; Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）; numerical simulation

尾礦庫是一種具有高勢能的危險源，其安全管理一直是礦業領域關注的焦點。受自然因素和人為因素影響，尾礦庫可能發生潰壩事故，進而誘發泥石流，這不僅會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[1-5]，還會對當地環境造成長期且嚴重的污染[6]。因此，尾礦庫潰壩風險評估至關重要。在尾礦庫潰壩風險研究中，數值模擬發揮著越來越重要的作用[7-15]。傳統的深度積分方法能夠模擬泥石流的演進過程，但無法準確描述復雜地形條件下泥石流流動特性，忽略泥石流內部的相互作用，使得模擬結果往往與實際情況存在較大的偏差。因此，尋找一種更為先進、準確的數值模擬方法成為尾礦庫潰壩風險研究中急待解決的問題。

近年來，作為一種新型數值模擬方法，光滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）

逐漸嶄露頭角，其在處理復雜流體動力學問題方面展現出獨特的優勢[9]。SPH模型具有計算精度高、穩定性好等優點，使得其在處理尾礦庫潰壩泥石流等復雜流體動力學問題時具有較大的應用潛力。目前，尾礦庫潰壩泥石流模擬研究較少。尾礦庫潰壩泥石流具有獨特的流動特性，地形地質因素較為復雜，這就需要針對其特點進行專門的模擬研究。以攀枝花市某尾礦庫為例，構建潰壩泥石流的SPH模型，模擬不同工況下泥石流演進過程，分析泥石流的流動特性、堆積規律以及影響因素。

1 SPH模型建立

該尾礦庫堆積壩長度約為1 200 m，寬度約為170 m，高度為50 m，設計壩頂標高約為1 000 m。建立SPH模型，模擬該尾礦庫潰壩而形成泥石流的過程。尾礦庫模擬范圍如圖1所示，東南側有河流穿過。研究區地形起伏較大，其地貌線、三維幾何模型和SPH模型分別如圖2、圖3和圖4所示。根據SPH模型的需要，模擬設置2種工況，即寬深潰口和窄深潰口。

2 模擬結果分析

2.1 寬深潰口工況

在寬深潰口工況下，隨著時間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發生明顯變化，如圖5所示。數值模擬結果顯示，尾礦庫潰壩形成的泥石流啟動后，經過7 min左右便抵達溝口，溝口流量峰值達到2 250 m3/s。泥石流發生17 min時，部分河道已堵塞。泥石流發生2 h后，隨著尾礦庫內剩余尾礦的逐漸消耗，泥石流流量逐漸下降，最終接近0 m3/s。

2.2 窄深潰口工況

在窄深潰口工況下，隨著時間的推移，泥石流的潰口流量和溝口流量發生明顯變化，如圖6所示。數值模擬結果顯示，泥石流啟動后，經過8 min左右便抵達溝口，比寬深潰口工況稍慢一些。泥石流發生15 min時，部分河道已被堵塞，與寬深潰口工況較為一致。隨著時間的變化，泥石流流量逐漸減小，并呈現出間歇性流出的特征。經數值模擬，泥石流的潰口流量峰值約為1 000 m3/s，泥石流發生1 h時，溝口流量逐漸下降至100 m3/s。窄深潰口工況下，尾礦庫潰壩泥石流的最終堆積情況與寬深潰口工況較為相似，但窄深潰口工況的流量較小，最終堆積范圍也稍小一些。

3 結論

不同潰口工況下，構建SPH模型，模擬尾礦庫潰壩泥石流演進過程。結果表明，SPH模型模擬效果優異，能夠獲得較為準確的泥石流流量數據。尾礦庫潰壩泥石流流量與潰口寬度、深度的相關性較強，相比潰口寬度，潰口深度對泥石流流量的影響更大。總體來看，寬深潰口工況的潰壩泥石流規模大于窄深潰口工況。

參考文獻

1 陳聰聰，趙怡晴，姜琳婧.尾礦庫潰壩研究現狀綜述[J].礦業研究與開發，2019（6）：103-108.

2 王 昆，楊 鵬，HUDSON-EDWARDS K，等.尾礦庫潰壩災害防控現狀及發展[J].工程科學學報，2018（5）：526-539.

3 徐宏達.我國尾礦庫病害事故統計分析[J].工業建筑，2001（1）：69-71.

4 張力霆.尾礦庫潰壩研究綜述[J].水利學報，2013（5）：594-600.

5 張媛媛.尾礦庫潰壩風險評價模型與風險防控研究[D].北京：首都經濟貿易大學，2016：11-12.

6 陳殿強，何 峰，王來貴.鳳城市某尾礦庫潰壩數值計算[J].金屬礦山，2009（10）：74-76.

7 姜永豐，劉 雷.基于SPH方法的小西溝尾礦庫三維潰壩數值模擬[J].礦業研究與開發，2021（8）：101-107.

8 劉嘉欣，閻志坤，鐘啟明，等.尾礦庫漫頂潰壩機理與潰壩過程數值模擬[J].中南大學學報（自然科學版），2022（7）：2694-2708.

9 陳聰聰.尾礦庫潰壩風險評估與預控方法研究及應用[D].北京：北京科技大學，2023：8-9.

10 孫鴻昌，郝 喆，侯永莉，等.基于Rhino和Fluent耦合的尾礦庫潰壩數值模擬分析[J].金屬礦山，2022（10）：170-176.

11 王 煥，鄭 欣，于雁武，等.基于BWM-DEMATEL-VIKOR模型的尾礦庫風險評價[J].金屬礦山，2022（12）：238-245.

12 楊 蓉，付俊峰，張 航.三維實際地形下的尾礦庫潰壩數值模擬研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2020（5）：138-144.

13 DENG Z，WU S，FAN Z，et al.Research on the overtopping-induced breaching mechanism of tailings dam and its numerical simulation[J].Advances in Civil Engineering，2019（2）：1-10.

14 MAHDI A，SHAKIBAEINIA A，DIBIKE Y B.

Numerical modelling of oil-sands tailings dam breach runout and overland flow[J].Science of the Total Environment，2020（2）：1-10.

15 WANG K，YANG P，YU G，et al.3D numerical modelling of tailings dam breach run out flow over complex terrain：a multidisciplinary procedure[J].Water，2020（9）：2538.