尾礦庫不同潰壩形式的數值模擬研究

林子揚, 王衛紅, 楊宏珺

(1.西南科技大學環境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 2.國家遙感中心綿陽科技城分部, 四川 綿陽 621010;3.西南科大四川天府新區創新研究院, 四川 成都 610299)

1 前言

我國境內存在1.2萬余座尾礦庫,其中大多數為上游式筑壩法構建的尾礦庫。為了使每年尾礦排量能低成本處理,同時延長尾礦庫的使用壽命,需要在現有尾礦庫的基礎上加高現有堆積壩[1]。從技術管理的問題來看,壩高越高,潰壩后影響范圍越大,尾礦庫的安全存在很大的潛在風險。

在尾礦庫潰壩方面,國內外學者已開展系列研究。李全明等[2]建立尾礦庫潰決泥漿運動模型,提出尾礦庫潰壩范圍計算的評估方法;劉嘉欣等[3]研究漫頂潰壩機理,通過沿深度取積分平均值建立潰壩的二維數學模型;崔旭陽等[4]構建了一種包含動態指標和靜態指標的評價指標體系,利用動態加權貝葉斯網絡和時間權重、指標權重來評估尾礦庫潰壩風險;胡航等[5]強降雨洪水條件下下泄尾砂總量與潰壩后果之間的關系,并結合FLO-2D模擬軟件對潰壩災害進行了預測分析;呂松峰等[6]模擬了尾礦庫在瞬時局部潰壩條件下尾砂的運動情況。Rico M 等對事故尾礦庫的壩高、庫容與潰壩量等資料進行回歸分析,得到尾礦庫潰壩量約占尾礦庫總庫容的1/3(包括水)。Concha Larrauri P等提出尾礦庫在潰壩后不會全部泄完。

2001—2018年我國共發生95起尾礦庫事故,事故中約380人喪生,其中潰壩事故占比高達56.9%[7-8]。因此,需要在加強尾礦庫日常監管,降低事故隱患的同時,對尾礦庫進行潰壩模擬實驗,對實驗結果和潰壩影響范圍進行數據處理,得到應對尾礦庫潰壩災害時能提前對影響范圍內的居民進行預警,保障尾礦庫下游居民人身財產安全[9-10]。

綜上所述,目前研究僅限于單一洪水潰壩,而實際上,在遭遇地震或其他自然災害時,有可能發生單點或多點瞬時潰壩。因此,結合尾礦庫洪水潰壩數值模擬,局部尾礦庫瞬時潰壩數值模擬,提出尾礦庫多點瞬時潰壩數值模擬,研究采用尾礦庫安全評價項目,通過FLO-2D模擬尾礦庫洪水漫頂,單點瞬時潰壩和多點瞬時潰壩,來研究尾礦庫不同形式的潰壩在強度和影響范圍的差異,得到單點瞬時潰壩破壞力強,影響范圍略小于多點瞬時潰壩,但兩種潰壩形式在強度和影響范圍上都大過于洪水漫頂潰壩成果,彌補尾礦庫潰壩實驗形式單一的情況[11]。

2 研究區現狀

尾礦庫位于米易縣埡口鎮安寧河西岸爛壩山下的沖溝中,與選廠隔河相望,直線距離1 km,距撒蓮鎮政府5 km,距米易縣政府20 km,具體位置如圖1所示。

圖1 尾礦庫位置圖

該尾礦庫修筑方式為上游式筑壩法,2022年之前該尾礦庫存在3座壩體,經過不斷堆高修筑,現如今合并為一座壩體的尾礦庫,設計總壩高為246 m,總庫容設計為5 079.5萬m3,有效庫容為4 800萬m3,該尾礦庫由三等庫升級為二等庫,位于山谷中,初期壩下游是安寧河,有少量耕地,無工礦企業、水產基地及名勝古跡等重要設施。

庫區屬熱帶、亞熱帶森林氣候,季節干濕分明,夏天炎熱、多雨、潮濕,而冬天溫暖、多雨、干燥。年平均氣溫21～22 ℃,最高38.7 ℃,雨季期間,陡峭的河谷兩側頻繁發生山洪、河流暴漲和小型泥石流。

3 數據和方法

尾礦庫初期設計為溝口處修建3座壩體,隨著壩體升高,將3座壩體合并為1座壩體,因此選取該尾礦庫呈現出單點和多點潰壩模擬的成果會有明顯。

選取的不同潰壩條件分別為洪水漫頂潰壩數值模擬;瞬時單點潰壩數值模擬;瞬時多點潰壩數值模擬。其中洪水漫頂潰壩數值是以某斷面流體流量隨時間變化的過程來客觀反映泥石流災害整體運動過程。瞬時潰壩數值模擬相較于洪水漫頂,主要在于其突發性和不可預見性,為了保障下游地區人民人身財產安全,需提前做好此類事故預測工作,為此選取瞬時單點潰壩。在此基礎上,由于尾礦庫壩頂寬度過長,在突發情況下不止一處會發生崩壞等現象,因此在實驗中選取多點瞬時潰壩來模擬該情景下,下游受災情況。

在實驗軟件上,采用FLO-2D軟件實現尾礦庫潰壩數值模擬實驗,其具有對泥石流有較好的重現性,能表示泥深、流速,以及反映流體流變時空特征等優點[12]。該軟件通過分析地形數字高程模型為實驗藍本,將尾礦庫區域的地形制作成二維單元網格形式,計算得出每個網格單元在實驗中對應的流速,泥沙淹沒深度以及流量數據。

3.1 模擬流體參數設定

本次模擬是基于體積守恒和水力學原理構建流體質量守恒和動量守恒方程的微分形式,采用顯式中心差分法對守恒方程進行求解運算,可以有效計算單元網格內流體流深、流速和影響范圍的時間變化。

鑒于模擬模型原理,模擬流體以一種恒定的固液混合流體形式進行運動堆積,其需要設定以下流體參數:體積濃度折中取值0.5[13]。泥石流重度取值1.25 kg/m3。層流阻力系數本次模擬參照Woolhiser 實地測定的泥石流層流阻力系數設定該值為2 200[14]。屈服應力和黏滯系數:流體的屈服應力選擇詹前登實驗參數。

3.2 地表環境參數設定

在本次模擬中,根據高分辨率航空圖像,將數值模擬區域分類為地物識別,并根據地物類別估算滲透性和阻礙能力。通過曼寧系數描述地表阻礙能力,使用Green Ampt透射模型描述表面滲透能力[15]。

4 數值模擬

4.1 洪水漫頂潰壩數值模擬流量曲線

參照防排洪驗算和尾礦庫建庫標準,以1000年一遇的洪水頻率為尾礦庫潰決計算頻率,依照水文計算洪水流量和模擬流體參數計算庫區斷面的泥石流流量過程線如圖2所示。

圖2 泥石流流量過程線示意圖

圖2中1#,2#,3#代表3座壩體,以最北方向為1#壩體依次向南方排列。洪水流量過程線表示尾礦庫由于承受不住洪水容量潰壩后,洪水向壩體下游流動的過程;泥石流流量過程線表示尾礦庫由于洪水漫頂后產生潰壩,洪水夾帶著尾砂向壩體下游流動的過程。

4.2 洪水漫頂潰壩數值模擬成果

基于相關資料與參數,開展尾礦庫洪水漫頂潰壩數值模擬,其計算結果如圖3所示。

圖3 尾礦庫洪水漫頂數值模擬結果示意

根據數據模擬成果分析,在1000年一遇的洪水頻率下,尾礦庫一旦發生潰決對尾礦庫下游地表環境造成嚴重破壞。尾礦庫壩體涉及范圍廣,下游共有3處流域通往安寧河。依據本次數值模擬,模擬災害流體分別從壩體上的3處位置運動至下游溝口,模擬流體平均速度約為0.3 m/s,模擬體過流的最大厚度集中在2 m以下,占災害影響面積的82.6%,最大沉積厚度在4 m以上的區域占總沉積面積的3%,泥深最高沉積厚度為7.3 m。

4.3 瞬時單點潰壩數值模擬泥石流流量計算

1)潰口寬度計算

潰口寬度是尾礦庫潰壩災害破壞程度的主要影響因子之一,同時也是計算下泄流量的重要參數。通過水庫潰決資料得到計算潰口寬度的計算公式[16]。

(1)

式中:b——潰口平均寬度,m;

W——尾礦庫潰壩總量,萬m3;

B——尾礦庫水面寬度;

Hw——尾礦庫水面高,m;

K1——筑壩材料相關系數,如黏土材質取0.65,土壤材質取1.3。

2)潰壩總量計算

尾礦庫災害的關鍵取決于潰壩總量的分析,對于計算尾礦庫潰壩總量在世界上沒有統一的標準,在數值模擬中將尾礦庫全庫容作為潰壩總量數據,但在實際潰壩案例中,潰壩總量總是小于尾礦庫庫容,只存在部分庫容通過潰壩泄出。不同尾礦庫潰壩方式存在諸多不同的影響因素,因此尾礦庫潰壩總量的計算存在差異性和不唯一性。根據Rico M等的研究,本次實驗選取潰壩量為總庫容的1/3。對此次潰壩模擬采用的潰壩總量為5 034萬m3,選取有效庫容為1 676.4萬m3,占尾礦庫總庫容的33.3%。

3)壩址處潰壩流量過程線計算

通過對水庫潰壩計算方法比對,主要是采用圣維南法,經驗公式等方法。對于尾礦庫潰壩采用借鑒水庫潰壩計算方法[17],其公式為

(2)

式中:QM——潰壩流沙的最大流量,m3/s;

m——不同形式的溝谷斷面參數;

H0——尾礦庫上有水深。

對于不同形式的溝谷斷面,可選取相對應或組合模型進行取值,具體參數見表1。由于尾礦庫壩體形狀介于二次拋物線和組合拋物線之間,m選取為5/2。

表1 不同溝谷斷面形狀的特征參數

瞬時潰壩條件下,在壩體發生突然破壞后,壩址處下泄尾砂流量在開始時達到最大值,隨后快速下降,當到達臨界值時,緩慢下降,對潰壩流量采用4次拋物線來進行概化。此次潰壩流量4次拋物線成果見表2。

表2 潰壩流量4次拋物線概化參數

表2中,T表示為潰壩砂流下泄時長,t表示為潰壩下泄時間刻度;QM表示為潰壩流砂的最大流量;Qt表示為t時刻砂流流量。

繪制潰壩尾砂流流量過程曲線,主要參考潰壩中水力學經驗公式,采用以下計算參數:

(1)潰壩總量W的計算。采用總庫容潰壩1/3,潰壩總量取值為1 676.4萬m3。

(3)尾礦庫潰壩砂流最大流量QM。

4.4 瞬時單點潰壩數值模擬流量曲線

參照水文電力手冊和尾礦庫建庫標準,以尾礦庫單點潰壩計算頻率[18],依照模擬流體參數計算庫區斷面的尾砂流量過程線如圖4所示。

圖4 瞬時單點潰壩流量過程曲線圖

4.5 瞬時單點潰壩數值模擬成果

基于相關資料與參數,開展尾礦庫瞬時單點數值模擬,其計算結果如圖5所示。

圖5 瞬時單點潰壩模擬成果圖

依據本次數值模擬,模擬災害流體分別從壩體上的3處位置運動至下游溝口,模擬流體平均速度約為17.7 m/s,由于本次模擬有大量尾砂沖入安寧河內,選取模擬最大值位于地面部分,模擬體過流的最大厚度集中在6.5 m以下,占災害影響面積的76.8%,最大沉積厚度在6.5 m以上的區域占總沉積面積的23.2%,尾砂最高沉積厚度為23.21 m。

4.6 瞬時多點潰壩數值模擬泥石流流量過程線

瞬時潰壩條件下,在壩體發生突然破壞后,壩址處下泄尾砂流量在開始時達到最大值,開始快速下降,當到達臨界值時,緩慢下降。

參照水文電力手冊和尾礦庫建庫標準,以尾礦庫3條溝口壩體壩長比作為權重參數,本次實驗中權重比為1#∶2#∶3#= 0.351 314 85∶0.326 197 28∶0.322 487 871,將潰口設置在三座壩體上計算頻率,依照模擬流體參數計算庫區斷面的尾砂流量過程線如圖6所示。

圖6 瞬時多點潰壩流量過程曲線圖

4.7 瞬時多點潰壩數值模擬成果

基于相關資料與參數,開展尾礦庫多點瞬時潰壩數值模擬,其計算結果如圖7所示。

圖7 瞬時多點潰壩模擬成果圖

依據本次數值模擬,模擬災害流體分別從壩體上的3處位置運動至下游溝口,模擬流體1#壩平均速度約為2.18 m/s,模擬流體2#壩平均速度約為2.17 m/s,模擬流體3#壩平均速度約為2.14 m/s,由于本次模擬有大量尾砂沖入安寧河內,選取模擬最大值位于地面部分,模擬尾砂的最大厚度集中在5.4 m以下,占災害影響面積的80.6%,6.5 m以上最大沖積厚度區域占整個災害影響面積的19.4%,尾砂最高沉積厚度為23.56 m。

5 下游威脅分析對比

依據洪水漫頂潰壩數值模擬結果,模擬災害流體沿著尾礦庫下游溝道向下運動,并在流域溝口處進行了擴展堆積,形成扇形的破壞區,從而對溝口的居民建筑、農田耕地和交通干道造成了大面積的淤埋,甚至有流體向下運動堆積至安寧河流域造成河道堵塞,引發次生災害?，F選取3處下游流域溝口區域進行模擬破壞分析,下游影響區:該溝口區域距離壩頂約1.2 km,溝口區域內模擬流體橫向波及長度達220 m,約15 984 m2耕地被模擬流體淤埋,1棟居民建筑邊緣被流體波及,1棟疑似臨時建筑的房屋被流體淤埋破壞,但災害流體并未繼續向下堆積至安寧河道之中。

依據尾礦庫瞬時潰壩數值模擬結果,潰壩的尾砂沖過安寧河達到對岸,瞬時潰壩最遠處距離壩頂約為2.3 km,溝口區域內模擬流體橫向波及長度達1 506 m,約有3.35×105m2農田耕地被尾砂覆蓋,其中23棟居民建筑邊緣被流體波及,4棟建筑的房屋被流體淤埋破壞。其中單點瞬時潰壩對潰壩點處的壩體造成嚴重影響,對另外兩座壩體影響較小,而多點瞬時潰壩分別對壩體造成的影響相差不大,因此單點瞬時潰壩對2#壩體下的房屋耕地受災最為嚴重。

6 結論

本文利用對四川省攀枝花市米易縣某尾礦庫DSM影像進行了處理,再通過FLO-2D軟件對尾礦庫進行多種潰壩數值模擬實驗,得到以下結論:

(1)不同潰壩條件下的潰壩流量不同,瞬時單點潰壩的潰口流量速度為17.7 m/s,短時間內對下游地區的沖刷破壞性較強,瞬時多點潰壩的潰口流量相對有所降低,速度為2.17 m/s,具有持續性破壞作用,洪水漫頂造成的潰壩災害流量為0.3 m/s最小,造成的破壞性最小,但由于伴隨著大量降雨,潰壩災害的同時伴隨著洪水等次生災害。

(2)不同潰壩條件下的潰壩破壞強度不同,瞬時潰壩模擬結果中,單點瞬時潰壩對對應壩體下游受災地區破壞力最強,其余壩體下游受災相較于多點潰壩較弱,多點潰壩災害受災程度較均勻,受災面積擴大,但兩種潰壩形式下受災區域大致相同。

(3)不同潰壩條件下的尾砂沉積方式也不同,洪水漫頂潰壩中尾砂堆積主要在初期壩下游地區;單點瞬時潰壩尾砂主要堆積于主體受災壩中后段,堵塞初期壩;多點瞬時潰壩尾砂堆積于潰壩口和初期壩位置,在河道處沉積的尾砂也是最多的。

(4)在三種潰壩模擬中,洪水漫頂潰壩破壞力最小,尾砂沉積量最少;單點潰壩模擬,破壞力最強,尾砂主要集中于主壩體口;多點潰壩模擬,潰壩破壞力較分散,破壞力由兩邊向中間集中,尾砂同時也主要集中于壩體中部,對受災區域沖擊面積最廣。

(5)尾礦庫潰壩后,尾砂大多流入安寧河中,使其破壞程度得到有效削減,減少了潰壩災害對城鎮的直接危害。