【重点关注】尾矿库溃坝模型设计及试验方法张红武,刘磊,卜海磊,钟德钰(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084摘要:在简要回顾前人有关模拟方法研究成果的基础上,分析了尾矿库溃坝及其模型试验的特点,理清了设计思路,提出了模型相似条件,然后以预备试验为依托,通过模型尾沙选择与要求、模型制作、测验手段等环节的研究,进一步论述了尾矿库溃坝模型的设计方法与试验方法。
尾矿库溃坝模型设计应遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挟沙相似、尾沙悬移相似、河床变形相似及尾沙起动相似等条件;模型沙可选择容重适中、化学性质稳定的拟焦沙;模型试验的工作步骤:给出尾矿库最可能的溃坝方式及对下游影响最大的典型情况,确定尾矿库最终高程,选配合适的模型沙,设计溃坝模型,测出尾矿库溃坝坝址流量、水位过程线和冲沙率以及向下游的洪水演进情况,提出可行的下游保护方案、工程措施及综合防治对策,确定尾矿库最终堆积标高。
关键词:设计方法;模型试验;溃坝;尾矿库中图分类号:TD221;TV131．61文献标识码:A doi:10．3969/j．issn．1000-1379．2011．12．001Test and Design of Tailings Dam ModelZHANG Hong-wu,LIU Lei,BU Hai-lei,ZHONG De-yu(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,ChinaAbstract:Based on the model test,further discussions about the design method of the tailings dam failure model and the test method was presented in this paper through themodel selection,requirements and tailings model manufacture．This paper analyzed the characteristics and the model test of the tailing dam,and presented a model similar conditions based on the achievements of previous research about simulation method．The results show that:the design of the tailings dam should follow the laws of resistance similar,water sediment carrying capacity similar,tailings sediment similar,bed deformation similar and sediment incipient motion similar;the sediment of which the bulk density is light and the chemical stability is good can be chosen as the model sediment;the most ability dam-bursting mode,the biggest impact on downstream typical case,calculation of the eventually elevation of tailing dam,the discharge from the site of tailing dam,flood control level hydrograph and the flood routing are presented in the model experiment．Moreover,the feasible downstream protectionsolutions,comprehensive prevention and control measures are presented in this paper．Key words:design method;model test;dam break;tailing dam尾矿库是一种特殊的工业建筑物,是矿山企业最大的环境保护工程项目,同时也是具有高势能的人造泥石流危险源。
我国为世界矿业大国,已建尾矿库约5000座(全世界约有20万座,总库容约为50亿m3,堆贮尾矿约55亿t[1]。
我国尾矿库数量之多、库容之大、坝体之高在世界上都是少见的,更严重的是,目前全国尾矿库中非正常库比例高达45%,且半数以上尾矿库是由没有专业资质的设计单位设计的,大都存在溃坝的风险[2]。
尾矿坝的溃决会带来巨大的人员伤亡和财产损失,并产生严重的环境污染,是矿山安全的头等问题。
如2008年9月,山西襄汾新塔集团尾矿库出现的特大尾矿库溃坝事故,淹没土地35．9hm2,造成276人死亡,直接经济损失近亿元,引起社会广泛关注,此后全国各省(区、市安全生产监督管理局都提高了下游有居民住宅和重要设施的尾矿库安全生产许可的准入门槛。
对于下游有居民住宅和重要设施的尾矿库,为保护群众生命财产及重要建筑物的安全,需要研究尾矿库溃坝的淹没范围和对下游的影响程度。
鉴于在尾矿库设计与建设中,诸如尾矿库总体布局、溃坝对下游的影响等关键技术问题,长期缺乏系统、深入的研究,急需借助能够检验不同方案优劣的科学研究手段来提高工程论证水平。
尤其不同的尾矿库坝体结构、物质组成差异很大,溃决机理十分复杂,溃决过程在机理方面很不清晰,完全从理论收稿日期:2011-11-28基金项目:国家自然科学基金重点项目(51039003。
作者简介:张红武(1958—,男,河南淮阳人,教授,博士生导师,研究方向为河流动力学及河流模拟。
E-mail:zhhw@tsinghua．edu．cn第33卷第12期人民黄河Vol．33,No．12 2011年12月YELLOW RIVER Dec．,2011上难以给出可靠的溃决模式[3],且一般情况下尾矿库及其下游沟道的边界条件都相当复杂,用解析法定量分析十分困难,完全从理论上给出的工程设计与计算成果很难符合实际。
而利用试验手段,又缺乏尾矿库溃坝模型相似律。
为使工程论证与模拟研究接近实际,并使解决该类工程问题时(包括堰塞湖溃决等能按照较为可靠的研究方法,定量掌握尾矿库坝体的溃决过程及其对下游的影响程度,必须在模拟方法上有所突破。
为此,近几年笔者在开展栾川三强钼钨寺院沟尾矿库溃坝模型等试验的过程中,对溃坝模拟方法进行了探讨。
本文在简要回顾前人成果的基础上,尾矿库溃坝模型设计及试验方法。
1尾矿库溃坝模拟方法研究现状在数值模拟方面,早期一些学者参考一般水力溃坝模型进行了尾矿库溃坝模拟计算。
不过,尾矿库的溃坝实际同散粒体土坝溃决及堰塞湖溃坝情况相近,同一般水力溃坝差异很大。
因而后来较多学者根据多个尾矿坝的实际溃决资料,参考水力溃坝模型,考虑尾矿的物理力学性质及其在流动中的变形,建立尾矿坝溃坝的数学模型,就尾矿坝溃坝后泥石流对坝下游的影响进行预测[4－5]。
如袁兵等[5]为开展数值计算,根据多个大坝的实际溃决资料,建立了尾矿坝溃坝的数学模型,提出了尾矿坝溃坝后泥石流对下游影响的预测方法;陈国芳等分析尾矿库溃坝事故发生的机制及可能造成的人员伤亡后,提出了避免事故的对策;朱勇辉等[6]建立了土坝溃决模型。
有些文献还介绍了国外学者的研究成就。
如G E Blight研究了南非5座环形尾矿坝溃坝情况,得出了尾沙流的运移距离和地表的干湿状态有关的结论;S Moxon研究了西班牙南部Los Frailes矿尾矿坝发生的事故,提出了预防溃坝的方法;M Rico等通过收集尾矿坝溃坝事故的资料,并通过归纳总结,建立了尾矿坝坝高、库容等参数同因溃坝产生的尾沙流体特性之间的关系,尤其给出了尾矿坝总库容与溢出尾矿量以及溢流量与潜在下游最大流动距离之间的关系。
堰塞湖溃决同尾矿库溃坝相近之处较多,王光谦、钟德钰、张红武等针对唐家山堰塞湖特定的泄流动力学过程,开发了平面二维水沙数学模型,扩展了基本方程,考虑了堰塞体形成的河床变形对水流运动的影响,提出了高精度且高效率的边界跟踪算法,分析了堰塞湖泄流过程以及堰塞体冲刷发展的机制。
结果表明,河床变形对泄流影响较大,堰塞体以溯源冲刷为主,计算得到的泄流流量、堰塞湖水位与实际观测值较为接近[7]。
在模型试验方面,严格的尾矿库溃坝比尺模拟试验鲜见报道,现有的河工模型、洪水溃坝模型、滑坡涌浪模型的模拟方法尚难直接应用到尾矿库溃决模型之中。
因溃决后的水沙流动同沟道高含沙洪水及淤地坝溃坝状况有相近之处,故相关模拟方法可供借鉴。
清华大学黄河研究中心2000年曾以黄土作为模型沙,在大比降水槽中开展了沟道发育及淤地坝溃坝模型试验,并采用拟焦沙作为小流域的模型沙,通过降水模拟开展了自然侵蚀与工程治理后的效果比较试验[8]。
此后,张红武等[9－10]进一步提出土壤侵蚀及沟道坝系的半比尺模型设计方法:①按照几何相似条件,要求初始地貌与原型相似;②为保证侵蚀形态的相似性,下垫面需要采用模型沙制作裸地模型,其初始含水量同原型相近,且模型降水强度必须大于模型沙相应的临界雨强;③降水历时遵循重力相似条件;④为保证沟道坝系地貌演变相似,模型降水产沙关系要与原型相对应,应满足产沙相似条件。
为检验该方法的合理性,曾利用两个不同几何比尺的模型进行了验证试验[10－12]。
“5·12”汶川地震之后,为预测唐家山堰塞湖、肖家桥堰塞湖溃坝最大流量,张红武等首次用模型试验方法,利用现有条件快速制作模型,开展了堰塞湖溢流槽冲刷发育与泄流过程试验[8],不仅较好地模拟出了溃坝最大流量,而且还预测出了堰塞体溃决后的影响状态。
该课题组目前正在通过模型试验,建立高危尾矿坝溃坝几何参数同下游影响参数的关系,这对溃坝灾害的评估和防治有着重要的现实意义,同时对尾矿库溃坝研究也颇有参考价值。
2尾矿库溃坝模型设计思路及原理尾矿库溃坝方式有多种,主要可分为由滑动、管涌、地震、洪水诱发等。
一般尾矿库堆积边坡的坡度较缓,并且在多个标高都设计有水平排渗层和大口辐射井的联合排渗,发生管涌及坝坡稳定破坏的几率很小[1－2]。
同时,尾矿库由地震力破坏的可能性一般较小。