尾礦庫潰壩影響分析
王秀龍
（遼寧智誠中安安全技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 １１００００）
摘?要：本文以磁選鐵礦尾砂為研究對象，通過分析水利行業(yè)關(guān)于各類泥石流的研究成果，結(jié)合尾砂粒徑和尾砂堆放特點(diǎn)，提出一個專適用于礦山尾礦庫的潰壩影響分析方法，可對尾礦庫潰壩影響進(jìn)行定量分析，并計算泄砂總量、潰口寬度、壩址處最大流量、洪水傳播時間、流速、淤積厚度、沖擊力等重要參數(shù)，為礦庫潰壩影響分析及防治工作提供依據(jù)。
結(jié)果表明提出的礦山尾礦庫潰壩影響分析方法可以對尾礦庫潰壩造成的泥石流影響進(jìn)行評估，從而確定其影響范圍，影響程度，預(yù)先做好防災(zāi)措施，并在工程中得到了有效應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：泥石流；尾礦庫；潰壩
中圖分類號：ＴＶ１４ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：１００２－５０６５（２０２１）０８－０１６３－２
Analysis on the influence of tailings dam break
WANG Xiu-long
（Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ Ｚｈｏｎｇａｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｉｎｄｕｓｔｒｙ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｓｔａｃｋｉｎｇ， ａ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ， ａｎｄ ｃａｎ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ， ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｔｈｅ ｍａｘ
ｉｍｕｍ ｆｌｏｗ ａｔ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｉｔｅ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ Ｆｌｏｏｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ， ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｗｏｒｋ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ， ｔａｋｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ， ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ．
Keywords: ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ； Ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ； Ｄａｍ ｂｒｅａｋ
土石壩類型尾礦庫，是國內(nèi)尾礦庫占比最多的壩型。土
石壩潰決過程存在很大的不確定性，絕大多數(shù)的數(shù)值計算方
法和由以往潰壩資料推導(dǎo)出來的經(jīng)驗公式都不能很好的運(yùn)
用于土石壩潰決過程，因為土石壩的潰決過程是一個隨潰口
寬度和深度增加而逐漸潰決的過程。在潰決過程中，潰口流
量過程是潰口形狀變化的函數(shù)，且該函數(shù)一般是非線性的，
要求出這種函數(shù)關(guān)系式不容易，需要作進(jìn)一步的研究。
根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，泥沙顆粒的運(yùn)動是一個跨尺度、
多物理過程相耦合的復(fù)雜過程。傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動力學(xué)中幾個核
心問題采用的理論方法及其局限性見表1。由此可以看出，
傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動力學(xué)中的理論尚難以準(zhǔn)確描述挾沙水流的運(yùn)
動特征。
表1 傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動力學(xué)中的理論方法和存在問題[1]
核心問題理論方法局限性現(xiàn)有解決方案
水流流動單向流流體力學(xué)適用于低濃度泥沙經(jīng)驗修正
懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散理論適用于小顆粒/低
濃度泥沙
經(jīng)驗修正
推移質(zhì)輸移多種分析方法缺乏通用性經(jīng)驗公式
床沙沖淤質(zhì)量守恒定律未能反映動力因素經(jīng)驗公式
目前針對尾礦庫潰壩分析，學(xué)者們主要通過建立物理模型進(jìn)行水工試驗，但建立水工模型進(jìn)行試驗不僅時間成本高，而且經(jīng)濟(jì)成本也較大，不易實現(xiàn)；也有學(xué)者基于Fluent、Flow等軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，但操作性不佳，對于一般礦山企業(yè)和技術(shù)人員，難以完成。因此，探尋和提出一個現(xiàn)階段理論和經(jīng)驗支持下比較可信、易操作、經(jīng)濟(jì)性較好的尾礦庫潰壩影響分析方法，是尾礦庫安全技術(shù)工作的迫切需要。
郭維東等認(rèn)為，根據(jù)以往潰壩洪峰流量、淹沒歷時與庫區(qū)泥沙中值粒徑值有關(guān)[2]。由于各類礦物經(jīng)濟(jì)價值、理化性質(zhì)的不同，磨礦粒度也不盡相同，筆者本次研究以我國最常見的磁選鐵礦尾砂為主要研究對象。通過分析水利行業(yè)對各類泥石流的研究成果，結(jié)合尾砂粒徑和尾砂堆放特點(diǎn)，提出一個專適用于礦山尾礦庫的潰壩影響分析。對于尾礦庫潰壩原因分析及安全防治具有重要的理論和實際意義。
1?潰壩泥石流演進(jìn)
（1）泄砂總量。泄砂總量的取值主要取決于庫區(qū)呈飽和狀態(tài)的尾礦砂。對于水邊線距離壩軸線較遠(yuǎn)的尾礦庫，泄砂總量的計算可按尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)利用邊坡穩(wěn)定分析的方法，確定最危險滑弧，然后進(jìn)行估算泄砂總量。對于水邊線距離壩軸線較近的尾礦庫，泄砂總量取某一高程以上的全部庫容。某一高程可以是初期壩以上，因初期壩一般建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，發(fā)生潰決的可能性相對較低。以圖2的地形舉例，圖中尾礦庫A溝庫長較長，水邊線較遠(yuǎn)，即使發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)洪水，也能確保符合標(biāo)準(zhǔn)的灘長，這種尾礦庫發(fā)生潰壩可能性較小，可以按照典型斷面的危險滑弧估算這部分泄砂總量；B溝庫長短，壩前尾砂很容易飽和，這部分按某一高程以上全部庫容估算泄砂總量。
（2）潰口寬度。黃河水利委員會水利科學(xué)研究院于20世紀(jì)70年代就小浪底水庫進(jìn)行了水平比例為1/1000和垂直比例為1/100的潰壩模型試驗，總結(jié)了潰壩流量過程經(jīng)驗公式：
式中：b—潰壩決口平均寬度，m；W—泄砂總量，104m3；B—潰壩時壩頂長度，m；H0—潰壩水頭
或潰壩時壩前水深，
收稿日期：２０２１－０４
作者簡介：王秀龍，男，生于１９８５年，滿族，工程師，研究方向：尾礦庫
安全技術(shù)及工業(yè)企業(yè)安全管理。
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m；k—與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，粘土取0.65，壤土取1.3。
（3）壩址處最大流量。壩址處最大流量因河槽、潰壩缺口等因素有不同的計算方法，考慮最危險情況，即壩址處可出現(xiàn)的最大流量，假定下游河槽為矩形，尾礦庫潰決屬于部分潰壩的特點(diǎn)。依據(jù)肖克列奇經(jīng)驗公：
式中：Q max—壩址處最大流量，m3/s；H0—潰壩時壩前上游水深，等于尾礦庫最大壩高減去壩前淤深和校核水位距壩頂?shù)木嚯x，m。
（4）潰壩下游流量。潰壩下游流量計算，由經(jīng)驗公式：
Q L—距壩址控制斷面潰壩口距離L處時，最大流量，m3/s；L—控制斷面距尾礦庫壩址的距離，m；V max—特大洪水的最大平均流速（山區(qū)取3.0~5.0，m/s，丘陵區(qū)取2.0~3.0，平原區(qū)取1.0~2.0），取3.0；K-經(jīng)驗系數(shù)（山區(qū)取1.1~1.5，丘陵區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.8~0.9），取1.1。
黃委水利委員會水力科學(xué)研究所根據(jù)實際資料分析，VK值應(yīng)取下列數(shù)值：山區(qū)河道，VK=7.15；半山區(qū)河道，VK=4.76；平原河道，VK=3.13。
（5）潰壩洪水傳播時間。潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠(yuǎn)，波速削減越快。黃河水利委員會水利科學(xué)研究院根據(jù)實驗求得潰壩洪水傳播時間及概化流量過程線如下：
式中：K1—系數(shù)，取平均數(shù)為0.0007；t1—洪水到達(dá)時間。
（6）泥石流流速。泥石流流速是反映泥石流運(yùn)動力學(xué)的最重要的特征值，同時也是泥石流防治工程設(shè)計的基本參數(shù)。尾礦壩潰壩的流體是黏性較大的尾礦砂與水的混合體，體現(xiàn)出較強(qiáng)的非牛頓流體特征。吳積善等分析了國內(nèi)的黏性泥石流流速公式，認(rèn)為可按泥石流阻力大小分為低阻型、中阻型及高阻型泥石流計算公式。查閱國內(nèi)一些鐵礦選廠尾礦特性表，尾砂加權(quán)平均粒徑一般在0.05mm左右。結(jié)合吳積善研究成果，尾礦庫潰壩引發(fā)泥石流，在不考慮與下游河床交換的情況下，屬于中阻型粘性泥石流。這類泥石流的流速可按照楊針娘公式進(jìn)行計算：
式中：K—斷面平均流速系數(shù)，一般取0.7；Hc—泥沙深；Jc—平均坡降。
（7）泥石流淤積厚度。泥石流的危害特點(diǎn)：稀性泥石流以沖刷為主，粘性泥石流以淤積掩埋為主。因此研究尾礦庫的潰壩影響，研究淤積厚度意義重大。泥石流的淤積厚度可通過泥石流體的容重、淤積坡度和泥石流體的屈服應(yīng)力計算得出。
式中：H—泥石流最大淤積厚度，m；t—泥石流漿體屈服應(yīng)力，Pa；θ—下游河道平均淤積坡度，°；g—重力加速度，9.8m/s2；ρ—泥石流漿體容重，kg/m3。
泥石流漿體的屈服應(yīng)力參照下表選取：
圖1 屈服應(yīng)力和礦漿濃度間關(guān)系
（8）泥石流沖擊力。泥石流防治工程需要考慮泥石流的沖擊力，尾砂泥石流沖擊力按照均質(zhì)漿體的動壓力計算。
式中：f—單位面積沖擊力（KN/m2）；γ—泥石流重力密度（KN/m3）；v—泥石流流速（m/s）；
2?工程實例應(yīng)用
某尾礦庫總庫容20萬m3，總壩高22m（標(biāo)高604m~ 626m），壩軸線長110m，假設(shè)潰壩時壩前水深1.5m。按照本文提出的方法，對下游敏感建筑物進(jìn)行分析如下。
表2 工程下游建筑物數(shù)據(jù)分析
距離m
最大流量
m3/s
最大流速
m/s
泥砂厚度m泥砂面寬m 5044.0 5.250.5615
10043.7 5.250.5515
130（辦公室）43.6 5.240.5515影響分析：辦公室標(biāo)高605m，距離壩腳直線距離130m，與尾礦壩之間區(qū)域為狹長溝谷，谷底標(biāo)高580m，坡向東南，溝底無地面設(shè)施。谷底標(biāo)高加泥沙厚度為580.55m，
未達(dá)到辦公室地面標(biāo)高，因而尾礦庫潰壩對辦公室不構(gòu)成威脅。
如果經(jīng)計算泥沙會沖擊敏感建筑物，需要設(shè)計擋墻進(jìn)行防護(hù)，這時候就會2.8節(jié)提出的公式對擋墻進(jìn)行驗算。
3?結(jié)論
（1）運(yùn)用本文提出的方法基本可以對尾礦庫潰壩造成的泥石流影響進(jìn)行一定的評估，從而確定其影響范圍，影響程度，預(yù)先做好防災(zāi)措施。
（2）由于泥石流的復(fù)雜性，本文介紹的方法需要具備以下適用條件：尾礦庫類型為土石壩、尾礦壩為逐漸潰決、尾砂加權(quán)平均粒徑在0.05mm左右、不考慮形成泥石流后與下游河床的物質(zhì)交換、假定下游河槽為矩形。
（3）泥石流淤積遠(yuǎn)端確定、堆積扇上建筑物的阻擋效應(yīng)、更多案例驗證等問題需要在將來的工作中考慮并進(jìn)一步研究。
（4）由于尾礦潰壩泥石流的事故案例有限，且披露不詳，需要收集資料對方案做進(jìn)一步的校核。
[1] 鐘德鈺，王光謙，吳保生.泥沙運(yùn)動的動理學(xué)理論[M].北京：科學(xué)出版
社，2015.
[2] 郭維東，康國亮.庫區(qū)泥沙對潰壩洪水影響分析[J].人民長江，
2011(17).
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