1前言
迄今為止，世界上正在使用的各類尾礦庫超過2萬座[1]，我國目前建有幾千座尾礦庫,星羅棋布于礦區(qū)溝壑山谷之中,數(shù)量多、分布廣,庫容規(guī)模相差很大。初步統(tǒng)計,具有一定規(guī)模的尾礦庫約1500座[2]。尾礦庫一旦潰壩會形成大規(guī)模的尾礦泥石流。尾礦泥石流具有高勢能、流速快的特點(diǎn)，對下游破壞力極強(qiáng)，可摧毀房屋村莊樹木，破壞各種公共交通設(shè)施，尤其是嚴(yán)重危害下游居民的生命安全[2]。由于尾礦泥石流是由粒徑較小的尾礦砂組成，并且尾礦庫所處山區(qū)地形較陡，它所形成的泥石流比一般砂石泥石流流動距離更遠(yuǎn)，破壞力更強(qiáng)[3]。
目前尾礦庫潰壩泥石流演進(jìn)沒有一個成熟可用的數(shù)學(xué)模型對尾礦庫潰壩進(jìn)行模擬分析，針對尾礦庫安全日益嚴(yán)峻的形勢，本文借鑒成熟的泥石流演進(jìn)研究成果及經(jīng)驗(yàn)公式(公式1—公式8 [4][5] [6])，利用工作中常用的工具軟件，采用數(shù)值模擬法對兩種比較常見的尾礦庫潰壩泥石流(下游為平直型山溝和串珠型山溝等多種情況)進(jìn)行簡單計算，提出了一種尾礦庫潰壩泥石流的下游淹沒區(qū)域的簡單計算方法，并在福建某尾礦庫得到實(shí)際驗(yàn)證。本文研究成果對指導(dǎo)礦山企業(yè)對尾礦庫下游安全區(qū)域劃分及日常管理具有重要意義。
2平直型山溝淹沒區(qū)域的計算
以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點(diǎn)，沿尾礦庫所在山溝每隔50—200m(設(shè)置距離根據(jù)溝谷的寬度變化及彎曲程度，平直型溝谷設(shè)置間距大，串珠狀溝谷設(shè)置間距小)設(shè)置一條垂直于溝底的剖面。在計算過程中，溝谷的溝底坡度，溝谷植被如無明顯變化，一般認(rèn)為溝底坡度、粗糙率不變。借助泥石流計算領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)公式，可連續(xù)計算得到尾礦庫潰壩時潰口的平均寬度、尾礦庫壩址處潰壩洪水最大流量、壩址處潰壩泥石流流量、不同計算斷面處的最大泥石流流量。求得尾礦庫下游潰壩泥石流淹沒區(qū)域的關(guān)鍵是求得潰壩泥石流的泥深(水力半徑R)，在潰壩泥石流經(jīng)過的某一斷面上存在關(guān)系式：過流斷面面積(S)=流經(jīng)此斷面的流量(Qml)÷此斷面泥石流流速(Uc)，各斷面的流量可通過經(jīng)驗(yàn)公式計算得。
Uc是水力半徑R的函數(shù)(見公式7)，而各斷面不同水力半徑下的潰壩泥石流過流面積可列表計算(見表3)，然后根據(jù)S=Qml÷Uc，列表計算出水力半徑R(泥深)的值。
在計算過程中，主要用到的工具軟件為Auto CAD和office軟件中的Excel軟件。Auto CAD主要用來對潰壩泥石流流經(jīng)溝谷作垂直于溝底的剖面，以及圈定各斷面不同水力半徑下的過流斷面面積;計算過程主要利用Excel軟件中公式編輯功能及曲線圖功能，對各斷面各參數(shù)進(jìn)行列表計算，并對串珠型溝谷進(jìn)行調(diào)整計算，然后根據(jù)計算結(jié)果作曲線圖。通過對Auto CAD和Excel軟件的利用，大大降低了計算強(qiáng)度，提高了工作效率。
2.1潰壩口平均寬度計算
2.2壩址處潰壩洪水最大流量
2.3壩址處泥石流最大流量
2.4各斷面最大流量計算
2.5下游不同斷面潰壩泥石流流速
2.6各斷面不同水力半徑(R)下的過流面積(S)
以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點(diǎn)，沿尾礦庫所在山溝每隔100m設(shè)置一條垂直于溝底的剖面。將剖面自最低處每隔1m(水力半徑)設(shè)為一層，共設(shè)n層，計算每層面積s及疊加面積S，得出水力半徑與過流斷面面積關(guān)系。
表3不同水力半徑下的過流斷面面積
2.7泥石流深度
根據(jù)關(guān)系式Uc×S=Qml，計算得過流斷面面積S，進(jìn)而計算得水力半徑R，即尾礦庫潰壩泥石流流經(jīng)該截面時的泥石流深度。
表4 某斷面相同水力半徑下的流速與過流斷面的乘積(Q)
當(dāng)上表Qn與該斷面計算得Qml相等時，該Qn欄對應(yīng)的R即為所要求得潰壩泥石流流經(jīng)此斷面處的泥深。
潰壩泥石流在斷面m處的深度H=R，根據(jù)該斷面河槽最低標(biāo)高，可得泥石流的淹沒標(biāo)高，將各斷面求得的淹沒標(biāo)高沿地形線相連，所得的區(qū)域即為潰壩泥石流的淹沒區(qū)域。
3串珠型山溝淹沒區(qū)域的計算
3.1調(diào)整計算原理及原則
串珠型山溝寬度不一，河道彎曲，為了使計算得淹沒標(biāo)高更符合實(shí)際，對各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積進(jìn)行調(diào)整計算，調(diào)整計算原理見下圖。
調(diào)整計算遵循以下原則：
1)串珠型溝谷先按照平直型溝谷計算出各項(xiàng)參數(shù)(過流斷面面積、水力半徑、流量、流速)，然后根據(jù)所得的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整;
2)無論河道寬窄變化，自上游第1剖面開始，Qm一直變小;
3)各參數(shù)的調(diào)整大小根據(jù)斷面變化率進(jìn)行調(diào)整，變化率大，調(diào)整大，變化率小，調(diào)整小;
4)潰壩泥石流在溝谷中流動過程中，各斷面泥石流頂標(biāo)高呈逐漸下降趨勢(泥石流龍頭除外)。
圖1調(diào)整計算原理圖
3.2彎道超高和泥石流沖高
由于串珠型山溝河道存在彎曲，泥石流流經(jīng)彎道和正對山坡流動時會有彎道超高和泥石流沖高，可按下式計算：
3.3外彎道處潰壩泥石流深度H
，根據(jù)該斷面河槽最低標(biāo)高，可得泥石流的淹沒標(biāo)高，將各斷面求得的淹沒標(biāo)高沿地形線相連，所得的區(qū)域即為潰壩泥石流調(diào)整后的淹沒區(qū)域。
4工程應(yīng)用
4.1尾礦庫基本情況
福建某尾礦庫壩底標(biāo)高420.00m，最終堆積標(biāo)高為625m，其總庫容為4781.1萬m3，其最終堆積標(biāo)高時總壩高205m，設(shè)計為二等庫。初期壩為碾壓堆石壩，后期采用尾礦上游法堆壩，堆積壩平均外坡比為1：5，尾礦庫排水系統(tǒng)為排水井—隧道系統(tǒng)，尾礦庫匯水面積為3.992km2，后期設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。
尾礦庫下游600m范圍內(nèi)有49戶居民(已達(dá)成拆遷協(xié)議)，該處居民安全拆遷作為當(dāng)?shù)卣闹攸c(diǎn)工作于2014年6月已啟動，并成立了安全移民專項(xiàng)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，并經(jīng)多方論證，在尾礦庫下游距離初期壩1800米處的山坡上+425米標(biāo)高處劃定了一塊安置房建設(shè)用地，作為拆遷戶安置用地，該地塊已開始了平整工作。
為配合當(dāng)?shù)卣块T更好地組織好尾礦庫下游的安全拆遷工作，同時也為尾礦庫重大事故應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)，需要對尾礦庫潰壩可能產(chǎn)生的最壞后果進(jìn)行一次模擬分析，以確保拆遷安置用地不再位于尾礦庫潰壩的直接影響范圍之內(nèi)。
4.2計算結(jié)果及分析
根據(jù)第2節(jié)與第3節(jié)中計算方法，計算得尾礦庫潰壩泥石流的各項(xiàng)參數(shù)，然后調(diào)整計算得最終結(jié)果，見表5。
表5工程應(yīng)用計算結(jié)果表
根據(jù)調(diào)整計算結(jié)果，彎道處泥深H=R++，各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積曲線見圖2—圖6。
尾礦壩潰決后，潰決平均寬度為200m，洪水和尾礦砂同時下泄，最大洪水下泄流量為3057.75 m3/s，尾礦砂最大下泄流量為13821m3/s。
泥石流首先沿著初期壩下游河溝(流通區(qū))向下游行進(jìn)，到達(dá)溝口處速度為13.48m/s，進(jìn)入堆積區(qū)，由于流通截面積突然變大，因此泥石流流速迅速衰減，流速衰減為4m/s左右，由于流速變慢，尾砂出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。泥石流流經(jīng)彎道時，彎道外圍泥石流面標(biāo)高由于受沖高和彎道超高影響，會高出1—2m。泥石流流拆遷安置點(diǎn)時，泥石流頂面與拆遷安置點(diǎn)地面標(biāo)高有近33m高度差，因此尾礦庫潰壩泥石流對拆遷安置區(qū)無直接影響。
由于堆積區(qū)河溝較粗糙，植被較發(fā)育，且多道彎，能起到降低泥石流動能和勢能的作用，泥石流在堆積區(qū)流進(jìn)過程中會逐漸堆積，流量會逐漸衰減。泥石流淹沒區(qū)域見下圖。
5結(jié)論
尾礦庫潰壩模擬是在經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，對流經(jīng)各計算斷面的不同水力半徑下的過流斷面面積、泥石流流速、流量及流經(jīng)各斷面的泥石流深度(水力半徑)進(jìn)行列表計算，然后根據(jù)串珠型溝谷的特點(diǎn)及調(diào)整計算原則進(jìn)行調(diào)整計算，從而得出與實(shí)際情況較符的泥石流泥深(水力半徑)、流量及流速，從而計算出潰壩泥石流對下游的淹沒區(qū)域。根據(jù)計算結(jié)果，可對尾礦庫下游安全區(qū)劃分、尾礦庫安全管理及應(yīng)急預(yù)案編制起到指導(dǎo)作用。
在計算過程中，溝谷的摩擦系數(shù)與河槽坡度等因素的變化，對結(jié)果都有影響，需進(jìn)一步深入研究。
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聲明：
“簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進(jìn)計算方法研究” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院、長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司
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