CN111931275A - 一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法，首先根据坝体材料力学参数、上下游水位等信息对尾矿坝进行二维渗透稳定分析，初步拟定渗透通道位置；再构建尾矿坝渗透破坏溃口发展数值模型，模拟渗透破坏溃口发展过程并确定渗透通道垮塌的临界条件；最后利用流体力学分析软件对渗透通道垮塌后的漫顶溃决过程进行模拟，从而实现对整个尾矿库坝身渗透破坏过程的动态模拟。该方法具有针对性强、成本低、易操作、结果可视化好等优点，能够获取尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝下游受灾具体情况，为政府决策部门及相关设计单位科学合理地制定尾矿库溃决应急预案及抢险与补救措施提供依据，从而减轻因尾矿库溃决造成的损失，降低事故风险。

Description

一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法

技术领域

本发明涉及尾矿库溃坝过程模拟方法，特别涉及一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法。

背景技术

尾矿库是矿山工程中用以堆存选矿厂排出的尾矿的专门场所。由于尾矿中含有选矿时残留的各种化学药剂以及各种重金属成分，尾矿库一旦发生溃坝，不可避免地成为重大的环境污染源，对下游居民生命财产安全和生态环境构成巨大的威胁。

尾矿坝是尾矿库的关键构筑物之一，它由初期坝和堆积坝构成，作用是拦挡和沉积尾矿库中的尾矿。由于尾矿坝功能的特殊性，一旦发生溃坝，将对下游居民生命财产安全、生态环境造成难以估量且无法挽回的损失。尾矿坝的破坏模式主要有渗透破坏、洪水漫顶、坝坡失稳、地震液化等。据统计，1960年至2010年间，我国共发生31起尾矿库溃坝事故，其中由坝身渗透破坏导致的溃坝事故占事故总数的13％。造成尾矿坝渗透破坏的因素有很多，包括排渗设施故障、干滩长度过短、连续强降雨和尾矿坝堆积质量差等。尾矿坝发生渗透破坏征兆并不明显，难以察觉，具有很强的突发性。因坝身渗透破坏导致的溃坝事故一旦发生，往往难以及时做出抢险与补救措施。

目前国内外对尾矿库溃坝过程模拟的研究主要针对于洪水漫顶破坏，对由坝身渗透破坏引起的溃坝过程研究较少。但是坝身渗透破坏引起的溃坝相较于洪水漫顶破坏，溃坝时间更短、突发性更强、危害性更大。如果采用尾矿库洪水漫顶溃坝的模拟方法来研究坝身渗透破坏引起的溃坝模式，可能导致对尾矿库下游受灾情况的不准确预测，造成重大的安全隐患。因此，有必要针对尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程进行动态模拟，实时监测尾矿库溃坝过程中溃口流量、尾矿流速、下泄量以及下游居民区、农田等关键区域的淹没深度和范围等信息的演变过程，进而可有效预测由坝身渗透破坏引起的尾矿库溃坝事故所造成的下游受灾情况。这将为政府决策部门及相关设计单位综合考虑多种尾矿库破坏模式，科学合理地制定尾矿库溃决应急预案及抢险与补救措施提供依据，达到减轻因尾矿库溃决造成的损失，降低事故风险的目的。

发明内容

本发明提供一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟的方法，针对尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝实现全过程动态模拟，并获取下游关键点的淹没深度、流量、流速、下泄尾砂冲击力等重要信息。该方法具有针对性强、成本低、易操作、结果可视化好等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法，包括如下步骤：

(1)获取基础数据：所述基础数据包括尾矿坝筑坝材料的容重、黏聚力、内摩擦角等材料力学参数及渗透系数；尾矿库的水文资料；坝高、坝顶宽度、坝坡坡度等；尾矿库及下游三公里的地形数据(地形图或者DEM数据高程模型文件)。

(2)尾矿坝二维渗流稳定分析：

根据尾矿坝剖面图、坝体材料力学参数、上下游水位等信息在岩土工程分析软件SEEP/W中建立尾矿坝二维渗流稳定分析模型，分析计算得到尾矿坝浸润线位置，并以此为依据拟定初始渗透通道的位置。

(3)初始渗透通道的拟定：

渗透通道的形成原理是筑坝土体中细颗粒在渗透水的作用下被水流带走或冲出，其发生位置具有很强的不确定性，因此较难从理论上确定初始渗透通道的发生位置。考虑到浸润线以下的土体受到水的渗透力作用，这里假定渗透通道位于坝体浸润线偏下1m左右，为不失一般性，渗透通道设置于坝体中间部位，且渗透通道截面形状假定为圆形。

(4)渗透通道的发展过程模拟：

基于尾矿坝渗透破坏溃口发展数值模型，采用分时段迭代的方法模拟渗透通道的发展过程。输入渗透通道位置和初始半径、上游水位与渗透通道逸出点的高度差、筑坝土体的物理力学参数等初始条件，计算出渗透通道半径、渗透通道流量、上游水位等随时间的变化关系。

(5)渗透通道垮塌临界条件的确定：

随着时间的推移，渗透通道半径在水流的冲蚀下不断增大，其上部土体自重也随之增大。当渗透通道上部土体的抗剪强度不足以支撑土体自重，表明达到渗透通道垮塌的临界条件，渗透通道坍塌，判别公式如下。此后，尾矿库溃坝模式演变为漫顶溃决。

W＞2τ_fLy_c

式中：W为坍塌土体重量；τ_f为坍塌土体两侧抗剪强度；L为渗透通道长度；y_c为坍塌土体垂向尺寸。

(6)溃坝过程模拟：

记录渗透通道垮塌时的渗透通道半径，利用三维建模软件Civil-3D建立渗透通道垮塌后的尾矿坝三维模型及尾矿库下游三维地形模型，将其导入流体力学分析软件Flow-3D中，建立尾矿库漫顶溃坝计算模型，进行尾矿库漫顶溃坝过程的动态模拟，并得到溃坝淹没范围、尾矿坝下游居民区、农田、河流等关键区域的淹没深度、下泄尾矿砂流流速、流量信息。

本发明的特点是，提供一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法，区别于其他溃坝模式，针对尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝模式实现全过程动态模拟，并得到该溃坝模式下尾矿库下游的受灾具体情况。

附图说明

附图1为本发明的方法的实施流程图。

附图2为渗透通道位置拟定示意图。

附图3为渗透通道垮塌示意图。

附图4为渗透通道冲蚀扩展示意图。

附图5为渗透通道垮塌后的尾矿坝三维模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

1.获取基础数据：所述基础数据包括尾矿坝筑坝材料的容重、黏聚力、内摩擦角等材料力学参数及渗透系数；尾矿库的水文资料；坝高、坝顶宽度、坝坡坡度等；尾矿库及下游三公里的地形数据(地形图或者DEM数据高程模型文件)。

2.尾矿坝二维渗流分析：如图2所示，根据尾矿坝剖面图、坝体材料力学参数、上下游水位等信息在岩土工程分析软件SEEP/W中建立尾矿坝二维渗流稳定分析模型，分析计算得到尾矿坝浸润线位置，以此为依据拟定初始渗透通道的位置。

3.初始渗透通道的拟定：渗透通道的形成原理是筑坝土体中细颗粒在渗透水的作用下被水流带走或冲出，其发生位置具有很强的不确定性，因此较难从理论上确定初始渗透通道的发生位置。考虑到浸润线以下的土体受到渗透水的渗透力作用，这里假定渗透通道位于坝体浸润线偏下1m左右，为不失一般性，渗透通道设置于坝体中间部位，且渗透通道截面假定为圆形，渗透通道初始直径设置为0.02m(如图2、3所示)。

4.计算时间步长的确定：采用分时段迭代的方法计算求解渗透通道发展过程数值模型。设置渗透破坏发生时间t＝0，考虑到尾矿库溃坝历时一般在0.5h～3h，为保证计算效率和计算精度，设置计算时间步长Δt＝10s。

5.渗透通道内泥沙颗粒起动条件的确定：按照公式(1)计算渗透通道内的土颗粒临界启动速度v_c，按照公式(2)计算渗透通道内流体的流速v。并判断是否满足土颗粒临界启动条件，若满足v>v_c，则表明土颗粒满足起动条件；若v<v_c，则表明土颗粒不会被渗透水冲刷，渗透通道发展停止。

式中：d为土颗粒代表粒径；γ_w为水的重度；γ_s为土颗粒的重度；

为土颗粒间的内摩擦角；W′为土颗粒的浮重力；θ为渗透通道的倾角；c为土颗粒间的黏聚力；μ为流速系数；h为上游水位与渗透通道逸出点的高度差；g为重力加速度。

6.渗透通道发展过程计算：采用公式(3)计算渗透通道内土体冲蚀率Q_s，按照公式(4)根据土体冲蚀率计算计算时间步长内渗透通道半径增量ΔR，如图4所示。

式中：v^*为摩阻流速；γ_s为土颗粒重度；R为渗透通道半径；n为筑坝材料孔隙率。7.库水位计算：根据公式(5)计算尾矿库在不同时间段内的库水量，查阅尾矿库相关工程资料，获取在一定尾矿堆存量条件下，不同库水量所对应的库水位。随着库内水通过渗透通道持续下泄，若入库流量小于下泄流量，库内水位便会下降，渗透通道内水流流速也随之下降，若流速降低至渗透通道内土颗粒临界起动速度以下，则渗透通道发展停止。

式中：V₀为初始库水量；V_n为第n个计算时间步长之后的库水量；Q_an为第n个计算时间步长内的入库流量；Q_bn为第n个计算时间步长内通过渗透通道的下泄流量。

7.渗透通道垮塌临界条件的确定：如图3所示，当渗透通道上部土体的抗剪强度不足以支撑土体自重时，渗透通道上部土体发生坍塌，公式(6)为渗透通道垮塌的判别条件。若满足判别条件，则溃坝模式演变为漫顶溃决；反之，则渗透通道继续发展。

W＞2τ_fLy_c (6)

式中：W为坍塌土体重量；τ_f为坍塌土体两侧抗剪强度；L为渗透通道长度；y_c为坍塌土体垂向尺寸。

8.尾矿坝模型的构建：记录渗透通道垮塌后的渗透通道半径，利用三维建模软件Civil-3D建立渗透通道垮塌后的尾矿坝三维模型，如图5所示。

9.溃坝过程模拟：将在Civil-3D中建立的尾矿坝三维模型和地形模型导入流体力学分析软件Flow-3D中。根据现场试验或工程类比确定所需参数，基于Flow-3D中的泥沙冲刷物理模型进行尾矿坝漫顶溃决过程模拟，并得到尾矿坝溃坝后下游溃坝淹没范围以及居民区、农田、河流等关键区域的淹没深度、下泄尾矿砂流流速、流量、泥沙淤积厚度等重要信息。

Claims (1)

1.一种尾矿库坝身渗透破坏引起的溃坝过程模拟方法，其特征主要如下：

(1)获取基础数据：

所述基础数据包括尾矿坝筑坝材料的容重、黏聚力、内摩擦角的材料力学参数及渗透系数；尾矿库的水文资料；坝高、坝顶宽度、坝坡坡度；尾矿库及下游三公里的地形数据；

(2)尾矿坝二维渗流稳定分析：

根据尾矿坝剖面图、坝体材料力学参数、上下游水位等信息在岩土工程分析软件SEEP/W中建立尾矿坝二维渗流稳定分析模型，分析计算得到尾矿坝浸润线位置，并以此为依据拟定初始渗透通道的位置；

(3)初始渗透通道的拟定：

考虑到浸润线以下的土体受到水的渗透力作用，假定渗透通道位于坝体浸润线偏下1m左右，渗透通道设置于坝体中间部位，且渗透通道截面形状假定为圆形；

(4)渗透通道的发展过程模拟：

基于尾矿坝渗透破坏溃口发展数值模型，采用分时段迭代的方法模拟渗透通道的发展过程；输入渗透通道位置和初始半径、上游水位与渗透通道逸出点的高度差、筑坝土体的物理力学参数的初始条件，计算出渗透通道半径、渗透通道流量、上游水位等随时间的变化关系；

(5)渗透通道垮塌临界条件的确定：

随着时间的推移，渗透通道半径在水流的冲蚀下不断增大，其上部土体自重也随之增大；当渗透通道上部土体的抗剪强度不足以支撑土体自重，表明达到渗透通道垮塌的临界条件，渗透通道坍塌，判别公式如下，此后，尾矿库溃坝模式由渗透破坏演变为漫顶溃决；

W＞2τ_fLy_c

式中：W为坍塌土体重量；τ_f为坍塌土体两侧抗剪强度；L为渗透通道长度；y_c为坍塌土体垂向尺寸；

(6)溃坝过程模拟：

记录渗透通道垮塌时的渗透通道半径，利用三维建模软件Civil-3D建立渗透通道垮塌后的尾矿坝三维模型及尾矿库下游三维地形模型，将其导入流体力学分析软件Flow-3D中，建立尾矿库漫顶溃坝计算模型，进行尾矿库漫顶溃坝过程的动态模拟，并得到溃坝淹没范围、尾矿坝下游居民区、农田、河流等关键区域的淹没深度、下泄尾矿砂流流速、流量信息。

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