尾礦庫潰壩模型設(shè)計及試驗方法

1、【重點關(guān)注】尾礦庫潰壩模型設(shè)計及試驗方法張紅武,劉磊,卜海磊,鐘德鈺(清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京100084摘要:在簡要回顧前人有關(guān)模擬方法研究成果的基礎(chǔ)上,分析了尾礦庫潰壩及其模型試驗的特點,理清了設(shè)計思路,提出了模型相似條件,然后以預備試驗為依托,通過模型尾沙選擇與要求、模型制作、測驗手段等環(huán)節(jié)的研究,進一步論述了尾礦庫潰壩模型的設(shè)計方法與試驗方法。尾礦庫潰壩模型設(shè)計應遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挾沙相似、尾沙懸移相似、河床變形相似及尾沙起動相似等條件;模型沙可選擇容重適中、化學性質(zhì)穩(wěn)定的擬焦沙;模型試驗的工作步驟:給出尾礦庫最可能的潰壩方式及對下游影響最大

2、的典型情況,確定尾礦庫最終高程,選配合適的模型沙,設(shè)計潰壩模型,測出尾礦庫潰壩壩址流量、水位過程線和沖沙率以及向下游的洪水演進情況,提出可行的下游保護方案、工程措施及綜合防治對策,確定尾礦庫最終堆積標高。關(guān)鍵詞:設(shè)計方法;模型試驗;潰壩;尾礦庫中圖分類號:TD221;TV13161文獻標識碼:A doi:103969/jissn1000-1379201112001Test and Design of Tailings Dam ModelZHANG Hong-wu,LIU Lei,BU Hai-lei,ZHONG De-yu(State Key Laboratory of Hydroscienc

3、e 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 the model selection,requirements and tai

4、lings model manufactureThis 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 methodThe results show that:the design of the tailings dam should follow the laws of resistanc

5、e 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 big

6、gest 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 experimentMoreover,the feasible downstream protection solutions,comprehensive preve

7、ntion and control measures are presented in this paperKey words:design method;model test;dam break;tailing dam尾礦庫是一種特殊的工業(yè)建筑物,是礦山企業(yè)最大的環(huán)境保護工程項目,同時也是具有高勢能的人造泥石流危險源。我國為世界礦業(yè)大國,已建尾礦庫約5000座(全世界約有20萬座,總庫容約為50億m3,堆貯尾礦約55億t1。我國尾礦庫數(shù)量之多、庫容之大、壩體之高在世界上都是少見的,更嚴重的是,目前全國尾礦庫中非正常庫比例高達45%,且半數(shù)以上尾礦庫是由沒有專業(yè)資質(zhì)的設(shè)計單位設(shè)計的,大都存在潰

8、壩的風險2。尾礦壩的潰決會帶來巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失,并產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染,是礦山安全的頭等問題。如2008年9月,山西襄汾新塔集團尾礦庫出現(xiàn)的特大尾礦庫潰壩事故,淹沒土地359hm2,造成276人死亡,直接經(jīng)濟損失近億元,引起社會廣泛關(guān)注,此后全國各省(區(qū)、市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局都提高了下游有居民住宅和重要設(shè)施的尾礦庫安全生產(chǎn)許可的準入門檻。對于下游有居民住宅和重要設(shè)施的尾礦庫,為保護群眾生命財產(chǎn)及重要建筑物的安全,需要研究尾礦庫潰壩的淹沒范圍和對下游的影響程度。鑒于在尾礦庫設(shè)計與建設(shè)中,諸如尾礦庫總體布局、潰壩對下游的影響等關(guān)鍵技術(shù)問題,長期缺乏系統(tǒng)、深入的研究,急需借助能夠檢驗不同方案優(yōu)

9、劣的科學研究手段來提高工程論證水平。尤其不同的尾礦庫壩體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成差異很大,潰決機理十分復雜,潰決過程在機理方面很不清晰,完全從理論收稿日期:2011-11-28基金項目:國家自然科學基金重點項目(51039003。作者簡介:張紅武(1958,男,河南淮陽人,教授,博士生導師,研究方向為河流動力學及河流模擬。E-mail:zhhwtsinghuaeducn第33卷第12期人民黃河Vol33,No12 2011年12月YELLOW RIVER Dec,2011上難以給出可靠的潰決模式3,且一般情況下尾礦庫及其下游溝道的邊界條件都相當復雜,用解析法定量分析十分困難,完全從理論上給出的工程設(shè)計與

10、計算成果很難符合實際。而利用試驗手段,又缺乏尾礦庫潰壩模型相似律。為使工程論證與模擬研究接近實際,并使解決該類工程問題時(包括堰塞湖潰決等能按照較為可靠的研究方法,定量掌握尾礦庫壩體的潰決過程及其對下游的影響程度,必須在模擬方法上有所突破。為此,近幾年筆者在開展欒川三強鉬鎢寺院溝尾礦庫潰壩模型等試驗的過程中,對潰壩模擬方法進行了探討。本文在簡要回顧前人成果的基礎(chǔ)上,尾礦庫潰壩模型設(shè)計及試驗方法。1尾礦庫潰壩模擬方法研究現(xiàn)狀在數(shù)值模擬方面,早期一些學者參考一般水力潰壩模型進行了尾礦庫潰壩模擬計算。不過,尾礦庫的潰壩實際同散粒體土壩潰決及堰塞湖潰壩情況相近,同一般水力潰壩差異很大。因而后來較多學者

11、根據(jù)多個尾礦壩的實際潰決資料,參考水力潰壩模型,考慮尾礦的物理力學性質(zhì)及其在流動中的變形,建立尾礦壩潰壩的數(shù)學模型,就尾礦壩潰壩后泥石流對壩下游的影響進行預測45。如袁兵等5為開展數(shù)值計算,根據(jù)多個大壩的實際潰決資料,建立了尾礦壩潰壩的數(shù)學模型,提出了尾礦壩潰壩后泥石流對下游影響的預測方法;陳國芳等分析尾礦庫潰壩事故發(fā)生的機制及可能造成的人員傷亡后,提出了避免事故的對策;朱勇輝等6建立了土壩潰決模型。有些文獻還介紹了國外學者的研究成就。如G E Blight研究了南非5座環(huán)形尾礦壩潰壩情況,得出了尾沙流的運移距離和地表的干濕狀態(tài)有關(guān)的結(jié)論;S Moxon研究了西班牙南部Los Frailes礦

12、尾礦壩發(fā)生的事故,提出了預防潰壩的方法;M Rico等通過收集尾礦壩潰壩事故的資料,并通過歸納總結(jié),建立了尾礦壩壩高、庫容等參數(shù)同因潰壩產(chǎn)生的尾沙流體特性之間的關(guān)系,尤其給出了尾礦壩總庫容與溢出尾礦量以及溢流量與潛在下游最大流動距離之間的關(guān)系。堰塞湖潰決同尾礦庫潰壩相近之處較多,王光謙、鐘德鈺、張紅武等針對唐家山堰塞湖特定的泄流動力學過程,開發(fā)了平面二維水沙數(shù)學模型,擴展了基本方程,考慮了堰塞體形成的河床變形對水流運動的影響,提出了高精度且高效率的邊界跟蹤算法,分析了堰塞湖泄流過程以及堰塞體沖刷發(fā)展的機制。結(jié)果表明,河床變形對泄流影響較大,堰塞體以溯源沖刷為主,計算得到的泄流流量、堰塞湖水位與

13、實際觀測值較為接近7。在模型試驗方面,嚴格的尾礦庫潰壩比尺模擬試驗鮮見報道,現(xiàn)有的河工模型、洪水潰壩模型、滑坡涌浪模型的模擬方法尚難直接應用到尾礦庫潰決模型之中。因潰決后的水沙流動同溝道高含沙洪水及淤地壩潰壩狀況有相近之處,故相關(guān)模擬方法可供借鑒。清華大學黃河研究中心2000年曾以黃土作為模型沙,在大比降水槽中開展了溝道發(fā)育及淤地壩潰壩模型試驗,并采用擬焦沙作為小流域的模型沙,通過降水模擬開展了自然侵蝕與工程治理后的效果比較試驗8。此后,張紅武等910進一步提出土壤侵蝕及溝道壩系的半比尺模型設(shè)計方法:按照幾何相似條件,要求初始地貌與原型相似;為保證侵蝕形態(tài)的相似性,下墊面需要采用模型沙制作裸地

14、模型,其初始含水量同原型相近,且模型降水強度必須大于模型沙相應的臨界雨強;降水歷時遵循重力相似條件;為保證溝道壩系地貌演變相似,模型降水產(chǎn)沙關(guān)系要與原型相對應,應滿足產(chǎn)沙相似條件。為檢驗該方法的合理性,曾利用兩個不同幾何比尺的模型進行了驗證試驗1012?！?·12”汶川地震之后,為預測唐家山堰塞湖、肖家橋堰塞湖潰壩最大流量,張紅武等首次用模型試驗方法,利用現(xiàn)有條件快速制作模型,開展了堰塞湖溢流槽沖刷發(fā)育與泄流過程試驗8,不僅較好地模擬出了潰壩最大流量,而且還預測出了堰塞體潰決后的影響狀態(tài)。該課題組目前正在通過模型試驗,建立高危尾礦壩潰壩幾何參數(shù)同下游影響參數(shù)的關(guān)系,這對潰壩災害的評估

15、和防治有著重要的現(xiàn)實意義,同時對尾礦庫潰壩研究也頗有參考價值。2尾礦庫潰壩模型設(shè)計思路及原理尾礦庫潰壩方式有多種,主要可分為由滑動、管涌、地震、洪水誘發(fā)等。一般尾礦庫堆積邊坡的坡度較緩,并且在多個標高都設(shè)計有水平排滲層和大口輻射井的聯(lián)合排滲,發(fā)生管涌及壩坡穩(wěn)定破壞的幾率很小12。同時,尾礦庫由地震力破壞的可能性一般較小。相對而言,尾礦庫長度較短,調(diào)洪庫容小,地處海拔較高的山溝,突發(fā)的山洪對尾礦庫的安全影響較大,故潰壩模型試驗主要模擬的情況應為尾礦庫排洪系統(tǒng)失去排洪能力及突發(fā)可能最大暴雨洪水漫頂時的潰壩形式。尾礦壩模型試驗過程中,尾礦庫潰壩現(xiàn)象極其復雜,導出的相似關(guān)系往往不相容,因而不得不先拋開

16、相似的一般性,集中研究特殊現(xiàn)象,再利用原型資料對模型進行率定。通常情況下,由于對特殊現(xiàn)象起支配作用的物理法則比一般現(xiàn)象要少,因此相似準則可以放寬,只著重集積效果相似等89。在研究尾礦壩模型的動力相似時,一般選擇主要作用力進行分析。為反映集積效果,可引入宏觀物理量來說明侵蝕現(xiàn)象。此外,尾沙侵蝕所受的影響還有尾沙重力、尾沙的彈性力(可忽略、顆粒的慣性力及外力侵蝕動力。尾礦壩模型試驗中的原型和模型的流體都是水流,進行試驗時,模型的水流在坡面匯集和溝道匯流過程中,紊流得到充分發(fā)展。在水流的流動過程中主要受重力的作用,故主要考慮水流滿足重力相似條件。尾沙受外界擾動而變形的情況與下面的6個力有關(guān):尾沙顆粒

17、的慣性力;尾沙顆粒間的摩擦力;尾沙顆粒間的黏著力;尾沙的重力;尾沙的彈性力;尾沙與外界的黏結(jié)力。另外,摩擦力、黏著力、黏結(jié)力、彈性力還受到尾沙變形及其速率、土與外界黏結(jié)面的幾何形狀等因素的影響。多數(shù)情況下,由于尾沙的彈性力很小,變形速度的影響也很小,因此這兩種因素都可以忽略。只要在模型中使用與原型特性相近的材料,使其應力和壓力相等就可以了。一般尾沙顆粒較粗,作用于顆粒間的黏著力與重力及摩擦力相比可以忽略。為使模型尾沙的內(nèi)摩擦系數(shù)與原型尾沙相等,往往放棄顆粒的幾何相似條件。由于在尾沙變形過程中顆粒運動的集積效果才是研究的對象,因此每個顆粒的幾何相似條件可放寬。溝道水流主要是紊流,起支配作用的物理

18、法則是水的慣性和重力,黏性起次要作用,且由于慣性力主要作用于水平方向上,重力作用于垂直方向上,因此可對這兩個方向分別求相似準則。進一步講,溝道中往往形成高含沙水流,從而需要按照高含沙洪水模型相似律進行設(shè)計13,以滿足水流運動相似、尾沙運動相似(懸移相似、挾沙相似及溝道變形相似等。把尾礦庫尾沙沖刷量和下游各區(qū)域淹沒范圍及泥沙淹沒深度等潰壩后出現(xiàn)的現(xiàn)象按空間來分割,各部分由各自的物理法則來支配,從而能使相似法則放寬。在尾礦庫潰壩和防治的試驗模擬過程中,筆者感興趣的并不是單個尾礦顆粒和水流的運動軌跡,而是它的集積效果。例如,在研究尾礦庫下游擬保護設(shè)施方案、建筑的工程措施時,其主要內(nèi)容是把握最不利條件

19、下尾礦庫潰壩后下游防護方案或工程措施施加的效果,因此可以把尾礦庫潰壩及對下游沖淤現(xiàn)象的整體性能作為研究對象,在技術(shù)上進行簡化,使方法具有實用價值。基于上述認識,筆者對于具體的尾礦庫工程潰壩模型,首先按原型流域地貌資料及幾何相似條件,采用模型沙制作尾礦庫模型。鑒于尾礦庫尾沙堆積及蓄水狀態(tài)決定了潰壩后的后續(xù)動力條件與洪水含沙濃度,建庫之前的溝道邊界條件也顯得十分重要,故模型制作時必須先把尾礦庫最大壩高相應等高線范圍內(nèi)上游的天然地形全部塑造出來(一般做成定床,采用模型尾沙制作的尾礦壩是按照原型筑壩形式在天然溝道邊界上做成的,故需將尾礦壩壩面與溝道接合處做出來。至于壩下游,需按照初估的潰壩淹沒影響范圍

20、并留有一定余地后,將尾礦庫下游各區(qū)域及擬保護設(shè)施、建筑物縮制出來,尤其要著重將尾礦庫下游溝口以外的溝道、居民村莊及其重要建筑物縮制出來。在一般的正態(tài)動床模型的制作過程中,模型糙率要求較小而常常不能滿足相似條件。但尾礦庫潰壩常發(fā)生在植被較為茂盛的夏季,原型溝道糙率較大,且潰壩后溝道糙率主要取決于沿程堆積的尾沙形態(tài),因此在模型上可能近似滿足水流阻力相似條件。同時,因為原型尾礦庫下游在存在植被后抗蝕對應的臨界流速較大,所以在模擬尾礦庫潰壩對下游沖刷時還使溝道的起動相似條件偏離不大。由于主要模擬潰壩后尾沙的沿程堆積狀況,因此可將壩下游溝道及相應影響范圍做成定床。尾礦庫在高水位運行工況下潰壩形成泥流后對

21、下游的淹沒范圍和影響程度最大,而泥流與高含沙水流運動在物理特性和運動特性方面存在較多雷同14。從學科上講,泥石流也屬于高含沙水流這一學科范疇15,故尾礦庫潰壩模型可參照黃河模型相似律13,同時參考清華大學黃河研究中心近幾年對淤地壩及四川堰塞湖模擬試驗的新進展8,給出尾礦庫潰壩模型相似條件,作為本模型設(shè)計的基礎(chǔ)。3模型相似條件及試驗方法31模型相似條件尾礦庫潰壩過程及其下游洪水運動包括壩面侵蝕和溝道水沙匯集、流動過程,因此應進行正態(tài)模型試驗。鑒于尾礦庫潰壩過程十分復雜,其模型屬于超常規(guī)試驗,因而還必須參照多沙河流模型研究成果,參照張紅武等13提出的高含沙洪水模型相似律,同時參考筆者近幾年對淤地壩

22、及四川堰塞湖潰壩模擬試驗的新進展。本次試驗研究給出的尾礦庫潰壩模型水流重力相似條件為v=槡H(1水流阻力相似條件為n=1v2/3H1/2J=1/6H(2水流挾沙相似條件為S=S*(3尾沙懸移相似條件為=v(4河床變形相似條件:t2=0St1(5尾沙起動相似條件為vc=v(6式中:v為水流流速比尺;n為糙率比尺;s為水流含沙量比尺;s*為水流挾沙能力比尺,一般按文獻13給出的公式計算,而對于粒徑較大的尾沙,可按文獻16給出的推移質(zhì)輸沙率公式進行相似性分析;t1為水流運動時間比尺;t2為河床沖淤變形時間比尺;0為淤積物干容重比尺;v c為泥沙起動流速比尺,可由文獻17給出的公式進行計算。此外,為保

23、證模型與原型水流流態(tài)相似,還需滿足如下兩個限制條件。一是流態(tài)限制條件(充分紊流,Rem為模型雷諾數(shù):Rem2000(7二是表面張力限制條件(hm為模型水深:hm15cm(8 32模型尾沙選擇與要求尾礦模型沙的選擇對于正確模擬原型尾礦庫潰壩后尾沙的運動規(guī)律具有關(guān)鍵作用。尾礦潰壩時因不存在基巖而難定出滑床與滑帶位置,表明滑動面不是固定的,故尾礦庫模型做的選擇對材料特性等方面的要求更高。原型尾沙筑壩后,尾沙不能視為單個顆粒,因而若不考慮尾沙顆粒的相似性而采用原型尾沙作為模型尾沙,不僅放棄了尾沙顆粒本身的相似性,而且因尾沙結(jié)構(gòu)與特性同原型的差異而顯著影響了尾沙侵蝕率的相似性。這也說明選取其他材料作為模

24、型尾沙的做法不應該受到排擠甚至是頗有前途的。根據(jù)初步研究,要求模擬材料與原型材料在主要的物理、力學性質(zhì)方面有較好的相似性或相同性。具體而言,應滿足五方面條件:滲透性、變形性質(zhì)和強度性質(zhì)同尾礦材料相同;物理、力學性質(zhì)穩(wěn)定,在大氣溫度、濕度發(fā)生變化時不致產(chǎn)生大的影響;尾礦壩壩體制作成型后不會發(fā)生大的收縮、膨脹等變形;在考慮尾礦庫潰壩前滑坡的自重影響時,模型材料需有相應的容重,不宜過分追求某些相似條件而選擇輕質(zhì)沙;尾礦庫模型沙應滿足原型滑塌位移突發(fā)性和泥流的運動特性。為此,可以選擇容重適中、化學性質(zhì)穩(wěn)定的擬焦沙作為尾礦庫潰壩模型試驗的模型沙。擬焦沙孔隙介質(zhì)特性及表觀形貌同原型尾沙頗為相近,其容重s=

25、19t/m3,若取天然尾沙s=270t/m3,則其容重比尺s=142,水下容重比尺s= 189。根據(jù)尾礦模型沙沉積過程試驗及環(huán)刀取樣結(jié)果,測得干容重約為09t/m3。為使尾礦壩模型在滲透性、變形性質(zhì)和強度性質(zhì)等方面同原型相似,通過水力分選將模型沙不均勻系數(shù)及滲透系數(shù)控制在要求的范圍之中。含沙水流隨著其中泥沙顆粒體積濃度的增加,流型由牛頓體逐漸過渡到非牛頓體。在一般情況下,高含沙泥漿常?？梢越频赜觅e漢模型來表達。該模型的流變參數(shù)包括剛度系數(shù)s及賓漢極限剪切力B15。前者與牛頓體的黏滯系數(shù)m相當,渾水黏滯系數(shù)m的確定方法完全適用于賓漢體的剛度系數(shù),只需把m 改為s即可。至于后者,很多學者認為,泥

26、漿中細顆粒的絮凝作用是產(chǎn)生B的主要原因。這些細顆粒在帶有離子的水中形成絮團,具有一定的抗剪能力。唐存本進一步認為,B的形成主要原因是顆粒之間能夠形成一個有聯(lián)系的結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)又是由顆粒之間的黏結(jié)力聯(lián)系起來的?，F(xiàn)有文獻介紹的計算B的公式,除唐存本引用黏性顆粒黏結(jié)力的概念及一些試驗成果給出的公式屬于半經(jīng)驗半理論性外,大都是依據(jù)一定試樣的試驗結(jié)果得到的15。由于含沙量的存在對水流的黏滯系數(shù)、水流的紊動強度、摩阻損失乃至流態(tài)等都有影響,因此不僅模型尾沙材料容重不能過小,而且含沙量比尺也不宜過大或過小,以免含沙量的影響在模型與原型的流動中差別過大13。隨著含沙量的加大,顆粒之間的接觸逐漸增多,水流黏性

27、增大,當體積含沙量為015 020kg/m3時,試驗中的流態(tài)已難以保證為充分紊流,當含沙量繼續(xù)增大后,流態(tài)甚至變?yōu)閷恿?。這表明采用輕質(zhì)沙容易使模型水流中的固液體積比相對于原型嚴重失真,這就會因固體顆粒間相互作用顯著而致使模型連流態(tài)相似也不能做到。為保證潰壩后泥流固液體積比相對于原型不失真,不至于因固體顆粒間相互作用顯著而導致模型流態(tài)不相似,需要滿足體積比含沙量比尺等于1,即S V=1,從而表示為S=S(9另一方面,為使壩面單位面積或單位體積尾礦沙塌失量與幾何相似對應,又需使含沙量比尺同干容重比尺接近。33預備試驗及模型試驗的工作步驟為掌握試驗方法,檢驗模型沙是否適應尾礦潰壩模擬,同時探索模型壩

28、體密實度及壩體施工方式對模擬潰壩的影響,利用水槽開展了4個組次的尾礦庫潰壩模擬預備試驗。選取的模型尾沙容重為19t/m3,堆積壩壩坡比取120 135。試驗過程中發(fā)現(xiàn):尾礦庫不同浸潤線狀態(tài)對壩坡穩(wěn)定性有較大影響,因而模型試驗之前應保證浸潤線狀態(tài)的相似性;水流漫頂后壩面出現(xiàn)沖溝并逐漸形成臨空面,呈階梯狀跳躍式發(fā)展,在水流沖刷、側(cè)向淘蝕作用下,溝槽側(cè)向被淘蝕成凹壁狀,隨后在重力、壩體飽和水外滲等作用下部分壩體失穩(wěn)形成坍塌,甚至出現(xiàn)大塊壩體側(cè)向傾倒;尾礦庫壩坡大小對壩體穩(wěn)定性及潰壩后的形態(tài)以及潰壩洪水狀況影響甚大,堆積壩壩坡比12尾礦庫潰壩前往往壩坡大面積沼澤化引起管涌,受滑坡的自重影響,壩體穩(wěn)定性

29、差(同近幾年鎮(zhèn)安金礦、襄汾鐵礦尾礦庫潰壩情況相近,其堆積壩坡均小于12,潰壩原因均屬于管涌破壞和壩坡失穩(wěn),從而在潰壩最大洪峰流量不大時,壩址下游即形成堆積扇形態(tài),而壩坡比為135時潰壩洪峰過程有所減緩,因此必須采用正態(tài)模型開展試驗;為反映自重影響,尾礦模型沙容重不能小于15t/m3,尾礦庫堆積壩壩坡比為12且壩體接近飽和狀態(tài)時上部坡體曾在自重作用下,在壩頂處產(chǎn)生了拉裂縫,甚至在孔隙水壓力與自重力作用下發(fā)生整體變形而向下游滑移,并出現(xiàn)突然潰壩現(xiàn)象;尾礦沙級配組成對潰壩后的壩體坍塌形態(tài)影響很大,細顆粒含量較大時坍塌寬度相對較小,故模型沙級配也是影響相似性的重要因素之一;尾礦堆積壩密實度對壩體穩(wěn)定性

30、有較大影響,因而模型壩體制作也應注意施工密實度對壩坡穩(wěn)定相似性的影響。根據(jù)初步經(jīng)驗,一般情況下,尾礦庫潰壩模型試驗的工作步驟可歸納如下:(1通過現(xiàn)場調(diào)研和同委托或設(shè)計單位共同會商分析,給出尾礦庫最可能的潰壩方式及對下游影響最大的典型情況。(2根據(jù)所提供的庫區(qū)及下游地形圖及局部建筑物圖紙,在現(xiàn)有堆積壩頂標高的基礎(chǔ)上,按平均堆積邊坡向上游堆積,確定尾礦庫最終高程。由于尾礦庫所處河溝一般較短,庫尾即為河溝的尾部,因此隨著堆積壩的上升,匯水面積越來越小。由于尾礦庫庫區(qū)和下游溝道地形對潰壩過程有一定的抑制作用,同時庫內(nèi)沉積灘以上有限的水量使?jié)芜^程與水庫潰壩不同,有一定的能量制約等多種外界條件,因此在模

31、擬尾礦庫潰壩時,必須將相應的邊界條件控制好。由上述因素及試驗場地條件確定幾何比尺。(3根據(jù)尾礦庫潰壩模型相似律,選配適合原型模擬的模型沙設(shè)計尾礦庫潰壩模型,按原型及幾何比尺縮制模型。(4通過模型試驗,測出尾礦庫潰壩壩址流量、水位過程線和沖沙率以及向下游的洪水演進情況,得出各特征區(qū)域的流量、水位、流速、波前和洪峰到達時間、泥沙淹沒深度等。(5通過模型對尾礦庫潰壩進行風險分析,進一步開展保守性試驗,量測尾沙庫尾沙沖刷量和下游各區(qū)域淹沒范圍,提出可行的下游保護方案、工程措施及綜合防治對策。(6通過模型試驗,最后確定適宜的尾礦庫最終堆積標高。34模型試驗測驗手段尾礦庫潰壩試驗首先關(guān)心流量、水位變化過程

32、,再關(guān)心流速變化、影響范圍、潰壩沖塌量等。因而可用攝像設(shè)備對試驗過程進行全程詳細記錄。潰壩流量是通過流速測量來推算的,而平均流速又主要通過所測表面流速反求的,再結(jié)合斷面形態(tài)資料即可求出某斷面流量。某時刻表面流速分布主要采用筆者開發(fā)的表面流速自動觀測系統(tǒng)測量。在試驗時,將示蹤顆粒均勻撒布在水流表面并使其跟隨泥流運動,攝像鏡頭安裝于模型流場的上方并通過視頻同步器實現(xiàn)外同步,攝像機拍攝的表面流場的圖像信號通過視頻線傳輸至計算機圖像采集卡進行分析處理,得到平面流場。依據(jù)表面流場值用高含沙垂線流速分布公式換算出平均流速。可用下式將潰壩模型表面流速場測驗資料換算成垂線平均流速13,18:u=vcp1785

33、槡gC+667槡gC1z(hz槡h+arcsin z槡 h(10式中:u為垂線上某一點流速;vcp為垂線平均流速;C為謝才系數(shù);z/h為相對水深。相對于傳統(tǒng)的對數(shù)流速分布公式,式(10在近底流區(qū)也能近似適用,克服了傳統(tǒng)的對數(shù)流速分布公式在z/h很小時出現(xiàn)偏小甚至為負值的缺陷。此外,由式(10可以看出,水面處d u/d z=0,顯然不會出現(xiàn)傳統(tǒng)公式在水面處剪切力為最小值而流速不是最大值的矛盾。將z/h=1代入式(10,可得出垂線平均流速vcp 同表面流速um的關(guān)系式為:vcp=um(1+262槡g/C1(11針對潰壩流速及水位,除在關(guān)鍵部位利用非接觸式儀器進行跟蹤測量外,更大范圍的水位可在試驗之

34、前先用水準儀測量幾個參考點,再通過攝像頭拍攝的每一時刻洪水淹沒部位反求出水位。對于潰壩后壩面的沖淤形態(tài),可通過干涉圖像來求尾礦變形過程,并采用大連理工大學研制的地貌觀測系統(tǒng)測量尾礦壩塌失量,以此求出尾沙沖刷量。4結(jié)語動床模型試驗是論證尾礦庫潰壩影響的最重要科學手段。筆者在前人研究基礎(chǔ)上,以尾礦庫潰壩特點分析與預備試驗為依托,通過尾礦庫潰壩模型設(shè)計思路及原理、模型相似條件、模型尾沙選擇與要求、模型試驗工作步驟、模型測驗手段等方面的分析,提出了尾礦庫潰壩模型的設(shè)計與試驗方法。限于篇幅,有關(guān)尾礦庫潰壩模型設(shè)計方法的檢驗將另文介紹。參考文獻:1田文旗,薛劍光尾礦庫安全技術(shù)與管理M北京:煤炭工業(yè)出版社,

35、20062魏作安,沈樓燕,李東偉,等探討尾礦庫設(shè)計領(lǐng)域中存在的問題J中國礦業(yè),2003(12:60623陳青尾礦壩設(shè)計手冊M北京:冶金工業(yè)出版社,20074陳青生,孫建華礦山尾礦庫潰壩沙流的計算模擬J河海大學學報,1995(5:991055袁兵,王飛躍,金永健,等尾礦壩潰壩模型研究及應用J中國安全科學學報,2008(4:1691726朱勇輝,廖鴻志,吳中如土壩潰決模型及其發(fā)展J水力發(fā)電學報,2003(2:31387王光謙,鐘德鈺,張紅武,等汶川地震唐家山堰塞湖泄流過程的數(shù)值模擬J科學通報,2008(12:312731338張紅武,徐向舟,張歐陽,等黃土高原溝道壩系模型設(shè)計方法J人民黃河,200

36、5,27(12:129Hu D C,Zhang H W,Zhong D YProperties of the EulerianLagrangian meth-od using linear interpolators in a threedimensional shallow water model using zlevel coordinatesJInternational Journal of Computational Fluid Dynamics, 2009(3:27128410張紅武,徐向舟,吳騰,等黃土高原溝道壩系模型設(shè)計實例與驗證J人民黃河,2006,28(1:4511Xu X Z,Zhang H W,Wang G Q,et alAn experimental