尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法概要

1、【重點(diǎn)關(guān)注】尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法張紅武，劉磊，卜海磊,鐘德鈺(清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084摘要:在簡(jiǎn)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(kù)潰壩及其 模型試驗(yàn)的特點(diǎn)，理清了設(shè)計(jì)思路，提出了模型相似條件，然后以預(yù)備試驗(yàn)為依托，通過(guò) 模型尾沙選擇與要求、模型制作、測(cè)驗(yàn)手段等環(huán)節(jié)的研究，進(jìn)一步論述了尾礦庫(kù)潰壩模型的設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)方法。尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)應(yīng)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(dòng)相似等條件；模型沙可選擇容重適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的擬焦沙；模型試驗(yàn)的工作步驟：給出尾礦庫(kù)最 可能的潰壩方式及對(duì)下游

2、影響最大的典型情況，確定尾礦庫(kù)最終高程，選配合適的模 型沙,設(shè)計(jì)潰壩模型，測(cè)出尾礦庫(kù)潰壩壩址流量、水位過(guò)程線(xiàn)和沖沙率以及向下游的 洪水演進(jìn)情況，提出可行的下游保護(hù)方案、工程措施及綜合防治對(duì)策，確定尾礦庫(kù)最終堆積標(biāo)咼。關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)方法;模型試驗(yàn);潰壩;尾礦庫(kù)中圖分類(lèi)號(hào):TD221;TV131 . 61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A doi:10 . 3969/j. issn. 10001379. 2011. 12. 001Test and Desig n of Taili ngs Dam ModelZHANG Hon g-wu,LIU Lei,BU Hai-lei,ZHONG De-yu(State Key

3、Laboratory of Hydroscie nee and Engin eeri ng Departme nt of HydraulicEngin eeri ng,Ts in ghua Un iversity,Beiji ng100084,Chi naAbstract:Based on the model test,further diseussi ons about the desig n method of the taili ngs dam failure model and the test method was prese nted in this paper through t

4、he model select ion ,requireme nts and taili ngs model manu facture This paper an alyzed the characteristics and the model test of the tailing dam,and presented a model similar con diti ons based on the achieveme nts of previous research about simulati on method. The results show that:the design of

5、the tailings dam should follow the laws of resistance similar,water sediment carrying capacity similar,tailings sediment similar,bed deformatio n similar and sedime nt in cipie nt moti on similar;the sedime nt of which the bulk density is light and the chemical stability is good can be chosen as the

6、 model sedime nt;the most ability dam-burst ing mode,the biggest impact on dow nstream 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 experime nt. Moreover,

7、the feasible dow nstream protect ion soluti on s,comprehe nsive preve nti on and con trol measures are prese nted in this paperKey words:desig n method;model test;dam break;taili ng dam尾礦庫(kù)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(hù)工程項(xiàng)目，同時(shí)也 是具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源。我國(guó)為世界礦業(yè)大國(guó)，已建尾礦庫(kù)約5000座（全世界約有20萬(wàn)座，總庫(kù)容約為50億m3,堆貯尾礦約55億t1。我國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量 之

8、多、庫(kù)容之大、壩體之高在世界上都是少見(jiàn)的，更嚴(yán)重的是，目前全國(guó)尾礦庫(kù)中非 正常庫(kù)比例高達(dá)45%,且半數(shù)以上尾礦庫(kù)是由沒(méi)有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的，大都存在潰壩的風(fēng)險(xiǎn)2。尾礦壩的潰決會(huì)帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，是礦山安全的頭等問(wèn)題。女口 2008年9月，山西襄汾新塔集團(tuán)尾礦庫(kù)出現(xiàn) 的特大尾礦庫(kù)潰壩事故，淹沒(méi)土地35. 9hm2,造成276人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失近億元， 引起社會(huì)廣泛關(guān)注，此后全國(guó)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(kù)安全生產(chǎn)許可的準(zhǔn)入門(mén)檻。對(duì)于下游有居民住宅和重要設(shè) 施的尾礦庫(kù)，為保護(hù)群眾生命財(cái)產(chǎn)及重要建筑物的安全，需要研

9、究尾礦庫(kù)潰壩的淹沒(méi) 范圍和對(duì)下游的影響程度。鑒于在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)與建設(shè)中，諸如尾礦庫(kù)總體布局、潰壩對(duì)下游的影響等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)、深入的研究，急需借助能夠檢驗(yàn)不同方案優(yōu)劣的科學(xué)研究手段來(lái)提高工程論證水平。尤其不同的尾礦庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成差異很大，潰決機(jī)理十分復(fù)雜，潰決過(guò)程在機(jī)理方面很不清晰，完全從理論收稿日期:2011-11-28基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51039003。作者簡(jiǎn)介:張紅武（1958,男,河南淮陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹恿鲃?dòng)力 學(xué)及河流模擬。E-mail:zhhwtsinghua. edu. cn第 33卷第 12 期人民黃河 Vol. 33,No.

10、 12 2011 年 12 月 YELLOW RIVERDec. ,2011上難以給出可靠的潰決模式3,且一般情況下尾礦庫(kù)及其下游溝道的邊界條件 都相當(dāng)復(fù)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(jì)與計(jì)算成果 很難符合實(shí)際。而利用試驗(yàn)手段，又缺乏尾礦庫(kù)潰壩模型相似律。為使工程論證與 模擬研究接近實(shí)際，并使解決該類(lèi)工程問(wèn)題時(shí)（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(kù)壩體的潰決過(guò)程及其對(duì)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(kāi)展欒川三強(qiáng)鉬鎢寺院溝尾礦庫(kù)潰壩模型等試驗(yàn) 的過(guò)程中，對(duì)潰壩模擬方法進(jìn)行了探討。本文在簡(jiǎn)要回顧前人成果的基礎(chǔ)上，尾礦庫(kù)潰壩

11、模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法。1尾礦庫(kù)潰壩模擬方法研究現(xiàn)狀在數(shù)值模擬方面，早期一些學(xué)者參考一般水力潰壩模型進(jìn)行了尾礦庫(kù)潰壩模擬計(jì)算。不過(guò)，尾礦庫(kù)的潰壩實(shí)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(lái)較多學(xué)者根據(jù)多個(gè)尾礦壩的實(shí)際潰決資料，參考水力潰壩模型，考慮尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)及其在流動(dòng)中的變形，建立尾礦壩潰壩的數(shù)學(xué)模型 就尾礦壩潰壩后泥石流對(duì)壩下游的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)4-5。如袁兵等5為開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，根據(jù)多個(gè)大壩的實(shí)際潰決資料，建立了尾礦壩潰壩的數(shù)學(xué)模型，提出了尾礦壩潰壩后泥石流對(duì)下游影響的預(yù)測(cè)方法；陳國(guó)芳等分析尾礦庫(kù)潰壩事故發(fā)生的機(jī)制及可能 造成的人員傷亡后，提出了避免事故的對(duì)策；

12、朱勇輝等建立了土壩潰決模型。有些 文獻(xiàn)還介紹了國(guó)外學(xué)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(yùn)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礦尾礦壩發(fā)生的事故,提出了預(yù)防潰壩的方法；M Rico等通過(guò)收集 尾礦壩潰壩事故的資料，并通過(guò)歸納總結(jié)，建立了尾礦壩壩高、庫(kù)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(kù)容與溢出尾礦量以及溢流 量與潛在下游最大流動(dòng)距離之間的關(guān)系。堰塞湖潰決同尾礦庫(kù)潰壩相近之處較多，王光謙、鐘德鈺、張紅武等針對(duì)唐家 山堰塞湖特定的泄流動(dòng)力學(xué)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了平面二維水沙數(shù)學(xué)模

13、型，擴(kuò)展了基本方程，考 慮了堰塞體形成的河床變形對(duì)水流運(yùn)動(dòng)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(guò)程以及堰塞體沖刷發(fā)展的機(jī)制。結(jié)果表明，河床變形對(duì)泄流影響較大，堰塞體以溯源沖刷為主，計(jì)算得到的泄流流量、堰塞湖水位與實(shí)際觀(guān)測(cè) 值較為接近7。在模型試驗(yàn)方面，嚴(yán)格的尾礦庫(kù)潰壩比尺模擬試驗(yàn)鮮見(jiàn)報(bào)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(yīng)用到尾礦庫(kù)潰決模型之中。因 潰決后的水沙流動(dòng)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(xué)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(kāi)展了溝道發(fā)育及淤地壩潰壩模型試驗(yàn)，并

14、采用擬焦沙作為小流域的模型沙，通過(guò)降 水模擬開(kāi)展了自然侵蝕與工程治理后的效果比較試驗(yàn)8。此后，張紅武等9 - 10進(jìn)一步提出土壤侵蝕及溝道壩系的半比尺模型設(shè)計(jì)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模 型，其初始含水量同原型相近，且模型降水強(qiáng)度必須大于模型沙相應(yīng)的臨界雨強(qiáng)；降 水歷時(shí)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(duì)應(yīng)，應(yīng)滿(mǎn)足產(chǎn)沙相似條件。為檢驗(yàn)該方法的合理性，曾利用兩個(gè)不同幾何比 尺的模型進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)10- 12o “5汶川地震之后，為預(yù)測(cè)唐家山堰塞湖、肖 家橋堰塞湖潰壩最大流量，張紅武

15、等首次用模型試驗(yàn)方法，利用現(xiàn)有條件快速制作模型，開(kāi)展了堰塞湖溢流槽沖刷發(fā)育與泄流過(guò)程試驗(yàn)8,不僅較好地模擬出了潰壩最大 流量,而且還預(yù)測(cè)出了堰塞體潰決后的影響狀態(tài)。該課題組目前正在通過(guò)模型試驗(yàn)，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(duì)潰壩災(zāi)害的評(píng)估和防治 有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)對(duì)尾礦庫(kù)潰壩研究也頗有參考價(jià)值。2尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)思路及原理尾礦庫(kù)潰壩方式有多種，主要可分為由滑動(dòng)、管涌、地震、洪水誘發(fā)等。一般 尾礦庫(kù)堆積邊坡的坡度較緩，并且在多個(gè)標(biāo)高都設(shè)計(jì)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1 -2。同時(shí),尾礦庫(kù)由地震力破壞 的可能性一般較小。相對(duì)而

16、言，尾礦庫(kù)長(zhǎng)度較短，調(diào)洪庫(kù)容小，地處海拔較高的山溝，突 發(fā)的山洪對(duì)尾礦庫(kù)的安全影響較大，故潰壩模型試驗(yàn)主要模擬的情況應(yīng)為尾礦庫(kù)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(shí)的潰壩形式。尾礦壩模型試驗(yàn)過(guò)程中，尾礦庫(kù)潰壩現(xiàn)象極其復(fù)雜，導(dǎo)出的相似關(guān)系往往不相容， 因而不得不先拋開(kāi)相似的一般性，集中研究特殊現(xiàn)象，再利用原型資料對(duì)模型進(jìn)行率 定。通常情況下，由于對(duì)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(zhǔn)則可以放寬，只著重集積效果相似等8 9。在研究尾礦壩模型的動(dòng)力相似時(shí)，一般選擇主要作用力進(jìn)行分析。為反映集積 效果,可引入宏觀(guān)物理量來(lái)說(shuō)明侵蝕現(xiàn)象。此外，尾沙侵蝕所受的影響還有尾沙重 力

17、、尾沙的彈性力（可忽略、顆粒的慣性力及外力侵蝕動(dòng)力。尾礦壩模型試驗(yàn)中的原型和模型的流體都是水流，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，模型的水流在坡面匯集和溝道匯流 過(guò)程中，紊流得到充分發(fā)展。在水流的流動(dòng)過(guò)程中主要受重力的作用，故主要考慮水流滿(mǎn)足重力相似條件。尾沙受外界擾動(dòng)而變形的情況與下面的 6個(gè)力有關(guān)：尾沙顆粒的慣性力；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

18、相近的材料，使其應(yīng)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(guò)程中顆粒運(yùn)動(dòng)的集積效果才是研究的對(duì)象，因此每個(gè)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(duì)這兩個(gè)方向分別求相似準(zhǔn)則。進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)13,以滿(mǎn) 足水流運(yùn)動(dòng)相似、尾沙運(yùn)動(dòng)相似（懸移相似、挾沙相似及溝道變形相似等。把尾礦

19、庫(kù)尾沙沖刷量和下游各區(qū)域淹沒(méi)范圍及泥沙淹沒(méi)深度等潰壩后出現(xiàn)的現(xiàn) 象按空間來(lái)分割，各部分由各自的物理法則來(lái)支配，從而能使相似法則放寬。在尾礦 庫(kù)潰壩和防治的試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中，筆者感興趣的并不是單個(gè)尾礦顆粒和水流的運(yùn)動(dòng) 軌跡，而是它的集積效果。例如，在研究尾礦庫(kù)下游擬保護(hù)設(shè)施方案、建筑的工程措 施時(shí),其主要內(nèi)容是把握最不利條件下尾礦庫(kù)潰壩后下游防護(hù)方案或工程措施施加 的效果，因此可以把尾礦庫(kù)潰壩及對(duì)下游沖淤現(xiàn)象的整體性能作為研究對(duì)象，在技術(shù)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，使方法具有實(shí)用價(jià)值。基于上述認(rèn)識(shí)，筆者對(duì)于具體的尾礦庫(kù)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(kù)模型。鑒于尾礦庫(kù)尾沙堆

20、積及蓄水狀態(tài)決 定了潰壩后的后續(xù)動(dòng)力條件與洪水含沙濃度，建庫(kù)之前的溝道邊界條件也顯得十分 重要,故模型制作時(shí)必須先把尾礦庫(kù)最大壩高相應(yīng)等高線(xiàn)范圍內(nèi)上游的天然地形全 部塑造出來(lái)（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(lái)。至于壩下游 ，需按照初 估的潰壩淹沒(méi)影響范圍并留有一定余地后，將尾礦庫(kù)下游各區(qū)域及擬保護(hù)設(shè)施、建筑物縮制出來(lái)，尤其要著重將尾礦庫(kù)下游溝口以外的溝道、居民村莊及其重要建筑 物縮制出來(lái)。在一般的正態(tài)動(dòng)床模型的制作過(guò)程中，模型糙率要求較小而常常不能滿(mǎn)足相似 條件。但尾礦庫(kù)潰壩常發(fā)生在植被較為茂盛的夏季，原型溝道

21、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(mǎn)足水流阻力相似 條件。同時(shí)，因?yàn)樵臀驳V庫(kù)下游在存在植被后抗蝕對(duì)應(yīng)的臨界流速較大，所以在模擬尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游沖刷時(shí)還使溝道的起動(dòng)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(yīng)影響范圍做成定床。尾礦庫(kù)在高水位運(yùn)行工況下潰壩形成泥流后對(duì)下游的淹沒(méi)范圍和影響程度最大 而泥流與高含沙水流運(yùn)動(dòng)在物理特性和運(yùn)動(dòng)特性方面存在較多雷同14。從學(xué)科上講，泥石流也屬于高含沙水流這一學(xué)科范疇15,故尾礦庫(kù)潰壩模型可參照黃河模型 相似律13,同時(shí)參考清華大學(xué)黃河研究中心近幾年對(duì)淤地壩及四川堰塞湖模擬試驗(yàn)

22、 的新進(jìn)展8,給出尾礦庫(kù)潰壩模型相似條件，作為本模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3模型相似條件及試驗(yàn)方法3. 1模型相似條件尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程及其下游洪水運(yùn)動(dòng)包括壩面侵蝕和溝道水沙匯集、流動(dòng)過(guò)程，因此應(yīng)進(jìn)行正態(tài)模型試驗(yàn)。鑒于尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程十分復(fù)雜，其模型屬于超常規(guī)試驗(yàn), 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(shí)參考筆者近幾年對(duì)淤地壩及四川堰塞湖潰壩模擬試驗(yàn)的新進(jìn)展。本次試 驗(yàn)研究給出的尾礦庫(kù)潰壩模型水流重力相似條件為入v= X槡H(1水流阻力相似條件為入2/3H入1/2J=入1/6水流挾沙相似條件為入 S=XS(3尾沙懸移相似條件為入3=入V(4河床變形相似條件入t2

23、入丫0入S入t(5尾沙起動(dòng)相似條件為入vc=入v(6式中：入v為水流流速比尺；入n為糙率比尺；入s為水流含沙量比尺;入s*為水流挾沙能力比尺，一般按文獻(xiàn)13給出的公式計(jì)算，而對(duì)于粒徑較大的尾沙 可按文獻(xiàn)16給出的推移質(zhì)輸沙率公式進(jìn)行相似性分析；入為水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺；入t2為河床沖淤變形時(shí)間比尺；入丫0為淤積物干容重比尺；入v c為泥沙起動(dòng)流速比尺，可由文獻(xiàn)17給出的公式進(jìn)行計(jì)算 此外，為保證模型與原型水流流態(tài)相似，還需滿(mǎn)足如下兩 個(gè)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)：Rem> 2000（7二是表面張力限制條件（hm為模型水深：> 1. 5cm(8 3. 2模型

24、尾沙選擇與要求尾礦模型沙的選擇對(duì)于正確模擬原型尾礦庫(kù)潰壩后尾沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有關(guān)鍵作 用。尾礦潰壩時(shí)因不存在基巖而難定出滑床與滑帶位置，表明滑動(dòng)面不是固定的，故尾礦庫(kù)模型做的選擇對(duì)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(gè)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(shuō)明選取其他材料作為模 型尾沙的做法不應(yīng)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(xué)性質(zhì)方面有較好 的相似性或相同性。具體而言，應(yīng)滿(mǎn)足五方面條件：滲透性、變形性

25、質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì) 同尾礦材料相同；物理、力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在大氣溫度、濕度發(fā)生變化時(shí)不致產(chǎn)生大 的影響；尾礦壩壩體制作成型后不會(huì)發(fā)生大的收縮、膨脹等變形；在考慮尾礦庫(kù)潰壩前滑坡的自重影響時(shí)，模型材料需有相應(yīng)的容重，不宜過(guò)分追求某些相似條件而 選擇輕質(zhì)沙：尾礦庫(kù)模型沙應(yīng)滿(mǎn)足原型滑塌位移突發(fā)性和泥流的運(yùn)動(dòng)特性。為此，可以選擇容重適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的擬焦沙作為尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)的 模型沙。擬焦沙孔隙介質(zhì)特性及表觀(guān)形貌同原型尾沙頗為相近，其容重丫s=1. 9t/m3,若取天然尾沙丫 s=2 70t/m3,則其容重比尺 入丫=1. 42水下容重比尺 入丫 §- Y=1. 89。根據(jù)尾礦模型沙沉積過(guò)程試

26、驗(yàn)及環(huán)刀取樣結(jié)果，測(cè)得干容重約為0. 9t/m3。為使尾礦壩模型在滲透性、變形性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)等方面 同原型相似，通過(guò)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(guò)渡到非牛頓 體。在一般情況下，高含沙泥漿常常可以近似地用賓漢模型來(lái)表達(dá)。該模型的流變 參數(shù)包括剛度系數(shù)n及賓漢極限剪切力t B15。前者與牛頓體的黏滯系數(shù) 叩相 當(dāng),渾水黏滯系數(shù)卩m的確定方法完全適用于賓漢體的剛度系數(shù),只需把卩m改為ns即可。至于后者，很多學(xué)者認(rèn)為,泥漿中細(xì)顆粒的絮凝作用是產(chǎn)生 TB的主要原因。這些細(xì)顆粒在帶有離子的水中形成絮團(tuán)，具有一定的抗剪能

27、力。唐存本進(jìn)一步認(rèn)為,TB的形成主要原因是顆粒之間能夠形成一個(gè)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(lái)的。現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的計(jì)算TB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(yàn)成果給出的公式屬于 半經(jīng)驗(yàn)半理論性外，大都是依據(jù)一定試樣的試驗(yàn)結(jié)果得到的15。由于含沙量的存在對(duì)水流的黏滯系數(shù)、水流的紊動(dòng)強(qiáng)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(guò)小，而且含沙量比尺也不宜過(guò)大或過(guò)小, 以免含沙量的影響在模型與原型的流動(dòng)中差別過(guò)大13。隨著含沙量的加大，顆粒之間的接觸逐漸增多，水流黏性增大，當(dāng)體積含沙量為0. 15 0. 20kg/m3時(shí)，試驗(yàn)中的 流態(tài)已難以保證為

28、充分紊流，當(dāng)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(duì)于原型嚴(yán)重失真，這就會(huì)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(duì)于原型不失真，不至于因固體顆粒間相互作 用顯著而導(dǎo)致模型流態(tài)不相似，需要滿(mǎn)足體積比含沙量比尺等于1,即入S V=1,從而表示為入S=XYS(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(duì)應(yīng)，又需使 含沙量比尺同干容重比尺接近。3. 3預(yù)備試驗(yàn)及模型試驗(yàn)的工作步驟為掌握試驗(yàn)方法，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕呈欠襁m應(yīng)尾礦潰壩模擬，同時(shí)探索模型壩體密實(shí)度 及壩體施工方式對(duì)模擬潰壩的影響，利用水槽開(kāi)展

29、了 4個(gè)組次的尾礦庫(kù)潰壩模擬預(yù) 備試驗(yàn)。選取的模型尾沙容重為1. 9t/m3,堆積壩壩坡比取1?2. 0 1?3. 5。試驗(yàn)過(guò) 程中發(fā)現(xiàn):尾礦庫(kù)不同浸潤(rùn)線(xiàn)狀態(tài)對(duì)壩坡穩(wěn)定性有較大影響，因而模型試驗(yàn)之前應(yīng)保證浸潤(rùn)線(xiàn)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(kù)壩坡大小對(duì)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1?2尾礦庫(kù)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) 定性差(同近幾年鎮(zhèn)安金礦

30、、襄汾鐵礦尾礦庫(kù)潰壩情況相近，其堆積壩坡均小于1?2, 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(shí)，壩址下游即 形成堆積扇形態(tài)，而壩坡比為1?3. 5時(shí)潰壩洪峰過(guò)程有所減緩，因此必須采用正態(tài)模 型開(kāi)展試驗(yàn)；為反映自重影響，尾礦模型沙容重不能小于1. 5t/m3,尾礦庫(kù)堆積壩壩 坡比為1?2且壩體接近飽和狀態(tài)時(shí)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(jí)配組成對(duì)潰壩后的壩體坍塌形態(tài)影響很大，細(xì)顆粒含量較大時(shí)坍塌 寬度相對(duì)較小，故模型沙級(jí)配也是影響相似性的重要因素之一；尾礦堆積壩密實(shí)度 對(duì)壩

31、體穩(wěn)定性有較大影響，因而模型壩體制作也應(yīng)注意施工密實(shí)度對(duì)壩坡穩(wěn)定相似 性的影響。根據(jù)初步經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)的工作步驟可歸納如下：(1通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和同委托或設(shè)計(jì)單位共同會(huì)商分析，給出尾礦庫(kù)最可能的潰壩方式及對(duì)下游影響最大的典型情況。(2根據(jù)所提供的庫(kù)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(biāo)高的基礎(chǔ)上，按平均堆積邊坡向上游堆積，確定尾礦庫(kù)最終高程。由于尾礦庫(kù)所處河溝一 般較短，庫(kù)尾即為河溝的尾部，因此隨著堆積壩的上升，匯水面積越來(lái)越小。由于尾礦 庫(kù)庫(kù)區(qū)和下游溝道地形對(duì)潰壩過(guò)程有一定的抑制作用，同時(shí)庫(kù)內(nèi)沉積灘以上有限的水量使?jié)芜^(guò)程與水庫(kù)潰壩不同，有一定的能量制約等多種外界

32、條件，因此在模擬尾 礦庫(kù)潰壩時(shí)，必須將相應(yīng)的邊界條件控制好。由上述因素及試驗(yàn)場(chǎng)地條件確定幾何 比尺。(3根據(jù)尾礦庫(kù)潰壩模型相似律，選配適合原型模擬的模型沙設(shè)計(jì)尾礦庫(kù)潰壩模 型，按原型及幾何比尺縮制模型。(4通過(guò)模型試驗(yàn)，測(cè)出尾礦庫(kù)潰壩壩址流量、水位過(guò)程線(xiàn)和沖沙率以及向下游 的洪水演進(jìn)情況，得出各特征區(qū)域的流量、水位、流速、波前和洪峰到達(dá)時(shí)間、泥 沙淹沒(méi)深度等。(5通過(guò)模型對(duì)尾礦庫(kù)潰壩進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)一步開(kāi)展保守性試驗(yàn)，量測(cè)尾沙庫(kù)尾 沙沖刷量和下游各區(qū)域淹沒(méi)范圍，提出可行的下游保護(hù)方案、工程措施及綜合防治 對(duì)策。(6通過(guò)模型試驗(yàn)，最后確定適宜的尾礦庫(kù)最終堆積標(biāo)高。3. 4模型試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)手段尾礦庫(kù)潰

33、壩試驗(yàn)首先關(guān)心流量、水位變化過(guò)程，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(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程詳細(xì)記錄。潰壩流量是通過(guò) 流速測(cè)量來(lái)推算的，而平均流速又主要通過(guò)所測(cè)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(shí)刻表面流速分布主要采用筆者開(kāi)發(fā)的表面流速自動(dòng)觀(guān) 測(cè)系統(tǒng)測(cè)量。在試驗(yàn)時(shí)，將示蹤顆粒均勻撒布在水流表面并使其跟隨泥流運(yùn)動(dòng)，攝像 鏡頭安裝于模型流場(chǎng)的上方并通過(guò)視頻同步器實(shí)現(xiàn)外同步，攝像機(jī)拍攝的表面流場(chǎng) 的圖像信號(hào)通過(guò)視頻線(xiàn)傳輸至計(jì)算機(jī)圖像采集卡進(jìn)行分析處理，得到平面流場(chǎng)。依 據(jù)表面流場(chǎng)值用高含沙垂線(xiàn)流速分布公式換算出平均流速?？捎孟率綄文Ｐ捅?面流速場(chǎng)測(cè)驗(yàn)資料

34、換算成垂線(xiàn)平均流速13,18:u=vcp1 7. 85槡gC+6. 67槡gC1 z(hz槡 h+arcsin z槡h(10式中:u為垂線(xiàn)上某一點(diǎn)流速;vcp為垂線(xiàn)平均流速;C為謝才系數(shù);z/h為相對(duì)水深。相對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)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(duì)數(shù)流速分布公式在z/h很小時(shí)出現(xiàn)偏小甚至為負(fù)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(huì)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(xiàn)平均流速vcp同表面流速u(mài)m的關(guān)系式為：vcp=um（1+2. 62槡 g/C 1（11針對(duì)潰壩流速及水

35、位，除在關(guān)鍵部位利用非接觸式儀器進(jìn)行跟蹤測(cè)量外，更大范 圍的水位可在試驗(yàn)之前先用水準(zhǔn)儀測(cè)量幾個(gè)參考點(diǎn)，再通過(guò)攝像頭拍攝的每一時(shí)刻 洪水淹沒(méi)部位反求出水位。對(duì)于潰壩后壩面的沖淤形態(tài)，可通過(guò)干涉圖像來(lái)求尾礦變形過(guò)程，并采用大連理 工大學(xué)研制的地貌觀(guān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量尾礦壩塌失量，以此求出尾沙沖刷量。4結(jié)語(yǔ)動(dòng)床模型試驗(yàn)是論證尾礦庫(kù)潰壩影響的最重要科學(xué)手段。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，以尾礦庫(kù)潰壩特點(diǎn)分析與預(yù)備試驗(yàn)為依托，通過(guò)尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)思路及原 理、模型相似條件、模型尾沙選擇與要求、模型試驗(yàn)工作步驟、模型測(cè)驗(yàn)手段等方 面的分析，提出了尾礦庫(kù)潰壩模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法。限于篇幅，有關(guān)尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)方法的檢驗(yàn)

36、將另文介紹。參考文獻(xiàn)：1 田文旗，薛劍光尾礦庫(kù)安全技術(shù)與管理M 北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.2 魏作安，沈樓燕,李東偉，等.探討尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題J.中國(guó)礦業(yè),2003(12:60- 62. 3陳青.尾礦壩設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:冶金工業(yè)出版社,2007.4 陳青生，孫建華.礦山尾礦庫(kù)潰壩沙流的計(jì)算模擬J.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(5:99 105.5 袁兵,王飛躍,金永健，等.尾礦壩潰壩模型研究及應(yīng)用J.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008(4:169- 172.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(xué)報(bào),2003(2:31 - 38.7 王光謙，鐘德鈺,張紅武，等.汶川地震唐家

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