溃坝试验（共7篇）
溃坝试验 篇1
1前言
尾矿库是矿山正常生产所需的重要设施,同时又是重大危险源。尾矿坝溃坝会对下游人民的生命财产安全造成重大损失以及严重的环境污染。在世界93种事故、公害隐患中,尾矿库事故名列第18位[1,2]。自1960年以来我国发生尾矿库事故共计70多起,其中危害较大的有云锡公司火谷都尾矿库坝体失稳溃坝(1962年9月)、湖南柿竹园有色矿牛角垄尾矿库洪水漫顶溃坝(1985年8月)、湖北大冶铜矿龙角山尾矿库洪水漫顶溃坝(1994年7月)、广西南丹鸿图选厂尾矿库坝体失稳溃坝(2000年10月)、山西襄汾新塔矿业公司尾矿库坝体失稳溃坝(2008年9月)和信宜紫金矿业高旗岭尾矿库洪水漫顶溃坝(2010年12月)等。从安全意义上说,尾矿库必须满足两项最基本要求,一是尾矿坝坝体稳定性,二是尾矿库防洪能力(包括调洪库容、排洪设施的泄洪能力及可靠性)。造成尾矿库溃坝的主要因素有洪水漫顶、坝体失稳、渗透破坏和地震等。
基于尾矿库溃坝后果的严重性,专家学者对尾矿坝安全问题高度重视。张力霆、张红武、陈青生等[2,3,4,5,6,7,8,9,10]分别从理论分析、物理模型试验、数值模拟、溃坝洪水演进及影响范围等方面对溃坝问题进行了研究。李全明、魏勇等[11,12]着重开展了溃坝风险评估、溃坝机理以及应急预案制定等研究。尽管尾矿库溃坝问题研究主要以数值模拟及溃坝资料分析为主,但物理模型试验是研究溃坝问题不可缺少的技术手段。尾矿库溃坝模型试验成果不仅可以弥补溃坝资料分析在数量及可靠性上的局限,亦可为数值模拟提供验证数据,并在溃坝机理研究方面具有数值模拟及溃坝资料分析不可替代的作用。
尾矿库漫顶溃坝模型试验研究的重点是在溃决及泥砂演进过程和溃坝机理上,主要研究内容为试验条件、试验模型、溃决过程与机理分析、演进过程与淹没范围和预防措施等。溃坝模型试验研究对溃坝事故早期预警、制定应急预案、防灾减灾、保护下游的生命财产安全和环境有重要意义。
2试验条件
造成尾矿库洪水漫顶溃坝的主要因素有排洪设施排洪能力不足或失效、调洪库容不够和超标准的洪水等。漫顶溃坝试验前,首先应对尾矿库干滩长度及坡度、调洪库容、排洪设施的排洪能力及可靠性等漫顶溃坝影响因素进行复核和分析,通过调洪演算和结构复核计算找出可能导致洪水漫顶溃坝的诱因,拟定溃坝条件。
3试验模型
3.1相似定律
尾矿库溃坝现象极其复杂,溃坝过程涉及水力学、土力学、泥沙运动力学等多方面相似问题,从各个方面导出的相似关系通常不相容,试验模型无法满足全部的相似条件。因此,抛开相似的一般性,将相似准则适当放宽,选择主要作用力进行分析,重点考虑重集积效果相似。为反映集积效果,引入宏观物理量来说明侵蚀现象。在尾矿坝实际溃坝过程中和模型试验中的流体都是水流,水流流动过程中主要受重力的作用,因此应首先满足重力相似。尾矿受水流扰动而变形主要与尾矿的重力、惯性力、摩擦力和粘聚力等有力的作用相关,尾矿的重力和惯性力也应满足重力相似条件。尾矿坝子坝及沉积滩的尾矿颗粒都较粗,饱和状态下尾矿颗粒间的粘聚力与重力及摩擦力相比可以忽略。为使模型沙的内摩擦系数与原型尾矿相等,主要考虑尾矿变形过程中颗粒运动的集积效果,而忽略尾矿颗粒的几何相似条件[3]。
溃坝过程中的含泥沙水流主要是紊流,起支配作用的是水的惯性和重力,黏性影响较小,由于惯性力主要作用于水平方向上,重力作用于垂直方向上,因此对这两个方向分别求相似准则。溃坝过程中的含泥沙水流属于高含沙水流,应按照高含沙洪水模型相似律考虑,满足水流运动相似、尾沙运动相似(悬移相似、挟沙相似等)[4]。
尾矿库溃坝模型试验主要包括尾矿坝坝面侵蚀、坝体溃决、泥砂演进过程等,尾矿库溃坝模型不需要包括上游较长的汇水流域,下游也只需考虑主要的影响范围,故试验模型宜采用正态模型(水平比尺与垂直比尺相等)。尾矿库溃坝试验正态模型应遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件,即水流流速比尺,糙率比尺,泥沙起动流速比尺,悬沙沉速比尺λω=λv。
3.2模型沙
尾矿模型沙的选择对于正确模拟原型尾矿库溃坝后尾矿的运动规律具有关键作用。由于尾矿在坝前水力充填筑坝过程中,尾矿进行了自然分级,粗颗粒首先沉积下来,形成沉积滩,细颗粒冲到库内。因此,尾矿坝子坝及沉积滩中的尾矿可以看作是无粘性土或少粘性土。若采用原型尾矿作为模型尾矿,不仅忽略了尾矿颗粒本身的相似性,而且显著影响了尾矿侵蚀的相似性,故不能采用原型尾矿作为模型沙[3]。而且模型沙应与原型尾矿在主要的物理、力学性质方面有较好的相似性或相同性,主要包括渗透性、变形及强度特性、重力相似性、泥沙水流的运动特性以及物理、化学性质的稳定性。拟焦沙的孔隙介质特性、表观形貌及容重同原型尾矿颇为相近,因此,可选用拟焦沙作为尾矿库溃坝模型试验的模型沙。
4洪水模拟
洪水是影响尾矿库安全的重要因素,尾矿库防洪能力不足是造成漫顶溃坝的根源。因此,尾矿库的洪水计算、调洪演算和排洪设施设计是至关重要的。尾矿库的汇水面积一般较小,只有几个到几十个平方千米,通常根据当地水文资料采用简化推理公式(或当地的经验公式)进行洪水计算。洪水计算的任务是确定设计洪水的洪峰流量、洪水总量和洪水过程线。在洪水计算的基础上,再根据尾矿库的调洪库容和排洪设施的泄洪能力进行调洪演算,验证是否满足尾矿库防洪能力要求。根据拟定的试验条件,选取溃坝试验采用的洪水频率,再根据相似定律和洪水计算结果,将洪水过程线换算成试验需要的尾矿库来水流量一时间曲线,用电磁阀无级调节实现流量随时间变化过程。
5溃坝试验与溃坝机理
5.1溃坝试验
以国内某尾矿库为工程背景,进行漫顶溃坝模型试验研究。该尾矿库总坝高140m,总库容为2 300万m3,有效库容为1 850万m3,属于二等库,服务年限22年。一期坝坝高90m,二期坝为一期坝下游法加高30m,一期坝和二期坝均为透水堆石坝,上、下游坡度均为1:2.0,坝顶宽度均为10m。三期坝为尾矿上游法堆高20m,堆积坝外坡平均坡度为1:5.0,滩顶长1 000m。尾矿库汇水面积3km2,洪水标准初期采用200年一遇,中后期1 000年一遇。采用排水井一隧洞联合排洪方式,选用直径D=3.0m的框架式排水井和直径2.5m的圆形排洪隧洞。按水平比尺和垂直比尺均为1:180的正态模型建立尾矿库试验模型。假定排洪设施完全失效情况下发生设计频率(1 000年一遇)的洪水作为试验条件,进行洪水漫顶溃坝试验。
(1)溃坝过程。以坝顶溢流作为溃坝试验计时开始,2分54秒时,溢流顺坝坡流过堆石坝,并顺坝坡而下。18分34秒时,二期坝顶处开始形成冲坑并导致尾矿出现溯源冲刷,水流冲刷二期坝坝坡,部分表层块石被冲起,并随水流向下游位移。24分36秒时,坝顶开始形成拉槽,在堆石坝顶处冲成溃口,并逐渐形成沟槽,堆石坝顶处溃口宽度约72m。47分12秒时,堆石坝顶溃口扩宽至90m,尾矿坝顶出现溯源冲刷。53分41秒时,坝体冲槽已经上下贯通。57分16秒,坝顶处形成深槽,堆石坝出现坍塌并继续向两侧发展,冲下的尾矿、石料堆积到坝脚处逐渐形成冲积扇。1小时12分28秒时,坝区溯源冲刷下切严重。1小时20分31秒时,沉积滩溯源冲刷逐渐集中发展,前端点逐渐向库内方向延伸。1小时33分56秒时,洪峰过后流量回落。1小时58分33秒时,沉积滩溯源冲刷继续发展,前端点距坝顶约241m。2小时34分33秒时,沉积滩溯源冲刷的前端点至坝顶约297m,库水位降低致使与溃口槽底落差减小,水流强度不断减小,溯源冲刷发展减缓下来,下泄水流逐渐减小。3小时21分18秒时,溯源冲刷发展更为缓慢,坝下游水流仍沿沟槽流动,但流量较小。4小时1分34秒时,溃口已不再有明显变化,溃口最终形态见图1。
(2)溃坝流量变化过程。在尾矿坝下游坝脚处计量流量变化过程,作为溃口流量过程,见图2。
(3)溃口形态。图3a为沉积滩冲刷最远处的溃口断面,该断面呈窄深形态,窄深处的最大深度约25m。图3b为沉积滩上接近滩顶的溃口断面,该断面最大冲刷宽度达600m,最大冲深约44m,该断面临近坝体,受滩顶溃口影响,冲刷深度和宽度明显大于库内溃口断面。图3c为滩顶溃口断面,图3d为二期坝坝顶溃口断面,滩顶溃口断面是最大溃口断面,宽度约70m,深度约47m。
5.2溃坝机理
由于尾矿库调洪库容不够和泄洪能力不足,进入尾矿库的径流量大于排洪设施的泄流量时,库水位开始上升,水位超过尾矿坝滩顶最低处时,尾矿水从尾矿坝滩顶最低处溢流出,然后顺尾矿坝下游坝坡开始加速泄流,由于水流具有剪切应力(也称牵引应力)的作用,开始冲刷切割坝坡,当水流剪切应力大于坝体对尾矿的摩擦力时,发生侵蚀现象,被侵蚀的尾矿被水流带走,水流在坝顶冲成溃口,并逐渐形成从坝顶至坝脚的连续冲槽。溃口的发展过程受泥沙侵蚀输移和边坡失稳坍塌共同影响。溃口发展包括纵向下切和横向扩展两个方面。漫顶溃坝发生后,水流首先在纵向侵蚀溃口,被侵蚀的泥沙由水流带走,使溃口不断加深。由于尾矿坝由多级子坝堆筑而成,尾矿坝下游坝坡形成陡坎,水流流经陡坎时,溢流水舌向下冲击床面,同时产生正向水流和反向漩流,反向漩流深向冲蚀床面,掏蚀跌水面基础,形成临空面,造成临空面失稳坍塌,陡坎不断向上游发展,这种现象称为陡坎冲蚀或溯源冲刷,见图4。溃口纵向发展是水流下切和陡坎冲蚀[13,14]共同作用的过程。在溃口发展过程中,溃口底部高程在纵向不断下切降低的同时,在横向上溃口也在不断扩展,溃口宽度逐渐发展扩大。当溃口下切深度达到临界深度时,溃口两侧边坡失稳发生坍塌,溃口拓宽,见图5。
坝体漫顶初期,水流顺坝坡下泄,坝顶至下游坝脚同时受到侵蚀,形成贯通的溃口冲槽,由于陡坎冲蚀作用,坝坡中段下切最快,泥沙侵蚀输运和边坡失稳坍塌现象在坝坡冲槽内相继出现。漫顶初期因流速较小,坝顶溃口宽度的扩展速度比较慢,存在少量泥沙侵蚀现象,边坡失稳坍塌不明显。随着溃坝过程的持续发展,在溃坝中后期,坝坡冲槽及坝顶溃口深度随纵向水流侵蚀和陡坎冲蚀而逐渐加深,横向边坡失稳坍塌对于坝顶溃口扩展及坝坡冲槽的扩展起主导作用。横向边坡失稳坍塌现象尤其在坝顶溃口部位常见[15]。尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由“水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀”和“溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展”组成,二者在溃口扩展的不同时期所占的主导地位有所差异。在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和横向边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。
6结语
(1)根据尾矿库的洪水计算结果、调洪库容和排洪设施的泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验条件,选取洪水频率,确定洪水过程线。
(2)洪水是影响尾矿库安全的重要因素,尾矿库防洪能力不足是造成漫顶溃坝的根源。将拟定的洪水过程线换算成模型试验来水流量一时间曲线,来模拟洪水。
(3)抛开相似准则的一般性,将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,模型遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件。
(4)尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由“水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀”和“溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展”组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和横向边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。
(5)尾矿库漫顶溃坝模型试验还存在着一些问题与不足,有待在今后研究中进一步解决。首先,相似理论仍不够成熟,溃坝试验模型满足了几何相似、重力相似和运动相似等主要的相似条件,但溃坝过程因涉及到土力学、水力学、泥沙运动力学等多方面相似问题,试验模型无法同时满足所有相似条件。其次,溃坝模型比尺偏小,而溃决过程又非常复杂,试验中的缩尺效应会影响到研究成果的精确性。
摘要：根据洪水计算结果、调洪库容和排洪设施泄洪能力进行调洪演算,找出漫顶溃坝的诱因,拟定试验备件,选取洪水频率,确定洪水过程线,再换算成模型试验来水流量-时间曲线。将相似准则适当放宽,重点考虑集积效果相似,试验模型遵循水流重力相似、水流阻力相似、尾矿起动相似和尾矿悬移相似等相似条件。以国内某尾矿库为工程背景,建立试验模型进行溃坝试验研究,分析溃决过程和溃坝机理。尾矿坝漫顶溃坝溃口发展过程主要由“水流冲刷引起的纵向连续下切及陡坎冲蚀”和“溃口边坡失稳坍塌引起的横向间歇扩展”组成,在溃坝初期,水流侵蚀是溃口扩展的主导因素,而在中后期,纵向陡坎冲蚀和边坡失稳坍塌成为溃口扩展的主导因素。
关键词：漫顶溃坝,模型试验,相似定律,溃坝机理,陡坎冲性,溃口形态
溃坝试验 篇2
尾矿库是用于贮存金属、非金属矿石选矿排出的尾矿或其他工业废渣的场所,有山谷型、傍山型、平地型等类型,由初期坝、后期堆积坝和排洪系统等组成[1]。尾矿坝不同于水库大坝,水库大坝是一次建成的挡水蓄水坝体,而尾矿坝一般是拦渣透水坝,坝体由初期坝和后期堆积坝组成。
据统计,截止2009年底全国尾矿库共12 523座,其中危库231座,险库306座,病库1 326座,正常库8 609座和未鉴定的2 051座,尾矿库正常率68.7%,非正常率14.9%[2],在涉及尾矿库项目的环境影响评价中,尾矿库的环境风险评价一直是重点关注内容。根据《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169-2004),风险评价的基本内容包括风险识别、源项分析、后果计算、风险计算和评价、风险管理等内容。其中,后果计算常采用方法有数学模式法、物理模型法、类比分析法和专业判断法[3]。类比分析与专业判断法精确度相对较低,尾矿库溃坝数值模拟法[4,5,6]具有一定的效果,但是由于尾矿库一般多位于地形条件复杂的山区,数学模式法在边界条件界定及参数取值方面则较难把握。物理模型法具有较高的准确性,在重大项目环境风险预测方面可取得较全面的预测结果。笔者以拟建的南方某大型尾矿库为例,阐述溃坝模拟试验在尾矿库项目环境风险评价中的应用。
2工程介绍及环境概况
该尾矿库位于南北向(南高北底)约15km的山谷内,采用中线法,上、下游同时筑坝,上下游坝址间距5km,尾矿库占地面积13.1km2,汇水面积15.4km2,库容10亿m3,属于二等尾矿库。
尾矿库下游坝的初期坝为不透水坝,坝基标高+68m,初期坝坝高52m,坝轴线长310m,宽度10m,坝体内边坡比为1:3,外边坡比为1:2;后期坝为主体坝,坝顶标高+290m,最终坝坝高222 m,下游坝外坡比为1:3.5。
尾矿库上游坝采用不透水坝,坝基标高为+112m,初期坝坝高28m,坝顶宽度为10m,坝轴线长360m,坝体内边坡坡比1:3、外边坡坡比为1:2。后期坝每升高10m堆一次坝,最终堆积标高+290m,后期堆坝高度150m,总坝高178m,外坝坡1:3。由于上游坝址东侧有较高的垭口,后期坝建成后分为主体坝和东侧子坝。
尾矿库上、下游坝前干滩长度不小于1km,尾矿库内设1#和2#两套排洪系统,尾矿库后期调洪高度1.4m,可形成600万m3的调洪库容,另外还设3.6m安全超高。
该尾矿库环境风险评价范围内敏感点有若干村组、一条高速公路和一条河流。尾矿库及周围环境敏感点分布情况见图1。
3 溃坝试验
3.1 试验材料
选择容重适中、化学性质稳定的拟焦沙作为溃坝模型试验的模型砂,该模型沙孔隙介质特性及表观形貌同原型尾砂较为相近。作为本次试验的模型砂,其尾砂粒径比尺λD=3.5;模型砂容重γs=1.90t/m3,若取天然尾砂γs=2.70t/m3,其容重比尺λγs=1.42,干容重比尺λγ0=1.67。模型砂不均匀系数控制在2.5左右,且渗透系数约为6×10-3cm/s。
根据尾矿库所在区域地形资料(1/10 000和1/2 000地形图,等高距10m),设计和制作拟建尾矿库工程溃坝影响的河工模型(水平比尺为1:200、垂直比尺为1:150)。各特征位置与上、下游尾矿坝轴的距离关系见表1。
3.2 溃坝试验情景
该尾矿库调洪库容很大,只有在尾矿库水位达到最高洪水位,且两套排洪系统都已失效,此时又遭遇千年一遇大洪水,没有按照严格的生产运行规程占用了调洪库容才会有溃坝的可能。根据尾矿库上、下游中线法同时筑坝特性,物理模型试验模拟了3种溃坝情形下,尾矿砂流对周围敏感点的影响。
(1)纯自然情况,下游坝漫顶溃坝。不采取任何工程措施或者人工干预,当库内水位抬升到最高洪水位,两套排洪系统相继失效,恰好又遇千年一遇洪水,库内水位持续升高,直至下游坝发生漫顶溃坝。
(2)工程措施,上游坝主坝漫顶溃坝。在放矿过程中,通过工程措施,控制上游坝的滩顶标高始终比下游坝的滩顶标高低0.5m,当水位超过上游坝的滩顶时,水流从上游坝泄出,从而控制即便溃坝也发生在上游坝。虽然尾矿库上游坝溃坝的位置具有一定的随机性,但是由于坝体两岸为山体,从上游坝主坝位置溃坝的几率较大,即为上游坝主坝漫顶溃坝情形。
(3)工程措施+人工干预,上游坝子坝溃坝。通过工程措施保证上游坝溃坝的前提下,为了减小溃坝的损失,在漫顶前及时在上游坝左坝肩人工开挖泄洪道泄洪,模拟人工干预时,即上游坝子坝漫顶溃坝情形。
4 试验结果
4.1 下游坝溃坝时下游各敏感点断面参数
下游坝溃坝时下游各敏感点断面参数见表2。
由表2可知,下游坝从溃坝开始,至尾矿流到达距离坝轴最近的村庄V2历时21min,尾矿坝下游淹没深度41.9～1.64m。
4.2 上游坝溃坝时南侧各敏感点断面参数
上游坝溃坝时南侧各敏感点断面参数见表3。
注:洪峰历时均为从溃坝初始时刻至洪峰峰值时刻的历时,以下各表均同。
由表3可知,村庄V1位于上游坝坝脚,上游坝溃坝时尾矿流到达该村时间非常短,建议搬迁。上游坝主坝溃坝时,尾矿流历时54.5min淹没高速路面,南侧最终淹没深度46.34～2.55m。相对而言,上游坝子坝溃坝影响较小,最终淹没深度12.5～17.97m,尾砂未淹没高速路面。
4.3 3种溃坝情形下尾砂冲刷量
3种溃坝情形下,尾矿坝坝体、坝区总冲刷量见表4。
由表4可知,尾矿库下游坝、上游坝主坝自然溃坝情形下,尾砂下泄量占库存总量的4.45%～6.59%;下游坝溃决部分尾砂进入北侧河流;上游坝主坝溃决部分尾砂溢出南侧垭口。人工干预选择上游坝子坝溃决时,尾砂下泄量占库存总量的1.96%,是下游坝下泄砂量的29.8%,是上游坝主坝下泄砂量的44.1%。上游坝子坝溃决尾砂全部储存于南侧沟谷中。
5 结语
尾矿库溃坝模拟试验虽然需要投入较大的工作量、时间和财力,但是该方法能够考虑到具体项目的特性,结果较准确,可信度较高。试验能够获得溃坝下泄砂量、尾砂淹没范围、下泄尾砂堆积高度、尾矿流初达下游敏感点所需时间、洪峰到达下游敏感点所需时间等关键参数,并为尾矿库溃坝应急措施比选提供了参考依据,在尾矿库环境风险评价的后果计算中起到重要的作用。
参考文献
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[3]谭民强,刘伟生,赵瑞霞,等.环境影响评价技术导致与标准[M].北京:中国环境出版社,2013.
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[5]袁兵,王飞跃,金永健,等.尾矿坝溃坝模型研究及应用[J].中国安全科学学报,2008,(4):169-172.
尾矿库溃坝模型探讨 篇3
在新建尾矿库的设计工作中、以及尾矿库的日常管理工作中尤其是在尾矿库的应急管理工作中, 往往需要对尾矿库溃坝可能造成的危害及危害范围进行估计, 以指导其设计、日常管理以及应急管理, 但现在并没有一个成熟可用的数学模型对尾矿库溃坝进行模拟分析, 在大部分工作当中, 全凭设计人员与管理人员的经验来进行判断, 而且在尾矿库下游多远处为安全距离也存在很大的争议, 没有一定的规律可循, 造成了在尾矿库设计、管理乃至监管工作中的不便, 因此有必要对尾矿库溃坝进行数学模拟, 以为尾矿库管理工作提供方便。
2 尾矿库溃坝的基本特征
2.1 泥石流形成条件
泥石流的发育必须具备三个基本条件, 一是有利的地形地貌基础;二是有丰富的补给物质条件;三是有适当的降雨水源激发。
2.1.1 地貌条件
地貌条件是形成泥石流的内因和必要条件, 制约着泥石流的形成和运动, 影响着泥石流的规模和特性。泥石流形成的地貌条件主要是泥石流沟沟床比降、沟坡坡度、坡向、集水区面积和沟床形态等, 表1是根据对典型泥石流的统计而得出的各条件对泥石流的影响。
2.1.2 物质补给条件
在泥石流沟内都有大量碎屑物质形成的地质条件, 一般在东部山区以滑坡为主, 而在西部山区以崩塌为主, 而随着人类经济活动的增多, 尤其是矿山建设和开采活动的加剧, 对森林植被造成严重破坏, 是引发泥石流的重要原因之一。矿山生产中弃渣不作合理处理, 甚至有的乱挖乱采破坏山体, 一遇暴雨往往产生泥石流, 造成灾害。
2.1.3 水源条件
泥石流的发生和水的关系极为密切, 泥石流发生的水源主要来自大气降水, 其次为地下水和冰雪融水, 短时间暴雨尤易引发泥石流。
2.2 水库溃坝分析
大坝溃决时, 水库蓄水量突然下泻, 造成下游水位暴涨和库区水位陡落。这种溃坝形成的溃坝波, 不仅可能引起库区坍岸和其他损失, 更为严重的是会导致水库下游地区灾害性的后果。
坝体溃决的类型一般分为瞬时全部溃决、瞬时局部溃决以及坝体逐渐溃决。大坝瞬时全部溃决、瞬时局部溃决是指大坝或部分坝段在坝址处瞬时消失;坝体逐渐溃决是指水流通过初始溃口, 由于水流的冲刷切割及坝体的崩塌而引起的溃口不断扩展, 溃决流量不断增加的过程, 这一过程将随水库水位下降及水流冲刷能力的减弱而结束。
在溃坝洪水复核中, 溃决类型的选择十分重要, 溃决类型的选择一般依坝体的类型而定, 对整体结构性大坝, 如混凝土浇注的重力坝溃决类型常常为坝体瞬时全部溃决或瞬时局部溃决;对于散粒性大坝如均质土坝或堆石坝, 由于缺乏整体刚度, 破坏往往又是由于局部水流渗透或过坝溢流冲刷, 因此溃决类型常表现为逐渐溃决。
一般的土坝溃决原因主要有: (1) 防洪设计标准不足; (2) 超标准洪水入库; (3) 溢洪设施不能正常运行, 没有足够的泄洪能力; (4) 坝体内部出现缺陷, 如坝身、坝基的异常渗水, 管涌等; (5) 运行管理不当等。
2.3 尾矿库特征
尾矿库作为堆存细粒尾矿的场所, 在特定的沟谷内通过人工筑坝等形式, 堆积了大量松散细粒物质, 其汇水面积均不大, 通常不会超过5km2, 一般为0.3～3km2, 其所处沟谷坡降一般在0.05～0.2范围内, 而由于尾矿堆积所形成的人工边坡一般为1:4～1:3, 其所处地形及形成的特点与泥石流高发段颇为相似。尾矿库从其库形条件来说, 采用尾矿筑坝, 与一般水库的土石坝一样同为松散体, 其库尾存在有较大的调洪库容与安全库容, 此部分库容内要么是空置, 要么充满了水, 在非常时期, 洪水可能漫至坝顶, 因此尾矿库本身就可以看作是一个小型水库, 一旦发生洪水漫坝, 由于筑坝材料为松散尾矿, 极易被冲刷出大的缺口, 从而导致溃坝, 溃坝后水流与小型水库溃坝极为相似。
尾矿库一旦溃坝, 堆存的细粒尾矿在地表水的作用下形成溃决型泥石流, 根据对国内外的溃坝案例进行统计分析可知, 尾矿库溃坝成因一般有以下几种方式:
(1) 洪水漫坝造成坝坡失稳;如湖南柿竹园牛角垅尾矿库溃坝事故, 岿美山尾矿库洪水漫顶溃坝事故、银山铅锌矿尾矿坝决口事故等。
(2) 长期高水位运行造成坝坡失稳;如云南锡业公司火谷都尾矿库溃坝事故、山西襄汾塔儿山铁矿尾矿库溃坝事故、辽宁海城尾矿库溃坝事故等。
(3) 人为破坏等外力因素造成坝坡失稳。
分析尾矿库溃坝成因, 可知洪水漫坝成因泥石流多为稀性泥石流, 其特征为:稀性连续流的土水比小于0.35, 石土比0.2～0.001, 容重为1.6～1.3t/m3。泥浆体的粘滞作用很小, 接近水流特征, 流态紊乱, 石块翻滚并相互撞击。第二种由于长期高水位运行造成的饱和失稳则为从塑性蠕动流迅速发展为粘性阵流, 其特征为:阵性连续流的土水比为0.6～0.35, 石土比为1.0～0.2, 容重为1.9～1.6t/m3。泥浆更接近于流体性质, 属过渡性泥浆体。
因为洪水漫坝是溃坝的主要原因, 而库内水流与水库溃决颇为相似, 因此采用工程类比法来进行尾矿库溃坝模型的建立工作, 借用水利学中的溃坝公式以及泥石流配方法分析来估算尾矿库溃坝可能产生的流量、冲击范围、流速、冲击力等参数。
3 尾矿库溃坝模型的建立
3.1 尾矿库溃坝洪流的计算公式
尾矿库溃坝后坝址断面溃坝最大流量的计算利用水利学中水库溃坝经验公式来进行, 该公式考虑了瞬间全溃和局部溃决的情况。公式为:
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式中:Qw为坝址处溃坝洪水最大流量, m3/s;g为重力加速度, m/s2;B为坝址处的库面宽, m;H为坝前水深, m;L为库区长度, m, L>5B后, 仍取L/B等于5;h为溃口处残留坝体的平均高度, m;K′为经验系数, 近似按K′=1.4 (bh/BH) 1/3估计;b为溃口的平均宽度, m, 可按以下方法估计:
当溃坝时蓄水V≥100万m3时, 有b=k1V1/4B1/7H1/2, 式中:k1为坝体材质系数, 对粘土坝、粘土心墙或斜墙坝和混凝土坝取1.19, 均质壤土坝取1.98。当V<100万m3时, 有b=k2V1/4H1/4, 式中:坝体施工和管理质量好的k2取6.6, 差的取9.1。以上两式中B、b、H单位为m, V单位为万m3, B/b一般不应超过17。
3.2 尾矿库溃坝后泥石流的估算
尾矿库溃坝后往往形成灾害性泥石流, 其主要特征表现为暴发突然、来势凶猛、冲击强烈、冲淤变幅大、沟道摆动速度和幅度大等几个方面。根据形成过程可将尾矿库溃坝后形成的泥石流分为土力类泥石流和水力类泥石流。土力类泥石流的性质一般偏粘性, 水力类泥石流偏稀性。
类比泥石流计算的配方法与雨洪修正法来对溃坝泥石流进行流量估算, 其计算公式为:
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式中:φ为泥石流修正系数, 按undefined计算;Dm为泥石流堵塞系数, Dm值在1～3之间, 可按其堵塞程度选用, 因为尾矿库作为一个废渣存放地, 在使用初期仅为轻微堵塞, 因而Dm可取值为1.0～1.5, 在使用中后期可以作为泥石流在坝址位置遇到了最严重的堵塞, 因而Dm值可取3.0。
3.3 溃坝最大流量向下游演进的计算
3.3.1 尾矿库下游某断面溃坝最大流量的计算
如图1、图2所示, 坝址处的溃坝流量过程线在向下游演进中, 将不断展平, 溃坝和最大流量将很快衰减, 采用非恒定流解法, 由坝址处的溃坝流量过程逐段演算出下游各断面处的流量过程, 溃坝在下游某断面处形成的最大流量, 其经验公式计为:
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式中:Qm为坝址处溃坝最大泥石流流量, m3/s;Qm, l为Qm演进至距坝址l处的溃坝最大泥石流流量, m3/s;V为溃坝时的尾矿库有效容积, m3, 可以按 (1+φ) DmV水进行计算;v为洪水期间河道断面平均流速, m/s, 一般可取下列数值:山区河道7.15m/s, 半山区河道4.76m/s;平原河道3.13m/s。
3.3.2 溃坝最大流量到达下游某断面所需时间的计算
除了要知道溃坝之后在下游各断面所需时间的最大流量外, 还需要估计它们在下游各断面什么时候出现, 即需要计算溃坝最大流量, 从坝址到下游某外的传播时间, 其计算经验公式为:
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式中:τ为溃坝最大流量从坝址到下游l处传播时间, s;hm为下游断面处最大流量时的平均水深, m;kτ为经验系数, 等于0.8～1.2, 水深小时取小值, 大时取大值。
3.4 溃坝泥石流冲击力的估算方法
3.4.1 泥石流流速计算
尾矿库溃坝形成的泥石流流速根据西南地区现行公式 (据铁道部第二勘测设计院) 进行估算, 公式如下:
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式中:R为水力半径 (m) , 可近似取其泥位深度;Mm为泥石流沟粗糙系数, 查表可得;I为泥石流沟纵坡比降 (%) ;α为阻力系数, 根据Gs, ρm可直接查表。
3.4.2 泥石流动压力计算
泥石流动压力计算公式为:
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式中:Uc为泥石流的平均流速 (m/s) ;σ为施于垂直面的动压力kN/m2;ρm为泥石流重力密度 (kN/m3) 。
3.4.3 泥石流冲高计算
泥石流冲高hΔc按下式计算:
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4 计算实例
1985年8月24日至25日, 野鸡尾尾矿库上游强大的洪水、泥石流席卷着泥沙、石块、树木、杂草, 越过坝尾截洪沟, 在几分钟的时间内就将该库坝体冲跨。此次洪水和垮坝事故导致矿区死亡46人, 冲毁淹没房屋、生产生活设备、设施 (道路、桥梁、电线等) 。
根据该尾矿库溃坝时的各参数对尾矿库溃坝形成的泥石流进行模拟计算, 此次溃坝形成的泥石流计算结果见表2。根据计算结果并对比尾矿库下游沟谷情况即可对溃坝所造成的后果进行相应的分析, 从而得出尾矿库选址的合理性分析。
5 结束语
尾矿库溃坝模型是建立在水库溃坝形成的洪流以及洪流与松散尾矿混合形成泥石流的基础之上得出的, 其在工程条件上有一定的相似之处, 其计算结果可以为尾矿库的设计与管理提供必要的数据, 为尾矿库选址提供理论依据。
由于溃坝流量计算受各项因素影响, 例如泄空的时间, 冲刷破坏的形式, 水头的大小, 很难计算出准确的溃坝流量, 因此还需在以后的实践中进一步建立与尾矿库各系数相关的经验公式, 以提高模型的实用性。
摘要：针对尾矿库日常工作中需要对其溃坝可能造成的危害及危害范围进行估计而又没有成熟的模型可用的情况, 采用工程类比法, 根据泥石流以及水库溃坝等方面的工程经验和数学模型, 经过对其相似之处进行类比, 并对原有模型进行适当调整, 以期得出尾矿库溃坝所形成泥石流的数学模型, 并求出其冲击范围和破坏能力, 可以为尾矿库的应急管理工作和选址决策提供一个相对成熟和稳定的方法。
关键词：尾矿库,溃坝,泥石流,数学模拟,冲击范围
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尾矿坝溃坝数值模拟研究 篇4
近年来随着社会对矿产需求的增加, 尾矿的总量也在急剧的增长, 尾矿库数目也随之增加, 堆坝高度也越来越高, 同时尾矿坝溃坝的风险也越来越高[1], 又加上服务年数超限的尾矿库越来越多, 导致尾矿库溃坝事故的数目逐年递增。又由于多数尾矿堆存物具有一定的毒害性[2], 这更加加剧了尾矿溃坝带来的危害, 现在已成为政府重点关注对象。
尾矿坝溃坝作为一种灾害事故具有瞬间爆发性和很强的破坏性, 要想得到真实可靠的溃坝现场监测数据是非常困难的, 并且需要很大的人力和财力的投入。为了得到更多的数据, 更好地研究分析尾矿坝溃坝相关机理, 不得不另辟蹊径。经过大量的研究与尝试后, 认为使用Fluent3D软件来模拟泥砂流的流动过程有一定的可行性, 它能为研究提供运动和动力方面的数据, 填补现场数据的不足。
1 尾矿坝基本概况
1.1 尾矿颗粒组成
尾矿的颗粒组成不仅决定了它的物理性质, 也决定了其力学性质, 如渗透性、压缩性和剪切强度等。为了得到准确的尾矿颗粒组成情况, 试验人员随机选取了5袋尾矿样并将其混合均匀, 进行细化处置后, 取10组试样, 使用美国生产的Microtrac S3500型激光颗粒分析仪进行颗粒分析。从颗粒测试结果可知, 10组全尾矿样均为尾粉土, 全尾矿颗粒粒径的中值粒径在0.016~0.088 mm之间, 平均值为0.044 mm。
1.2 物理性质试验测试
按照试验规范要求, 取了3组尾矿样, 分别对它们进行了比重、密度、含水率、塑限和液限等物理性质参数的测定, 尾矿物理性质试验测试结果如表1所示。
注:密度是将制备好的尾矿样按照15%含水率配制, 然后根据《土工试验规程》测定。
2 尾矿坝溃坝模拟试验
根据库区地形, 试验模型按1∶500比尺缩小, 则模型库区尺寸为3 m×2.8 m×0.5 m (长×宽×高) , 参考以往尾矿坝溃坝泥石流冲击距离, 该次试验下游冲沟设计为15 m, 模拟溃坝泥石流在下游冲击距离为7.5 km的整个情况。根据设计模型尺寸及其他条件综合考虑, 确定相似系数如表2所示[3]。
式中, Lm为模型尺寸;Lp为原型尺寸;tm为模型过程时间;tp为原型过程时间;λρ=1。
2.1 溃坝后泥深变化规律
通过对下游各过流断面的泥浆淹没高程进行整理, 得到了各断面泥深随时间变化曲线, 如图1所示。
2.2 溃坝后冲击力变化规律
不同尾矿坝高度溃决后, 泥浆在库区下游5 m处的冲击力过程情况, 如图2所示。总体上看冲击力曲线呈现前陡后缓的趋势, 意味着溃后泥砂流的冲击力在很短的时间内便能达到其峰值, 然后会逐渐降低。
3 尾矿坝溃坝数值模拟
把尾矿库溃坝所形成的泥流浆体看作是空气和泥砂流的两相流体, 可用欧拉-欧拉模型来描述其运动。在欧拉-欧拉模型中, 常见的模型有三种, 分别为:流体体积模型 (VOF) 、混合物模型以及欧拉模型。经过验证, 选用流体体积模型 (即VOF模型) 对尾矿坝溃坝泥砂流的运动过程进行数值模拟比较合适[4,5]。
为了方便模型的建立, 将实际情况进行了相应的简化, 比如沟谷的边坡角度都统一设置成一个大致的平均值, 模型高100 m, 库区模型尺寸为1 500 m×1 400 m×100 m, 整个下游流动沟槽长度为7 500 m。参照前面得到的尾矿物理力学性质以及原始边界条件的初始化, 开展溃坝泥砂流流动的数值模拟。
3.1 溃坝后泥深变化规律
通过图3可以知道, 不同断面上的泥深的变化都呈现前面陡峭后面平缓的趋势。就某一断面来讲当溃泥砂流到达后, 在很短的时间内达到最大值, 随后就不断降低, 出现明显的拖尾现象。其中转弯处有点异常, 主要是因为转弯处由于弯道效应而使得泥深要比直道的情况下高出很多。综合来看, 溃坝后下游将会出现的最大淹没深度是95 m左右, 距离坝址下游5 km范围内最后会形成约20 m的泥砂沉积深度, 也就是说下游5 km内的村庄基本都会被淹没掉。
3.2 溃坝后冲击力变化规律
由图4中可以知道, 100 m高尾矿库溃决后对下游造成的冲击力可以高达2.6 MPa, 泥砂流一旦到达某处则迅速产生很高的冲击力, 在很短的时间内达到峰值, 随着库区泥砂流来源的减少和流动距离的增加冲击压力将迅速的减小。而对于下游0.6 km处的米茂村来说, 受到的冲击力可以说是最大的, 高达2.5 MPa左右, 所以该村的防护工作应重点把握。
4 数值模拟与相似模拟试验结果对比
为了验证数值计算结果的可靠性, 将其与相似模拟试验所得到的结果进行对比分析, 下面就整体趋势、泥深变化和压力变化的情况进行简单的比较。
4.1 整体趋势比对
根据相似模拟试验结果比对分析得出:无论是淹没深度还是冲击力变化情况, 总体上都呈现前面迅速增长、峰值以后都逐渐减小, 并趋于平稳值的现象。都有明显的峰值, 并且在相同条件下, 两种计算结果得出的规律是类似的。
4.2 淹没深度结果比较
当坝高100 m的情况下, 根据溃后库区下游2.5 km处的淹没深度的峰值情况, 包括相似模拟和数值模拟两个结果。两者之间的差值在25%左右, 处于可以接受的范围。
4.3 冲击力结果比较
同样是抽取坝高100 m, 库区下游2.5 km处的冲击力数据进行比对, 在此处冲击力的峰值结果相差有点大, 数值计算结果为1.9 MPa, 相似模拟试验结果为6 MPa。根据相关工程实际经验认为此结果可以接受, 处于合理误差范围[6]。
4.4 原因分析
相似模拟试验与数值模拟的结果不同主要有以下几点原因: (1) 试验设备器材与数值模拟中选材之间有一定的差异, 不尽相同; (2) 相似模拟试验中相似材料选取与数值模拟中材料有一定的差异, 不尽相同; (3) 相似模拟试验设备中溃坝瞬间控制系统无法像数值模拟那样做进行完美模拟; (4) 相似模拟试验设备中应力采集系统存在一定的误差, 而数值模拟中采用力学模型以及算法也存在一定的缺陷。这些都是导致两者结果有差异的原因, 但是结果在工程要求的范围内。
5 结论
利用Fluent3D软件对坝高100 m的尾矿坝溃决过程进行数值模拟, 可以得出以下结论:
(1) 用Fluent3D软件对尾矿坝溃决过程的模拟结果与采用相似模拟试验得到的结果基本相同, 溃坝后泥砂流的泥深分布与冲击力变化曲线都具有相同的趋势, 并且各自的峰值的相似度较大, 均在工程计算允许的误差范围内。
(2) 证实了用Fluent3D软件来模拟尾矿坝溃坝后泥砂流流动的可行性, 进一步拓展了尾矿坝溃坝研究的方式和手段, 能为以后溃坝后泥砂流的研究提供一个参考。
(3) 解决了因尾矿坝溃坝具有瞬间性及极强破坏性而不易监测到溃坝现场数据的难题, 为进一步研究尾矿坝溃坝防护措施打下了基础。
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水库溃坝应急仿真关键技术综述 篇5
1.1研究背景
水库突发事件是指“突然发生的,可能造成重大生命、经济损失和严重社会环境危害,危及公共安全的紧急事件”。根据水库特点,水库突发事件主要包括自然灾害类、事故灾难类、社会安全事件类和其他水库大坝突发事件类等四类。溃坝属典型突发公共安全事件,是水库突发事件中防范和处置的关键类型,水库各种可能事件中危害性最大的也是溃坝事件,可能对生命、财产、基础设施、生态环境、经济社会发展等造成灾难性破坏和冲击,严重影响安全生产。
历史上,国内外均有惨痛的溃坝教训。截至2007年我国拥有水库87085座[1],其中3503座水库溃坝,河南“75·8”大洪水导致板桥、石漫滩两座大型水库在内的62座大坝溃决,造成22564人死亡,1029.5万人受灾,是世界坝工史上最为惨痛的溃坝事件。1889年,美国约翰斯敦水库洪水漫顶垮坝,死亡4000-10000人;1959年12月,法国马尔巴塞(Malpasset)拱坝溃决,造成下游8km处一兵营500名士兵全部遇难,10km处的费雷茄斯城变成废墟;1963年9月,意大利瓦依昂(Vajont)拱坝因近坝库岸大滑坡造成巨大水体涌出,导致2600人死亡;1976年6月,美国提堂(Teton) 土坝溃决,造成下游780km2土地成为泽国,11人死亡,25000人无家可归,财产损失超过4亿美元;1979年,印度曼朱二号水库垮坝,死亡5000-10000人;2005年2月,巴基斯坦沙迪科尔大坝溃决,造成50人死亡,500多人失踪。
尽管当今社会经济迅猛发展、坝工理论与经验相当丰富,溃坝事故仍时有发生,如近年来美国、捷克、巴西、印度尼西亚和中国等国家,均发生过溃坝事故。全球气候变暖、极端气候频发,也深刻地改变着大坝的运行条件,溃坝风险不容忽视。为此,政府和大坝业主总是尽力采取各种措施避免溃坝事故的发生,或是在溃坝发生后尽力减少人员伤亡。经验表明,当工程措施达到一定程度后,通过工程措施降低大坝风险是有限的,非工程措施此时将扮演重要角色[2]。通过溃坝前后的应急管理降低溃坝损失,已成为大坝管理中的重要非工程措施。事前周密的分析和准备,紧急时刻以此为依据,结合当时的具体情况安排抢险和组织人员转移,不仅有可能避免一些溃坝事故的发生,而且即使失事,也可有效减少生命与财产损失,缓解溃坝对经济社会发展的巨大冲击。溃坝应急预案正是避免或减少溃坝对下游生命、财产、基础设施、生态环境造成灾难性后果而预先制定的方案,是提高社会、公众及大坝运行管理单位应对突发事件能力,降低溃坝风险的重要非工程措施。
1.2研究意义
目前,我国政府对涉水突发事件应急管理越来越重视[3,4]。在实践方面,要求所有水库编制应急预案,提升应急管理水平;在研究方面,水利部将“重大涉水突发事件应急管理与对策研究”作为重大专题提出。可以说,水库应急意识不断加强,预案制度初步形成。然而,从水库管理者角度出发,预案的编制一方面迎合了他们希望大坝安全、防止下游溃坝损失、避免被追究责任的心理,另一方面,他们对预案持怀疑态度,认为目前预案编制过于粗糙,预案流于形式,其可行性、可操作性和有效性普遍偏差,且应急演练严重不足,严重制约水库大坝应急管理水平的提升,一旦发生溃坝事故,仍将处于无“案”可依的窘境。
如何提升预案编制水平、检验预案,已越来越成为推动预案制度的必然要求。实际上,通过应急演练的方式可对预案进行检验,然而实践演练的方式成本高、受场地、人员、物资等因素影响大,不可能采用将一座水库人工溃坝的方式对预案进行检验,此时计算机仿真模拟技术将大有可为。
水库溃坝应急仿真技术研究的现实意义包括:辅助科研;检验预案可行性和有效性,找出应急预案与期望水平的差距;推动并实现预案由文本格式向虚拟仿真的过渡,模拟溃坝应急过程,为溃坝应急决策指挥提供技术支撑;在计算机上进行预案应急演练,提高应急能力;为公众提供一种有效的教育、沟通方式。以成熟的水库溃坝应急仿真技术指导实践过程,对预防减少溃坝条件下人员伤亡事故发生、保障劳动者生命财产安全具有十分重要的现实意义,也是对“以人为本”、“和谐社会”的强有力支持。水库溃坝应急仿真技术的研究与实践,将在安全生产方面具有重要指导意义。
2水库溃坝应急仿真关键技术初探
溃坝应急过程是个复杂的系统过程,而应急预案是支撑溃坝应急过程的基础性资料,本身属系统性很强的文件,是溃坝应急复杂系统过程的载体,对溃坝应急过程进行仿真模拟是个复杂的系统工程。在国外,目前,对于溃坝仿真主要集中在溃决洪水计算和洪水演进的数值仿真模拟方面[5,6,7,8,9,10,11],对在溃坝洪水条件下应急组织过程仿真、下游人员应急撤离过程仿真等未见相关研究成果。在国内,针对溃坝条件下应急组织过程、下游应急撤离过程的研究始终停留在与其它行业应急过程的简单比照、模仿和定性描述状态,对于水库溃坝应急仿真未见相关研究。
为了实现建立溃坝应急预案基础信息数据库与构建溃坝应急预案仿真系统的目标,笔者认为需要研究多项关键技术做基础支撑,其中,三项技术比较关键和重要,分别为溃坝应急过程数学模型研究、溃坝下游居民撤离优化技术、溃坝应急预案基础信息数字化技术。所研究的成果为构建溃坝应急预案仿真系统框架、研发溃坝应急预案仿真系统提供必要的基础性技术支撑。
2.1溃坝应急过程数学模型研究
(1)研究内容:
以溃坝应急过程为主线,基于系统建模与仿真理论,研究应急过程分解技术,明确按时间顺序溃坝应急预案各关键环节(突发事件、溃坝过程、溃坝洪水演进、应急响应、疏散撤离)之间的逻辑关系,建立溃坝应急过程数学模型。该内容是建立仿真系统框架的主要依据,也是重点和难点,水库溃坝应急仿真研究是否能够成功,这一步是项目的关键。
(2)重点解决的技术问题:
从建模与仿真角度看,系统可分为连续型系统和离散型系统。工程结构属连续系统,按照建模与仿真理论,连续系统数学建模与仿真是最基本、最常用、最成熟的,有限元模拟计算各类工程就是典型案例。溃坝应急过程属于一种离散事件,其内部变化状态是随机的,同一内部状态可能向多种状态转变[12],例如大坝溃决是一种内部状态,该状态发生后,可能发生几种转化,当溃坝溃口不大时,水库管理部门可启动内部应急预案,工程抢险措施是对溃口实施堵口处理,溃坝未再发展,此时下游公众无需撤离,这是一种状态;当溃坝溃口无法通过水库管理部门内部应急处置得以解决,则要视该事件对下游可能淹没范围,确定下游撤离规模,这就造成了同一种内部状态向多种状态的转变。面向仿真,以离散事件数学模型建模理论为框架,根据建模的需求,细分溃坝应急过程,提出应急过程分解模式,这是建立溃坝应急过程数学模型的根本和关键。
(3)技术路线:
基于应急预案编制基础技术研究成果、灾害学、系统论,将溃坝应急过程理解为一种离散事件系统,把溃坝应急过程以“实体”、“事件”、“状态”、“活动”进行分解,从应急组织者、时间逻辑、应急内容等方面建立之间的拓扑关系,建立整个应急过程数学模型,绘制各环节之间拓扑图,完成对溃坝应急预案基础信息的拓扑分解与合成模型。数学模型可采用petri网理论。
2.2溃坝下游居民撤离优化技术研究
(1)研究内容:
溃坝对下游的影响包括对社会、经济和环境的影响,三种影响中以社会影响仿真最为关键,而应急处置中下游居民撤离情况的仿真模拟又是社会影响仿真中的核心问题[13,14,15],因此,在溃坝过程与洪水演进过程模拟、洪水淹没风险图编制的基础上,需重点解决应急处置中下游居民撤离模型构建及优化问题。
(2)重点解决的技术问题:
多约束条件下的下游居民撤离优化技术。下游居民撤离过程受预警状况(预警水平、预警时间)、撤离居民特征(数量、分布、逃生能力)、交通状况(复杂路网和车流量)、安置点位置影响显著,需要基于预警状况、撤离居民特征、复杂路网、车流量情况和安置点位置,应用GIS技术,建立多约束条件下的下游居民撤离模型,研究淹没区域居民整体最佳撤离路径,达到优化下游居民撤离的目的。
通过这一研究,在溃坝影响区域一定的时空场景下,可得到居民整体撤离时间(以淹没区域全体居民作为一个整体单位,将全体居民开始撤离到最后一位居民成功撤离的时间作为居民整体撤离时间)最短、各区人员撤离最方便的最佳路径(撤离方式和路网组合);通过撤离最佳路径分析,可模拟溃坝条件下淹没区域居民整体撤离过程,将该过程与洪水演进过程依据时间机制叠加,再通过预设不同的预警时间,可获得不同预警时间条件下下游居民撤离仿真效果,并对下游居民撤离仿真效果加以评价,从而为应急处置与应急调度决策提供支撑。
(3)技术路线:
基于GIS技术,以预警时间、撤离居民特征、交通状况(路网和车流量)、安置点位置作为多约束条件,基于路权函数[16,17]、优化理论等方法,研究多约束条件下淹没区域居民整体撤离最佳撤离路径和撤离方式,实现多应急点对多安置点的整体撤离方式最优化的目标。目前溃坝洪水试验和数值模拟及洪水演进研究较多,未见洪水演进与下游撤离叠加并实时提取交集信息的相关研究。
2.3溃坝应急预案基础信息数字化技术研究
(1)研究内容:
溃坝应急过程涉及到多种类型的基础信息,包括工程信息、地理信息、应急物资信息、应急组织者信息、下游人员信息等,根据应急仿真需求,对应急过程中抽象出来的典型应急行为信息数字化与分类的方式和方法进行研究,为构建相应的溃坝应急预案基础信息数据库结构提供设计基础。
(2)重点解决的技术问题:
面向溃坝应急预案基础信息数据库结构设计要求,研究实现应急过程中抽象出来的典型应急行为信息数字化与分类的方式和方法。
(3)技术路线:
根据数据库结构设计要求和溃坝应急预案基础信息的特点,研究实现应急过程中抽象出来的典型应急行为信息数字化与分类的方法与途径;基于数据库理论、数据挖掘理论、“四库”(知识库、工程数据库、方法库和图形库)理论等,对溃坝应急预案基础信息进行数字化与分类。
3结论与展望
鉴于水库行业的特殊性,开展水库溃坝应急仿真技术研究,对于辅助研究水库应急过程、增强水库应急预案可行性、有效性和可操作性、推进水库应急预案制度、提升水库应急管理至关重要。
溃坝应急过程是个复杂的离散型系统过程,对溃坝应急过程进行仿真模拟是个复杂的系统工程。为了构建溃坝应急预案仿真系统,三项关键技术比较关键和重要,分别为溃坝应急过程数学模型研究、溃坝下游居民撤离优化技术、溃坝应急预案基础信息数字化技术,研究成果为构建溃坝应急预案仿真系统框架、研发溃坝应急预案仿真系统提供必要的基础性技术支撑。
由于离散型系统建模技术在水库应急管理中应用很少,而在其它如城市[18]、铁路[19,20]、机场[21]等突发事件应急联动、应急物流运输[22]及生产系统[23]等方面应用较多,建议研究过程中多吸收相关研究成果。
石佛寺水库溃坝洪水计算 篇6
石佛寺水库坝址位于辽宁省沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡, 为典型的河道型平原水库。主副坝全长42.3公里, 其中主坝全长12.4公里, 最大坝高12.9米。为均质土坝。水库泄洪闸16孔总宽248.5米。工程等级为二等二级, 按100一遇洪水标准设计, 300年一遇洪水标准校核, 总库容1.85亿立方米, 其中防洪库容1.60亿立方米。
2 问题由来
据不完全统计, 我国现有大、中、小型水库8.6万座, 总库容4000亿立方米。自1954年以来, 溃坝总数2900多座, 我国人口稠密, 小水库众多, 失事率高, 溃坝影响之大, 不容忽视。石佛寺水库是一座以防洪为主的水库, 根据《水库大坝安全导则》规定, 应进行溃坝洪水复核。
3 溃坝洪水计算
3.1 溃坝模式的选择
溃坝坝址峰顶流量 (最大流量) 的大小与坝址溃坝前上下游水深和坝址断面形式及尺寸有关。溃坝的形式分为瞬间全溃、瞬间部分溃、逐渐溃。土石坝为逐渐溃, 不可能瞬间溃, 因为庞大的土石方不可能瞬间冲走。据统计, 国外土石坝溃坝占溃坝总数75%, 国内占90%以上。石佛寺水库为均质土坝, 所以本次计算采用逐渐溃的模式进行计算。
3.2 溃坝流量计算谢任之公式
3.3 结果分析
根据谢任之公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入1-1式中计算bm=11.23m, 根据黄委公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入2-2式中计算bm=10816m, 根据铁路公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入3-2式中计算bm=1745m, 这显然与实际不符, 分析其原因是由于石佛寺水库为平原水库, 主坝长12.4公里, 因此, 不能用公式计算溃坝宽度bm, 本人给定不同溃坝宽度试算相应情况下的溃坝流量。具体计算结果见下表1。
4 成果分析
通过谢任之公式、黄委公式和铁路公式, 分别计算了水库溃坝宽度和溃坝流量, 三个公式对溃坝宽度的计算均不符合实际要求, 这主要与水库的特点有关。所以在本次计算中采用了假定溃口宽度的办法才计算相对应情况下的溃坝流量。
在相同溃口宽度情况下, 黄委公式与铁路公式的计算成果比较相近, 但是偏大。谢任之公式计算成果相对小一些, 但是应该更符合实际情况。在有可能的情况下, 再选取几种公式进行计算, 进一步验证公式计算成果的合理性。
5 结语
国内外对于溃坝的研究很多, 计算方式和方法也很多, 进行溃坝洪水计算时应多采用几种方法计算, 使计算结果更符合实际情况。
在现有情况下, 要加强对水库的管理和调度, 汛期要加强对水库大坝的检查和巡查力度, 发现问题及时采取有效措施, 避免出现溃坝情况。
根据溃坝洪水计算结果进行洪水演进计算和风险分析, 制作风险图, 修订和完善水库大坝应急预案。
参考文献
[1]谢任之.溃坝水力学.[M]济南:山东科技出版社, 1993.5
尾矿库溃坝风险定量评价方法探讨 篇7
我国金属非金属矿山每年产出尾矿约3亿t,基本上堆存在约11946座尾矿库中[1,2]。这些库中最大设计坝高260m,超过100m的有26座,库容大于1亿m3的有10座;坝高小于30m的小库占80%左右,但20%的大、中型库中堆积的尾矿占全国尾矿总量的80%[3,4]。截止2011年5月底,我国共有2369座危、险、病,且大部分“悬停”在高密集人员集聚区的上游[5,6],形成了巨大的安全隐患,一旦发生溃坝事故,将造成重大人员伤亡和财产损失。自2001年以来,全国共发生73起尾矿库事故,造成500余人死亡,事故起数和死亡人数呈逐年上升态势,安全形势十分严峻[7]。特别是2008年“9.8”特别重大尾矿库溃坝事故,造成281人死亡,直接经济损失9619.21万元,产生了极其不良的社会影响[8]。
尽管《尾矿库安全监督管理规定》中要求企业每3年对尾矿库进行一次安全评价,但评价质量不高、方法有限,主要体现在以下几点:
(1)定性评价居多,定量分析较少。采用的大多是安全检查表法、预先危险性分析法等评价方法,主要依靠评价人员经验,缺少定量分析和定量评价结果。
(2)过度关注尾矿库本身,而忽略了尾矿坝下游状况。对尾矿库进行评价,只关注于尾矿坝渗流稳定和坝体稳定性计算,而不考虑下游居民、重要工业设施多寡及分布情况,造成下游人烟罕至的尾矿库风险与下游有密集城市的尾矿库风险相同,严重脱离了风险评价的实际。
(3)所选择的参数都认为是固定的数值,忽略了尾矿库堆积坝中因放矿间歇性形成的夹层或透镜体。
针对目前我国尾矿库安全评价中存在的不足,本文基于风险评估理论[9,10,11,12,13]和定量评价方法[14],采用Monte-Carlo模型[15,16]计算尾矿坝溃坝失效概率、有限差分法计算溃坝淹没范围,定量计算尾矿库溃坝后生命损失、财政损失和环境损失,最终确定尾矿库溃坝风险度,以期提高尾矿库安全评价技术、确保尾矿库安全健康运行。
1 定量分析方法
1.1 溃坝概率分析法
尾矿坝溃坝概率分析是将稳定性分析视为随机过程,把影响其稳定性的诸因素:强度指标c、φ值、容重等参量作为随机度量,通过试验可以求出这些变量的频率分布或分布函数,并确定它在相应区间内的概率值。
根据试验数据计算各参数的均值及方差,并对参数进行数学拟合分析其分布函数。然后对已知分布的随机变量进行随机抽样,再按随机数序列进行组合,计算出一系列的安全系数,并绘出分布曲线,计算安全系数小于1占总数的百分比称作溃坝概率。
若已求出安全系数的分布函数,则溃坝概率为:
式中:f(k)—随机变量k的概率密度函数。
蒙特卡洛法(Monte-Carlo)是根据随机变量xi的分布函数选取随机数输入到分析中,得到一个安全系数。由于输入的参数是随机变量,因此得到的安全系数也是一个随机变量。通过上面的重复运算,就可以得到能够代表安全系数的随机样本,根据这个样本,可以进行统计特征计算和分布拟合检验,最后求得描述尾矿坝稳定性的可靠度RI和失效概率Pf。尾矿坝失效概率分析的蒙特卡洛法求解的基本思路是:
(1)设尾矿坝稳定性安全系数Fs为n个随机变量X1、X2…Xn的函数:
且X1、X2…Xn都是已经统计规律的随机变量。
(2)利用蒙特卡洛法产生一系列的随机数x1x2,x3…。
(3)将产生的随机数经过变换得到X1、X2…Xn的第n个随机数x11,x21,x31,…,xn1。
(4)求得Fs的第一个值:
(5)按上述步骤继续下去,模拟N此,将得到FS的N个值Fs1,Fs2,…Fsn。
这是Fs的一个大小为N的样本。统计Fs小于1的样本数,即有频率k/N不超过1。这就是P(Fs<1)的近似值,即得到边坡小于1的破坏概率:
只要N足够大,即P(Fs<1)与k/N之间的误差可以小于指定的误差容许上限。
把尾矿坝稳定性安全系数Fs视为正态分布,可靠指标:
式中:RI(normal)—正态分布可靠性指标;
当Fs视为对数正态分布时,式(5)可变为变为:
其中:
则尾矿坝失效概率为:
1.2 溃坝淹没范围计算方法
综合运用水文学、水动力学、非牛顿流体的运动理论和数值计算方法,建立尾矿库溃坝后尾矿下泄模型。
连续性方程:
动量方程:
k方程:
方程:
式中:ρ和μ分别为密度和分子粘性系数;P为修正压力;Bi单位体积的体积力;μt为紊流粘性系数。
1.3 损失度计算方法
尾矿库溃坝淹没范围内的损失度(V)可由综合因子加权法构成:
式中,L H、P、S,分别是生命损失、经济损失和社会环境影响,W1、W2、W3分别是因子权重。各种损失值由下式进行计算:
式中:i、Ni、ki分别为尾矿坝下游影响范围内n个居民点的顺序数、第i个居民点的居民人数、第i个居民点的居民致死率;t、At、m、j分别为收益期、未来第t个收益期的预期收益额、收益年期和折现率;N、C、I、h、M、l、L、P分别为风险人口系数、重要城市系数、重要设施系数、文物古迹系数、河道形态系数、生物生境系数、人文景观系数和污染工业系数。
1.4 溃坝风险度计算方法
尾矿库溃坝风险用风险度来衡量,如下定义:
式中:R—尾矿库溃坝风险度,0-1。
2 工程应用实例
2.1 工程概况
某尾矿库初期坝为透水堆石坝,坝顶标高163.5m,坝高14m,坝顶宽5m,内、外坡坡比1:2.0。初期坝坝顶163.5m标高以上为尾矿堆积坝,坝外坡分别在173.5m、183.5m、193.5m、203.5m、213.5m标高共设5条马道,马道宽5m,各段坡比均为1:2.5,现堆积至220m标高。根据现场地质钻探结果,获得其结构图(如图1所示)。
2.2 物理力学参数
根据标准贯入试验、圆锥动力触探试验、现场密度试验、颗分试验和渗透试验结果,获得了该尾矿库有关的物理力学参数,详见表1和表2。
2.3 溃坝概率计算
按照溃坝概率分析方法,依据实测的尾矿坝物理力学参数,利用slide 5.0进行计算,便得到了该尾矿坝溃坝失效概率为11.8%,如图2所示。
2.4 溃坝淹没范围及其损失计算
根据式(9)-式(12),利用有效差分法对尾矿库溃坝淹没范围进行计算,可得如图3所示的尾矿库溃坝淹没范围及其淹没深度。
通过专家打分法和层次分析法,得到了各因子权重值:W1=0.45,W2=0.25,W3=0.3。根据该尾矿库下游居民点、工业设施分布状况等,可以计算出生命损失、经济损失和环境损失。生命损失H=400×0.046+1200×0.04+800×0.045+100×0.1/100=1.124。经济损失PE=15687万元/10000万元=1.569。环境损失W=0.6×0.7×0.8×0.9×0.9×0.8×0.7×0.8=1.02。
利用式(14),计算出尾矿库溃坝淹没范围内的损失度:V=0.45×1.124+0.25×1.569+0.3×1.02=93.5%。
2.5 尾矿库溃坝风险度
根据式(15),可以计算出该尾矿库溃坝风险度为:R=Pf×V=11.8%×93.5%=0.11。
可以看出,虽然溃坝淹没范围内损失度巨大,但因溃坝概率较小,故该尾矿库风险仍在可接受范围内。
3 结论
针对目前尾矿库安全评价中的不足,提出了尾矿库溃坝风险度计算的定量评价方法,主要得到如下结论:
(1)尾矿库安全评价应采用定量评价方法,明确尾矿库溃坝风险程度。首先计算出尾矿库溃坝失效概率,其次在获得溃坝淹没范围的基础上,计算溃坝淹没范围内损失度,最后,根据失效概率和损失度,便可计算尾矿库溃坝风险度。
(2)针对目前尾矿坝稳定性分析中所用几何参数及力学参数都是确定值,而没有考虑到尾矿堆积过程的间歇式,导致堆积坝存在夹层和透镜体,整个坝体为非均质体的特点,提出了容重、内摩擦角和凝聚力三者为随机变量的思想,采用蒙特卡洛法原理,利用数值分析软件获取尾矿库溃坝失效概率。
(3)综合运用水文学、水动力学、非牛顿流体的运动理论和数值计算方法,建立尾矿库溃坝后尾矿下泄模型,可以通过有限差分法或数值分析软件计算溃坝后淹没范围。