湖北大冶铜绿山铜铁矿尾矿库溃坝动力特性分析

郑昭炀;罗磊;刘宁;何家能;邢爱国

【摘 要】At 2:20 am on March 12,2017,a tailings dam collapsed in the northwest corner of the tailings pond in Tonglushan,Daye,Hubei. This disaster involved the failure of about 500000 m3 of tailings mudflow from the tailings pond. Based on the detailed field investigation and related data,the characteristics of the structure of tailings pond,geological environ-ment and the movement of mudflow after dam-break were analyzed. The technology of unmanned aerial vehicles ( UAVs) was used to get the elevation data of the Daye tailings pond and establish the DSM model after dam-break,and a calculation model for the dynamic analysis was built by the software of DAN3D. By comparing with the simulation results of Frictional model, Bingham model and Voellmy model,it is found that the Voellmy model provides the best performance in simulating this process of dam-break,and the simulation results indicate that during the process of dam-break in Daye tailing pond,debris flow move-ment has a duration of about 130 s with the maximum velocity and deposit depth of 20 m/s and 5 m respectively.%2017年3月12日凌晨2时20分,湖北大冶铜绿山铜铁矿尾矿库西北角发生了局部溃坝事故,下泄尾砂泥浆约50万m3.在大冶尾矿库溃坝现场考察和相关数据资料查阅的基础上,分析了该尾矿库的结构特征、地质环境特征与溃坝尾砂运动特征.利用无人机航拍技术获取了大冶尾矿库溃坝后的地貌高程数据并建立尾矿库溃坝后的DSM模型,运用DAN3D软件建立了尾矿库溃坝的动力计算模型.通过对比Frictional模型、Bingham模型及Voellmy模型的

模拟结果,认为Voellmy模型可以较好地模拟溃坝全过程.模拟结果表明:大冶尾矿库溃坝过程中尾矿泥石流运动持续时间为130 s,最大堆积深度为5 m,最大运动速度为20 m/s.

【期刊名称】《金属矿山》 【年(卷),期】2017(000)012 【总页数】6页(P136-141)

【关键词】尾矿库;溃坝;流变模型;DAN3D 【作 者】郑昭炀;罗磊;刘宁;何家能;邢爱国

【作者单位】海洋工程国家重点实验室(上海交通大学),上海200240;上海胜义环境科技有限公司,上海200240;上海胜义环境科技有限公司,上海200240;上海胜义环境科技有限公司,上海200240;海洋工程国家重点实验室(上海交通大学),上海200240

【正文语种】中 文 【中图分类】P315.959

尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，在降雨、地震、滑坡及人类活动等因素影响下存在溃坝失稳的危险，一旦失事，将对库下游人民群众的生命财产安全及周边环境造成巨大的灾难。目前，我国共有各类尾矿库约1.2万座，其中近10%的尾矿库处于病、险、危或超期服役状态，自2005年以来，国内共发生40多起尾矿库溃坝事故 [1]，如2008年山西襄汾铁矿尾矿库发生溃坝事故，造成262人死亡，污染土地35.9 hm2[2]；2011年四川绵阳电解锰厂尾矿库由强降雨引发溃坝，造成严重的水体污染，近20万人饮水困难；2016年河南洛阳铝矿尾矿库发

生溃坝，冲毁了库下游一座村庄，造成300余人无家可归。可见，开展尾矿库溃坝的研究对于保障矿山安全生产、保护下游生命财产安全和周边环境具有重要的实际意义。

当前，国内外对于尾矿库溃决后尾砂流的运动演进过程研究相对较少，尾砂流通常由高饱和的尾矿沉淀物组成，其演进运动特性与尾砂的类型直接相关。张力霆[3]指出尾矿库溃坝形成的流体一般为泥流或泥石流，而影响尾砂流运动演进特性的是其流变性质，Rico等[4]认为这种流变特性介于泥石流与泥流洪水之间。由于溃坝尾砂流变性质的复杂性，存在不同的尾矿库溃坝数值模拟流变模型。Laigle等[7]为预测溃坝后尾矿泥流的运动特征开发了基于浅水方程的改进模型，其数值模拟结果与物理模型实验结果十分吻合；阮德修等[6]采用FLO2D模型对湖南一铜矿尾矿库溃坝进行数值模拟，分析了溃坝后泥石流运动的堆积变化特征，并对尾矿库溃坝灾害的严重程度进行了评估；Pirulli等[7]根据滑坡碎屑流和泥流与尾矿泥石流存在相似之处，将RASH3D应用到意大利Stava山谷尾矿库溃坝的动力分析中并获得了最佳的流变模型；金佳旭等[8]以辽宁某尾矿库为例，采用ANSYS中CFX流体动力分析软件对溃坝的尾砂流演进过程进行模拟，分析了溃坝后尾砂的流态变化、速度变化以及最终堆积形态；Shao等[9]采用不可压缩的SPH法对牛顿流体和非牛顿流体的溃坝过程进行了数值模拟，分析比较了二者在溃坝中的运动特征；Han等[10]采用基于Bingham流变模型的改进模型，对安徽金山尾矿库的溃坝过程进行了数值模拟，得到了溃坝后溃口附近尾砂的深度分布规律。上述研究对溃坝尾砂流的数值模拟大多采用Bingham模型，而忽略了实际溃坝中不同情况下尾砂流变性质的不同。因此，对实际溃坝案例的模拟进行多流变模型的对比研究是十分有必要的。

2017年3月12日凌晨2时20分，湖北大冶铜绿山尾矿库西北角发生局部溃坝事故，造成2人死亡，1人失踪，6人受伤。本研究以大冶铜绿山尾矿库溃坝事故

为案例，采用以等效流体为原理的滑坡动力分析软件DAN3D对该尾矿库溃坝过程中尾砂形成的泥石流运动过程进行数值模拟，通过试算比较多种流变模型，探究大冶尾矿库溃坝泥石流运动的最佳流变模型，并在此基础上研究该尾矿库溃坝过程中泥石流的运动堆积变化规律。

铜绿山铜铁矿尾矿库位于湖北省大冶市泉塘村北侧的大冶湖旁，与大冶市市区隔河相望，是一个四面起坡的上游式平底形尾矿库。该尾矿库建于上世纪60年代末期，已运行50多年，整库平面呈椭圆形，长约1 km，宽约0.7 km，汇水面积约为0.6 km2，航拍影像见图1。

尾矿库库区处于扬子坳褶带和江南隆褶带中段接壤处，无褶皱、区域性断裂带通过库区，库内侵入岩为燕山期早期花岗闪长斑岩，围岩为三叠系大理岩。库区地层成因复杂，主要有第四系全新统湖积层、冲积-湖积层、冲积-洪积层和残积-坡积层等。尾矿库设计总库容1 578万m3，设计总坝高28 m；尾矿库坝体基本概况见表1，尾矿库溃口坝体剖面图如图2所示。

尾矿库现库容约为1 355万m3，坝高25 m，为四等库。选矿厂位于尾矿库西南0.7 km处，通过管道将尾砂输送至库区，采用管架法沿西坝分散放矿。尾砂主要成分为铜铁矿选矿后的高钙硅酸盐类矿物，粒径大小主要在0.074～0.01 mm，平均粒径为0.03 mm，属于细粒尾矿。库区西段为尾砂的沉积区域，干滩长度较长，面积大。库区东北部为地表水区域，主要为尾矿沉积滩蓄水，水深1～2.8 m。库东方向为大冶湖上游河道，北面为鱼塘，西面和南面是密集的居民区(见图1(a))。

事故发生后，采用无人机对溃坝事故现场进行了航拍监测调查。航拍飞行路线沿尾矿库长边布设，总航线长33.1 km，航拍飞行高度为300 m，历时40 min。像控点沿尾矿库库区及尾砂淹没区域对称布置，共12个点，无人机航拍技术流程如图3所示。在航拍获取的地貌高程数据上建立尾矿库溃坝后的DSM模型如图4所示。

溃口处于尾矿库蓄水区，发生溃坝险情后溃口坝体在流动尾砂推动下顺时针旋转约45°，如图5(a)所示。库区西北角形成1个长约272 m，宽约50 m，最大高度约16 m的矩形溃口；下泄尾砂方量约50万m3。

尾砂形成的泥石流从库区流出后，沿溃口坝体朝西北方向进入库下游，淹没了部分鱼池并摧毁了一座高压输电塔，在流动约600 m距离后受到库对面堤岸阻挡停止运动，最终于库下游形成一个面积约25万 m2的扇形尾砂堆积区(见图5(b))，其中溃口附近尾砂深度约4～5 m，扇形堆积区深度约2～3 m。

左侧坝体溃口断面近乎垂直，最大高度约12 m，坝体断面边缘有宽度约为2～5 cm的拉裂缝，如图6(a)所示。溃口右侧坝体由于尾砂和水体流失，致使右侧坝体朝库区滑移垮塌，垮塌破坏段长度约为253 m，部分区域四期一级子坝全部垮塌；垮塌段坝体表面有延伸至溃口的纵向拉裂缝，宽度约10～20 cm，深度约为0.5 m，如图6(b)所示。溃口坝体在绕右侧坝体顺时针旋转45°后整体向库下游垮塌，最终长度约为320 m，平均宽度约为145 m，与右侧坝体连接转动处坝体拉裂呈台阶状，高约3～5 m，有张拉裂缝横向贯穿坝体。 3.1 DAN3D简介

DAN3D为加拿大学者Hungr[11-12]及其团队开发的基于等效流体原理的滑坡动力分析软件，该软件将滑坡及泥石流等效为流体，用类似于流体流动的动力方程和连续方程对滑坡及泥石流的运动过程进行动力特性分析。泥石流流变模型一般有Frictional模型、Bingham模型及Voellmy模型等[7]，DAN3D中Frictional流变模型假设流体底部剪应力τ只与有效正应力σ相关，表达式为

式中，τ为流体底部的剪应力；σ为垂直于流动路径方向的总应力；ru为孔压比；φ为动摩擦角。

Voellmy流变模型将总阻力看做由流体的摩擦系数和湍流系数共同控制，其表达

式为

式中，f为摩擦系数；ξ为湍流系数；g为重力加速度；v为流体的平均速度；ρ为流体的密度。

Bingham流变模型为非牛顿流体，由Bingham屈 服切应力和Bingham黏度控制

式中，τB为Bingham屈服切应力；μB为Bingham黏度；γ为剪切速率。 3.2 模型及参数选取

在大量关于尾矿库溃坝泥石流的研究中，一般认为溃坝物质的流动状态为层流，溃坝所形成泥石流的流动状态大致上与Bingham流体一样表现出屈服应力和黏性流动特性。如Jeyapalan等[13]将Bingham流体模型应用到威尔士南部Aberfan尾矿溃坝案例和德克萨斯州东部的磷石膏尾矿溃坝案例中，计算结果与实际观察结果比较吻合；刘洋等[14]利用Bingham模型对河北省某尾矿库的溃坝模拟也取得了理想的结果。但当溃坝物质中夹带大量自由水时，其流变特性将会发生显著改变，如1985年意大利Stava山谷尾矿库溃坝过程中，裹携大量工艺水的尾矿泥浆沿山谷运动了4.2 km。Pirulli等[7]认为由于自由水的存在显著降低了流体的屈服应力，从而导致流动的溃坝物质表现出不同于Bingham流体的流变特性。根据对湖北大冶溃坝事故现场的调查和分析，发现大冶尾矿库溃坝过程中，尾矿泥砂浆处于饱和状态，在溃决过程中又与下游鱼塘中的水混合夹带在一起运动。因此，在DAN3D模拟中为探究大冶尾矿库溃坝的合适流变模型，分别对Frictional流变模型、Voellmy流变模型和Bingham流变模型三者进行对比试算，计算结果如图7所示。 Frictional流变模型模拟结果显示尾砂在流出溃口大约300 m距离后运动停止，大量尾砂淤积在库区，此时模型孔压比取值为0.9，动摩擦角16°，参数值已接近极限，显然模拟结果与实际情况不符合。在Bingham流变模型计算结果中，尾砂运动停止后，尾砂堆积区与实际堆积区有一定重合，但库内仍有大量尾砂未下泄出

来，并且此时的计算相关参数取值已远远超出Jeyapalan及刘洋等人的建议参数范围，反演计算结果表明Voellmy模型能够更好重现大冶尾矿溃坝运动全过程。由于溃口坝体被推动和溃口形成时间十分短暂，因此在模拟中将溃坝看作是瞬时全溃形式，通过试错法多次演算，得出Voellmy模型计算的最佳数据组合使模拟结果与实际情况相吻合，各部分参数见表2。 3.3 泥石流的运动流态分布特征

通过DAN3D采用Voellmy流变模型计算得出大冶铜绿山尾矿库溃坝尾砂运动全过程，如图8所示。据尾矿库溃坝模拟结果可大体将尾砂运动堆积过程分为3个阶段：溃决加速阶段、扩散减速阶段及蠕动堆积阶段。0 ～40 s为溃决加速阶段，溃口形成后，尾砂泥石流在重力作用下沿溃口坝体朝西北方向加速运动，由于溃坝模拟采用瞬时全溃形式，演进过程中会有少量尾砂泥浆爬升翻越坝体，40 s时泥石流前锋面移动至溃口坝体前端位置，平均速度约为7 m/s；40 ～130 s为扩散减速阶段，此阶段中尾矿泥石流运动至溃口坝体前端位置后不再受坝体约束以近弧形朝鱼池四周传播扩散，形成扇形堆积覆盖区，运动过程中受流变模型湍流系数和摩擦系数的影响下，泥石流运动速度随着运动距离增加而逐渐减小，130 s尾砂泥石流前缘运动停止；此时溃坝过程基本结束，后续阶段泥石流运动流态不再明显变化，130 ～300 s为蠕动堆积阶段，库内后续尾砂缓慢朝前推进，溃口附近和扇形堆积区尾砂堆积深度逐渐增加，300 s时库区大部分尾砂已经泄出，此时各部分运动基本停止。

3.4 溃坝泥石流速度及深度分布特征

DAN3D可记录尾矿泥石流在溃坝过程中的运动速度。图9为溃坝过程中各区域出现的最大速度，由图9可知，在泥石流演进过程中，速度较大区域集中在溃口附近，最大速度为20 m/s，溃坝后尾砂在重力作用下势能转化为动能做加速运动，

当势能全部转化为动能时泥石流达到最大运动速度。

模拟泥石流最终堆积状态如图10(a)所示，结果表明尾砂在溃口附近出现最大堆积区，尾砂深度范围3～5 m，处于溃口坝体前端位置附近；扇形堆积区厚度约1.5～3 m，与实际的堆积深度图10(b)所示大体范围一致。模拟结果最终堆积状态和运动形态特征与实际情况比较吻合，表明所选流变模型和参数能够较好地模拟大冶铜绿山尾矿库溃坝的动力学特征。

(1)利用无人机对大冶铜绿山尾矿库溃坝事故现场进行航拍调查，获取了尾矿库溃坝后的地貌高程数据，建立了尾矿库溃坝的DSM模型和动力计算模型。 (2)通过DAN3D的对比计算分析，大冶尾矿库溃坝运动过程中泥石流的流变特征不适用于Bingham流变模型和Frictional流变模型，而Voellmy流变模型能够较好地反演大冶尾矿库溃坝运动全过程，尾矿泥石流移动过程中裹挟的池水可能是造成尾砂流变性质改变的原因。

(3)在铜绿山尾矿溃坝过程中，尾矿泥石流的运动过程可大体分为溃决加速阶段、扩散减速阶段和蠕动堆积阶段，溃坝持续时间为130 s，其中尾砂最大堆积深度和最大运动速度分别为5 m和20 m/s。

【相关文献】

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