福建省某尾矿库溃坝分析.pdf

第3 l 卷第2 期 2 0 1 1 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G v 0 1 ．3 l №2 A p r i l2 0 1 1 福建省某尾矿库溃坝分析① 卓青峰，袁文君，林建，刘光先，钟国全 福建省冶金工业设计院。福建福州3 5 0 0 0 1 摘要针对福建省某尾矿库进行了溃坝分析，预测了尾矿库溃坝泥石流的洪峰流最、下游各点的最大淹没高度、起涨时间以及最 大流量的到达时间，为尾矿库失事的早期预警、下游人员疏散、最大限度减轻灾害影响和保护下游人民的生命财产安全等提供了重 要的决策依据。 关键词尾矿库；溃坝分析；预测；最大淹没高度 中图分类号T V 6 9 8文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 11 0 2 0 0 1 6 0 4 A n a l y s i sf o rt h eT a i l i n g sD a mB r e a ki nF u j i a nP r o v i n c e Z H U OQ i n g f e n g ，Y U A NW e n - j u n ，L I NJ i a n ，L I UG u a n g x i a n ，Z H O N GG u o q u a n T h eM e t a l l u r g i c a lI n d u s t r yD e s i g nI n s t i t u t eo f 凡洳，lP r o v i n c e ，F u z h o u3 5 0 0 0 1 ，F u j i a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i sf o rat a i l i n g sd a mb r e a ki nF u j i a nP r o v i n c e ，t h ef o r e c a s to ft h ep e a kd i s c h a r g eo fd e b r i s f l o wi nt h ec a s eo ft a i l i n g sd a mb r e a k ，t h em a x i m u mf l o o dh e i g h to fd o w n s t r e a ml o c a t i o n s ，8 t a l 嚏t i m eo fm u d f l o wa sw e l l a sa r r i v a lt i m eo fp e a kd i s c h a r g ew e r ep r e s e n t e d ，w h i c hc a np r o v i d ea l li m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rm a k i n ge a r l yw a r n i n go f r a i l i n g sr e s e r v o i ra c c i d e n ta n dd e c i d i n gd o w n s t r e a mp e r s o n n e ld i s p e r s a l ．8 0 鹳t om i n i m i z et h ei m p a c to fd i s a s t e ra n d p r o t e c tt h el i v e sa n dp r o p e r t i e so fd o w n s t r e a mr e s i d e n t s ． K e yw o r d s r a i l i n g sr e s e r v o i r ；d a mb r e a ka n a l y s i s ；f o r e c a s t ；m a x i m u mf l o o dh e i g h t 2 0 0 3 年以来，我国矿业快速发展，扩建、改建、新 建的尾矿库增多，尾矿排放量增大。我国现有尾矿库 上万座，截止2 0 0 9 年4 月，福建省共有尾矿库2 4 8 座 不含灰渣库 ，呈“规模小、数量多、分布散”的状态， 分布在7 个区市、3 1 个乡镇、近1 0 0 个村庄，全省设计 库容在1 0 0 万立方米以上的尾矿库有1 7 座。据统计， 在世界上各种重大灾害中，尾矿库灾害仅次于地震、霍 乱、洪水和氢弹爆炸等居于第1 8 位，一旦发生尾矿库 溃坝事故，将严重威胁下游人民生命财产、基础设施及 生态安全。因此分析尾矿库溃坝因素，模拟评估尾矿 库风险是尾矿库安全工作的重要任务之一。 大坝风险是近十几年来国内外水利发展起来的一 种安全管理新理念，其最大的特点就是不仅关心大坝 安全，而且关心大坝溃决对下游的影响，对于尾矿库的 安全工作应借鉴水利大坝风险，从“工程安全”转换到 “工程风险”。尾矿库的工程风险来源于尾矿库溃坝 对下游的影响，因此尾矿库溃坝分析是风险评价和风 险管理研究的一个非常重要的内容。 1 尾矿库溃坝分析原理 2 0 0 0 年在北京召开的第2 0 届国际大坝会议，第 一次把大坝风险分析作为会议主题，标志着水库大坝 工程风险分析已经发展成为体系较完整的决策工 具] 。我国水利系统在大坝风险分析方面取得了很 多成果，可供尾矿库安全评价借鉴与参考。 尾矿库坝体条件比水坝要复杂，且尾矿库内储存 的是松散尾矿，堆积状态千差万别，计算起来比较困 难。尾矿坝下泄的并不是单一的洪水量，而是泥石流 的泄砂量。本文根据水坝溃坝计算，考虑尾矿坝的特 点，对清水水力计算进行考虑土体的系数修正，转换为 泥石流的水力计算。 1 ．1 清水的溃坝水力计算 1 ．1 ．1 决口平均宽度根据黄河水利委员会水利科 学研究院实际资料分析求得的计算公式为心J l b 0 ．1 k 旷曰T 凰 T 1 式中b 为溃坝决口平均宽度，m ；W 为溃坝时的泄砂 ①收稿日期2 0 1 0 ．1 l - 0 8 作者简介卓青峰 1 9 6 3 一 ，福建莆田人。工程师，主要从事尾矿库的设计与评价工作。 万方数据 第2 期卓青峰等福建省某尾矿库溃坝分析 1 7 量，m 3 ；B 为溃坝时坝前水面宽度，m ；％为溃坝时水 头，m ；七为与坝体材料有关的系数，对于粘土k 约为 0 ．6 5 ，对于壤土k 约为1 ．3 。 1 ．1 ．2 坝址洪峰流量计算坝的溃决类型主要取决 于坝的类型、坝的基础以及溃坝原因。土坝及堆石坝 的溃坝原因主要是洪水漫顶和基础管涌、渗漏。这种 坝的溃决虽属于逐渐溃坝类型，但由于引起溃坝的水 流冲击能力极强，从决口开始时刻到基本形成稳定的 溃决断面时，整个时间过程非常短暂，为安全考虑可按 瞬时溃坝处理。溃坝水流是一种非恒定的不连续波运 动，同时受圣维南非恒定流方程和不连续波运动规律 所控制1 2 “J 。 瞬时全溃时 Q 一 着厄s S n o T 2 瞬时横向局部一溃到底时 Q 。鲁眉譬1 了6 峨手 3 瞬时垂向局部溃坝时大坝瞬时未溃到底，尚残留 着一个高度为h ’的残坝，称为沿坝高方向瞬时发生局 部溃坝，此时最大溃坝流量为 Q 一 嘉店 鲁 蚴b h l 5 4 式中Q 一为坝址洪峰流量，n 1 3 ／s ；h 为决口处残坝坝顶 至水面的距离，也称决口顶上水深，即h n o h ’。 1 ．2 泥石流的溃坝水力计算 尾矿坝下泄的并不是单一的洪水量，而是泥石流 的泄砂量。则此时的坝址洪峰流量不但与单一洪水洪 峰流量有关，而且还与土体和水的相互作用关系有关。 借鉴铁道部科学研究院修改后的雨洪修正法哺J ，考虑 福建省尾矿库下游河槽大部分为两岸植被完好的蜿蜒 曲折山沟，而植被使岸壁糙度增加，同时植物根系对土 壤颗粒具有物理上的束缚，对河槽两岸的土壤有“加 筋”作用∞J ，尾矿库溃坝泄砂总体呈淤积大于补给。 故可以将尾矿库坝址处下泄的泥石流洪峰最大流量 Q Z 表示为 Q 二 七。Q 一 5 式中k ；为考虑土体的洪峰流量系数，k 。 l 一卫卫； 7 ，一7 d 钆为泥石流体的容重，k N ／m 3 ；‰为水的容重，k N ／m 3 ； 以为泥石流固体颗粒的容重，k N ／m 3 。 1 ．3 溃坝水流向下游演进的简化计算 1 ．3 ．1 溃坝下游最大流量计算由求得的坝址处流 量过程线为第一边界条件，可以用任何非恒定流解法 向下游推演，求得任何断面的流量过程线。溃坝波为 单波，峰形尖瘦，向下游演进时，水流受河槽调蓄的作 用，流量过程线尖峰部位很快坦化，所以有条件的也可 采用洪水演进中的水量平衡法等较简化的方法。 坝下游某位置溃坝泥石流最大流量计算公式为 嘛 1 一忐’豇W 6 7 饱和 L ．L L Q Zv K t 式中形为溃坝时的泄砂量，m 3 ；Q ‰为当溃坝最大流量 演进至距坝址为￡处时出现的泥石流最大流量，m 3 ／s ； ￡为距坝址的距离，I n ；山区河道时，v K ． 7 ．1 5 ；半山区 河道时，v K ． 4 ．7 6 ；平原河道时，v K 。 3 ．1 3 。 1 ．3 ．2 渍坝下游洪峰淹没高度的计算尾矿库溃坝 洪峰淹没高度演进是决定灾害程度的直接因素。溃决 泥石流过程线与溃坝形式、最大流量、下游情况等有 关。一般采用非恒定流计算方法进行洪流计算[ 7 ‘8 】， 根据经验可采用以下公式计算下游距坝某处的洪峰高 度日一 日一叫。【t 等器7 1 ,W 】一 7 o ，l I lJ ‘ o 式中‰。为距坝茁远处洪峰淹没高度，m ；H 。。为坝溃口 处最大水深，m ；月为沟谷断面系数；i 为河床比降；石为 下游计算断面距坝的距离，m ；n 为河槽形状指数。 按式 7 可得洪水洪峰淹没高度。尾矿坝溃坝 时，库内矿渣和水形成类似于稀性泥石流向下游泄砂， 在这个泄砂的过程中，泥石流中的部分粗颗粒尾砂沉 积在沿程沟道内，部分尾砂向下游输移，这一过程泥石 流的洪峰传播到下游某处的泥石流洪峰淹没高度还与 沿程沟道的比降和沟道宽度、沟道形态有关。泥石流 洪峰淹没高度可用洪水洪峰淹没高度与泥石流的洪峰 流量系数的乘积来计算。 吒 k n 日～ 8 式中心为泥石流洪峰淹没高度，m ；k Ⅳ为泥石流的洪 峰流量系数，k Ⅳ k , k c ；后。可简化为矗。 曰／岛 。尼； 曰。为计算断面处的平均沟床宽度；B o 为溃决口的平 均宽度。 1 ．3 ．3 渍坝泄砂传播时间的计算采用黄河水利委 员会水流科学研究所根据实验求得的计算公式，起涨 时间t l 为 ”K ≮％ ㈩ 式中日．为坝上游水深，r l l ；h 。为溃坝洪水到达前下游 计算断面的平均水深，m ；K 。为系数，取0 ．6 5 1 0 一一 0 ．7 5X 1 0 一。 万方数据 1 8 矿冶工程 第3 l 卷 最大流量到达时间t 为 乞瑙萨拇q 0 式中局为系数，取0 ．8 ～1 ．2 ；k 为最大流量时间的平 均水深，m 。 一般来说，洪水起涨陡，峰值到达快，峰后流量下 降比峰前缓慢，可将流量过程概化为三角形，见图1 。 洪水过程的末端时间t ，可用下式计算 岛 等 ⋯ 岛2 瓦 ‘I 1 1 Q 0 f l 1 2 f l 图1 流量过程的概化 2 计算模拟 利用尾矿库溃坝水力计算模型对福建省某尾矿库 溃坝事故进行模拟，指出溃坝事故的影响范围及尾矿 库下游的撤离高程。 2 ．1 某尾矿库基本情况介绍 福建省某尾矿库初期坝为透水堆石坝，初期坝高 3 0 ．0m ，尾矿堆积总坝高6 6 ．0m ，总坝高9 6 ．0m 。尾 矿堆积坝采用上游式筑坝方式。尾矿库总库容约 8 9 4 ．9 7 1 0 4n 1 3 ，有效库容6 2 6 ．4 8 1 0 4t n 3 ，库区汇水 面积约为1 ．3 7 7k m 2 。尾矿库下游各构筑物的情况见 表l 。 表1尾矿库下游各构筑物的情况 2 ．2 计算结果 在暴雨洪水超出规范防洪标准造成漫坝溃决的情 况下，对尾矿库终期进行模拟溃坝水力计算。根据边 坡稳定分析方法，运用理正软件对该尾矿库进行稳定 分析，可得该尾矿坝最危险的滑移面结果如图2 ，稳定 性计算取用的各层坝体材料及坝基岩土参数见表2 。 图2 尾矿库终期坝体稳定性分析结果 表2 各层坝体材料及坝基岩土参数 此尾矿库的初期坝为透水堆石坝，泄砂总量W 1 4 5 ．8 0 1 0 4m 3 ，决口平均宽度b 1 9 8 ．4I n ；坝址泥石 流洪峰流量Q 急 7 90 3 8 ．0m 3 ／s 。清水洪峰流量采用 式 4 计算。故由式 1 与式 4 一式 8 以及尾矿库 下游沿程沟道的比降、沟道宽度、沟道深度、沟道形态 和沟道形状等地形特点，可计算出泥石流洪峰流量和 洪峰淹没高度。溃坝之后，溃坝洪水到达下游各点的 时间长短也是人们所关切的问题。溃坝泄砂比～般洪 水的传播要快得多，其波速在坝址附近最大，距坝址愈 远，波速削减愈快。由式 9 和式 1 0 可计算出尾矿 库下游各点的泄砂传播时间。尾矿库溃坝水力计算结 果见表3 。 表3 尾矿库溃坝水力计算结果 模拟尾矿库在暴雨洪水超出规范防洪标准情况下 的溃坝水力分析，对表3 中尾矿库下游各构筑物的泥 石流洪峰淹没高度与实际各构筑物至河槽底的高差进 行对比可知，尾矿库溃坝事故不会对下游各构筑物造 成危害。 3建议 尾矿库的正规设计是防止溃坝的先决条件，优质 万方数据 第2 期卓青峰等福建省某尾矿库溃坝分析 1 9 施工和科学监理是防止尾矿库溃坝的基础，精心管理 是防止尾矿库溃坝的关键环节。若尾矿库能做到以上 三点，溃坝的概率很小。但暴雨洪水超出规范防洪标 准时依然对尾矿库构成很大的威胁。本文就福建省典 型的某山谷型上游式尾矿库在暴雨洪水超出规范防洪 标准的情况下，模拟溃坝水力计算，得出如下几点结论 及建议 1 对于尾矿库的安全工作应从“工程安全”转换 到“工程风险”，以社会安全为发展方向。 2 通过对尾矿库的溃坝分析，为尾矿库失事的早 期预警、下游人员疏散、最大限度减轻灾害影响等提供 重要的决策依据，对尾矿库防灾减灾和保护库区下游 人民的生命财产安全具有非常重要的意义。 3 由于尾矿库溃坝时，尾砂下泄是一个非常短时 间的过程，若在溃坝发生时才进行疏散下游人群的工 作是完全来不及的。据统计显示预警时间大于9 0 m i n 时，下游处于溃坝威胁中的人员死亡率为0 ．0 2 ％， 而当预警时间少于1 5m i n 时，人员死亡率将上升为 5 0 ％。因此，根据尾矿库溃坝分析的结果，进行安全预 防措施是非常必要的。 4 由于尾矿库工程风险评价国内研究较为缺乏， 溃坝分析中各种坝型的破坏形式和溃决模式的确定仍 是个难题，这应通过尾矿库溃坝模型试验进行进一步 的研究探讨。 参考文献 [ 1 ] 李雷，王仁钟。盛金保，等．大坝风险评价与风险管理[ M ] ．北 京中国水利水电出版社，2 0 0 6 ． [ 2 ]李炜．水力计算手册[ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 6 ． [ 3 ]谢任之．溃坝水力学[ M ] ．济南山东科学技术出版社，1 9 9 3 ． [ 4 ]王又武，袁平，陈珂佳，等．尾矿库溃坝有关问题探讨[ J ] ．工 程建设，2 0 0 9 ，4 1 5 3 5 4 1 ． [ 5 ]周必凡，李德基，罗德富，等．泥石流防治指南[ M ] ．北京科学出 版社，1 9 9 1 ． [ 6 ]王新宏．冲击河道纵向冲击和横向变形数值模拟研究及其应用 [ D ] ．西安理工大学水利水电学院，2 0 0 0 ． [ 7 ] 华东水利学院．水工设计手册[ M ] ．北京水利电力出版社． 1 9 8 4 ． [ 8 ] 北京市市政工程设计研究总院．给水排水设计手册[ M ] ．北京 中国建筑工业出版社。2 0 0 2 ． 上接第1 5 页 ． 方法。该方法计算简单，无需编写复杂的程序，只需手 工计算便可得到较精确的结果，大大减少了工作量。 通过算例验证，上限法得到的安全系数比其它方法得 到的安全系数都要偏大些，且与精确值的误差保持在 0 ．3 ％之内，随着条分数n 的增大安全系数缓慢的接近 于精确值。安全系数f 对条分数凡并不敏感，当n 取 较小的数值时便可获得较高的精度，说明上限法的精 度是比较可靠的。 参考文献 [ 1 ] 张天宝．土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计[ M ] ．成都成 都科技大学出版社，1 9 8 7 ． [ 2 ]李广信．高等土力学[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 ． [ 3 】C H E NwF ．L i m i ta n a l y s i sa n ds o i lp l a s t i c i t y [ M 】．N e wY o r k E l s o v i e rS c i e n t i f i cP u b l i s h i n gC o ，1 9 7 5 ． [ 4 ] D o n a l dI ，C h e nZY ．S l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s b yt h eu p p e rb o u n da p - p r o a e h f u n d a me n t a l sa n dm e t h o d s [ J ] ．C a n a d i a nG e o t e e h n i c a lJ o u r - h a l 。1 9 9 7 。3 4 8 5 3 8 6 2 ． [ 5 ] 陈祖煜．黄文熙讲座土力学经典问题的塑性力学上、下限解 [ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 2 ，2 4 1 l 1 1 ． [ 6 ] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等．边坡与滑坡工程治理[ M ] ．北京人 民交通出版社。2 0 0 7 ． [ 7 ] 陈祖煜．论边坡稳定S a r m a 法中条块间作用力方向的两种可能性 [ J ] ．中国水利水电科学研究院学报，1 9 9 7 1 1 9 2 6 ． [ 8 ]王根龙，伍法权，李巨文．岩质边坡稳定塑性极限分析方法 斜分条法[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 7 ，2 9 1 2 1 7 6 7 1 7 7 1 ． [ 9 ]门玉明．土坡稳定性的极限分析方法[ J ] ．西安地质学院学报， 1 9 9 6 ．1 8 2 5 8 - 6 3 ． [ 1 0 ] 童志怡，陈从新，徐健，等．边坡稳定性分析的条块稳定系数 法[ J ] ．岩土力学，2 0 0 9 ，3 0 5 1 3 9 3 1 3 9 8 ． 万方数据