尾矿库溃坝条件下的区域水土流失模拟研究

2021-05-24赵野

黑龙江水利科技 2021年4期

赵野

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，沈阳 110003)

0 引言

尾矿库主要是存放非金属矿山废渣以及金属矿物的场所，一般主要位于山谷地带，是矿山生产不可或缺的场所。同时矿山挖掘最大的风险来源之一，尾款库受到人为影响是泥沙流形成区中具有较高势能的类型、尾矿库溃坝条件下的风险评估是当前对于尾矿库安全评估的重要措施，因此对于尾矿库的安全风险评估也逐步得到研究，但这些研究成果大都针对尾矿库溃坝条件下的洪水进行风险分析，而对于尾矿库而言，其溃坝条件下的水土流失影响也十分严重，在进行尾矿库溃坝条件下的安全风险评估时，其水土流失影响不可忽略[1-3]。近些年来，水力-泥沙耦合模型在一些水利工程水沙模拟得到应用，各研究成果表明该模型可综合考虑泥沙沿程分布的影响，相比于传统泥沙演算模型，更为准确，但该模型在尾矿库溃坝条件下的水土流失模拟影响还未得到应用，为此文章结合水力-泥沙耦合模型，结合辽宁某尾矿库工程，对其溃坝条件下的水土流失沿程分布进行模拟，从而分析其溃坝条件下的水土流失风险[4-5]。

1 模型计算原理

水力-泥沙耦合模型首选需要对尾矿库溃坝条件下的宽度进行计算：

b=K1K2W1/4B1/7H1/2

(1)

式中：b为溃坝计算宽度，m；K1为尾矿库稳定程度系数，取值为1.5；K2为特征参数，主要表征为尾矿库的防洪、水土流失特征，取值为1.3；W为总的库容，万m3；B为尾矿库总长，m；H为尾矿库高度，m。尾矿库受到溃坝时期高水位影响，其整体液化现象较为严重，综合考虑其运行安全，溃坝洪水采用圣维南方程进行计算：

(2)

式中：Qm为溃坝最大出口水量，m3/s;K为水力学系数，文章该参数取值为0.34；g为其重力加速度，m/s2；H0为溃坝时的初始时刻水位，m。尾矿库发生溃坝时大量的矿物细粒受水流冲刷影响形成较大的泥沙流，从而影响尾矿库下游人民生命财产安全，溃坝洪水到尾矿库下游断面水力、水文要素等特征的模拟可以分析其溃坝最大流量的沿程分布，从而为下游安全决策提供依据，溃坝沿程流量计算方程为：

(3)

式中：QL为沿程断面流量最大计算值，m3/s;QW为溃坝水土流失最大体积量，m3;L为溃坝泥沙流传播的距离，m;Vm为泥沙流演进的最大流速，m/s;K为泥沙流演进参数，取值为1.5。采用黄委会水科所推荐的泥沙流传播时间计算其溃坝条件下泥沙流的传播时间：

(4)

式中：t为泥沙流沿程演算时间，s;k为经验计算参数，取值为0.9；W为溃坝泥沙流的计算体积；H为尾矿库溃坝时的水深，m；hm为流量最大值时对应的水深均值，m。

2 实例应用

2.1 尾矿库概况

文章以辽宁某尾矿库为具体实例，该尾矿库耕地、林地面积、宅基面积分别为6148.3亩、30236.7亩以及183.5亩，占地总面积达到39185亩，其他用地类型主要为水域以及山地。原有居住在库区的农业人口总数为2035人，目前已全部搬迁出库区。该尾矿库设计总的高度为210m，坝顶高程最大值为250m，尾矿库中轴长度约为300m，坝体宽度总长为5.5m，上下游坡比为1∶2.5, 坝体主要为堆石类型。尾矿库总库容为4896万m3。

2.2 溃坝洪水演算

采用尾矿库溃坝洪水对其溃坝流量以及传播时间进行计算，结果如表1所示。

表1 溃坝洪水流量演算成果

从该尾矿库溃坝洪水演算成果可看出，该尾矿库的防洪标准为可抵御频率为0.5%的洪水，当发生超过此量级洪水时，尾矿库泄洪能力有限，极容易发生溃坝洪水。从尾矿库溃坝洪水流量演算成果可看出，第一个断面的溃坝洪水最大为1299m3/s，随着传播距离的增加，其溃坝洪水流量逐步减小，这主要受沿程水量损失的影响，当发生溃坝洪水时，下泄洪水沿程发生漫滩，可以使得其流量产生较为明显的损失。从尾矿库溃坝洪水的平均水深可看出，受沿程水量损失的影响，其溃坝水深均值也逐步减小，最大水深和最大流量均出现在第一个断面。从洪水传播时间可看出，当洪水传播到最后一个断面时，其传播时间为556.5s，表明溃坝洪水的传播速率较快，通过对溃坝洪水传播距离和传播时间分析，发生超标准洪水后，尾矿库传播速率将可达到0.64m/s。

2.3 溃坝水土流失量计算

结合前面所述的水土流失演算模型对尾矿库发生溃坝时的水土流失量沿程分布进行演算，演算结果如表2所示。

表2 尾矿库溃坝条件下水土流失沿程分布演算成果

当尾矿库发生溃坝洪水时，大量的尾矿库区内堆放的细粒废渣将形成大量的泥水流，给下游人民财产安全产生较为严重的影响。从尾款库溃坝条件下的水土流失沿程分布情况可看出，随着传播距离的增长，溃坝洪水携带的水土流失量将逐步减小，沿程出现较为明显的水土流失量递减变化，这主要是因为泥沙主要以水土作为其运移的载体，而由于溃坝洪水沿程水量损失的影响，其水土流失量也必将有所减少。受水土流失量沿程损失的影响，尾矿库溃坝条件下泥石流的宽度也将逐步减小，最大宽度主要出现在1#断面，该断面也是溃坝洪水流量最大断面，水土流失传播时间总体要低于洪水的传播时间，这主要是受到泥沙颗粒重量的影响，其传播速度要低于溃坝洪水的传播速度，从溃坝水土流失沿程距离和沿程分布时间可看出，溃坝洪水条件下的水土流失传播速率为0.53m/s，从其传播距离可看出，在发生尾矿库溃坝洪水后，其水土流失最大传播距离坝址为4.3km，该区域属于水土流失重点防范区域。

2.4 溃坝水土流失淹没范围分析

结合文章构建的水力-泥沙耦合模型对该尾矿库发生溃坝洪水条件下不同时刻水土流失淹没范围进行模拟，结果如图1所示。

T=15min

结合水力-泥沙耦合模型对四种不同计算时刻下尾矿库发生溃坝洪水时水土流失淹没范围进行了分析，从不同时刻水土流失淹没范围可看出，随着传播时刻的增加，水土流失的淹没范围有所减少，这主要是因为沿程水量和沙量都有较为明显的损失，使得当计算时刻为65min时，其水土流失的淹没范围最低。从各计算时刻的水土流失淹没影响范围看出，当发生该尾矿库的溃坝洪水时，其淹没最低高程均低于附件居民地的高程值，溃坝洪水携带的泥沙会对河道进行淤积，但是由于淹没高程低于居民地高程，因此其水土流失对于附件居民地的影响相对较小，但是大量的细粒废渣将对区域的生态环境产生直接影响。