小麦地尾矿库溃坝影响范围模拟分析

2022-10-14张学

现代矿业 2022年9期

张学

（云南磷化集团海口磷业有限公司）

尾矿坝一旦发生溃坝事故，不仅影响生产正常进行，而且会造成下游人员生命和财产损失，对生态环境造成污染，带来巨大的社会负面影响［1-2］。众多学者将数值模拟引进尾矿库溃坝的分析，进行了大量的研究实践，工作成本得到节约、效率得到提升。为验证在建成的尾矿坝基础上加坝建设的可行性，有必要进行尾矿库溃坝影响范围模拟分析，为尾矿库安全运行和管理提供参考。

以小麦地尾矿库溃坝影响范围模拟分析为例，借助FLUENT软件进行溃坝数值模拟，通过构建尾矿库下游三维模型，模拟尾砂和水流从溃口流出后的流动状况及其时程运动规律，得出溃坝影响范围，为企业尾矿库安全生产管理和三期加坝计划提供指导。

1 工程概况

小麦地尾矿库是云南云天化股份有限公司和以色列化工合资云南磷化集团海口磷业有限公司（简称公司）下属浮选厂磷矿石浮选尾矿堆存场所，位于云南省昆明市西山区海口街道办事处小厂村，距离公司浮选厂直线距离4.5 km，下游北东为小厂村，上游西为董家村、东为柳树村，交通较为方便。尾矿坝场地为一不对称的“V”型侵蚀谷地，坝基处谷底宽约50 m，第一、第二期坝顶高程为2 142 m，谷口宽约300 m。库区气候属中亚热带高原季节型气候，年平均蒸发量为1 179.16 mm。地区地震烈度为8度。

小麦地尾矿库于2007 年建成投入运行，设计总库容为1 112 万m3，设计总坝高为85 m，库区汇水面积约1.3 km2，属三等库。分3期建设，第一、第二期坝为一次建坝，第三期坝采用模袋法分级筑坝。根据昆明有色冶金设计研究院股份公司编制的《云南磷化集团海口磷业有限公司小麦地尾矿库三期加坝工程可行性研究报告》（简称可研报告），第三期加坝按照1∶4.0 的平均坡比采用模袋法充填填筑子坝，由2 142 m 高程增加至2 157 m 高程，每级子坝高3 m，共5 级模袋，新增坝高15 m，达到设计总坝高85 m，新增加有效库容约366 万m3，达到设计总库容1 112 万m3。鉴于尾矿库库容接近第二期有效库容681 万m3，第三期加坝需如期开展，涉及到坝体稳定性和溃坝安全风险。

2 尾矿库溃坝数值模拟分析

2.1 工程情况

小麦地尾矿库属于山谷型，坝址选择在沟谷口相对狭窄处，一旦发生尾矿坝溃坝，社会影响巨大。在设计、施工、管理等诸多影响尾矿坝坝体稳定性的原因方面，结合小麦地尾矿库现状安全风险调查分析，存在的溃坝风险主要为洪水漫顶、坝坡失稳、渗流破坏、地震液化、坝基强度不足等结构破坏导致溃坝。溃坝形式主要分为坝体瞬时全面溃坝和局部溃坝，局部溃坝又可分为瞬时局部溃坝以及坝体逐渐溃坝［3］。由于水流的冲刷作用及坝体的坍塌使得溃口随着水流冲刷时间越来越大，溃坝流量不断增加，造成大面积溃坝或全面溃坝，库内水位会随作用时间的增加而下降，并且水流冲刷能力也会减弱，直至溃坝过程结束，如果在发生溃坝的早期能够及时采取预防措施进行治理，便能够有效降低溃坝事故的危害。

小麦地尾矿库原第一期、第二期工程为一次性筑坝的碾压碎石土坝，稳定性验算表明：现状尾矿坝体在正常、洪水、特殊运行3 种工况条件下均处于稳定状态，满足规范要求，结合日常坝体位移、浸润线、渗漏量观测结果，得出已建成的第一期、第二期尾矿坝稳定性较高，发生溃坝的概率较低。

故此次小麦地尾矿库溃坝影响范围分析重点假设溃坝发生在三期加坝工程部分，溃坝区域高程处于2 157～2 142 m。根据可研报告，三期加坝工程防洪标准沿用第二期工程确定的1 000 a 洪水重现期，24 h 最大洪水总量约23.46 万m3，加上设定为三期新增有效库容366 万m3溃砂总量，共计389.46 万m3。客观上尾矿库发生溃坝时，通常伴随着暴雨，库区上游大量洪水将漫过坝顶，形成泥石流状的尾砂浆体。为了尽可能真实预测溃坝发生的概率及危害，计算工况确定以假设溃坝后形成类似泥石流的尾砂浆体的固体体积比为80%。

2.2 溃坝模型

基于Fluent流体计算软件，构建溃坝尾砂流动的数学模型，利用数值模拟方法求解下泄尾砂的演进过程。根据小麦地尾矿库库区下游1∶1 000 等高线地形图建模，涵盖尾矿库库区所在位置及周边环境和重要设施。根据库区等高线实测地形图，借助矿业工程建模软件3DMine 和Midas 的三维曲面建模功能，在尾矿库周边及下游区域等高线地形图基础上，生成小麦地尾矿库库区周边及下游三维模型（图1）。

将小麦地尾矿库库区周边及下游三维模型转化为通用文件格式，利用网格前处理软件对该模型进行离散网格划分，最终生成溃坝砂流的流动空间域（图2）。

从建模过程及实地踏勘得出，小麦地尾矿库库区周边三面环山，尾矿坝址处于沟谷口狭窄处，下游沟谷旁有处于半山坡的小厂村，沟谷出口有海口工业园区，溃坝影响范围涉及村庄、设施，属于“头顶库”。

根据可研报告，尾矿平均堆积干密度为1.2 t/m3，尾砂和水形成的尾砂浆体中固体体积比为80%，平均密度为1.16 g/cm3。发生溃坝时该类经过球磨分级浮选后形成的尾矿粒度较细，流动性较好，形成的尾砂流体中砂浆浓度较高，尤其是涉及“头顶库”，故模拟将下泄尾砂流变特性参数取为范围内的最大值。参数主要包括流体特性、边界条件、初始条件、求解控制条件及输出文件的设置。

2.3 模拟方法和步骤

尾矿坝溃坝砂流数值模型是在一定的简化假设基础上，给定研究系统的初始条件，通过离散的方法求解控制砂流运动的偏微分方程，经过反复迭代获得偏微分控制方程的近似解。尾矿库溃坝模拟的目的在于分析自溃坝时刻开始，不同时刻溃坝砂流的厚度、速度和影响范围。

此次模拟分析假定小麦地尾矿库溃坝在三期加坝最终堆积标高条件下发生，按洪水漫顶溃坝模式进行数值模拟计算。根据泥浆运动的理论模型及模拟方法，结合工程实例，建立三维尾矿坝溃坝模型，利用大型计算流体力学软件Fluent 对尾矿坝的溃坝过程进行数值模拟，分析溃坝事故对下游区域造成的影响范围。

FLUENT 是目前处于较为领先水平的大型商业计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件之一，广泛应用于模拟各种流体的流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。FLUENT 通过交互的菜单界面与用户进行交互，用户可通过多窗口方式随时观察计算的进程和计算结果。计算结果可以用云图、等值线图、矢量图、XY散点图等多种方式显示、存储和打印［4］。采用FLUENT 软件模拟尾矿库溃坝砂流包括以下步骤。

（1）根据实际库区地形条件，用ICEM 软件建立溃坝模拟的几何模型，并对几何模型进行网格划分。

（2）在FLUENT 软件中导入几何模型，定义气相和液相（包括水相和泥相）材料，采用多相流模型，设置求解参数和初边值条件。

（3）在FLUENT软件中进行迭代求解。

（4）用经验公式验算求解结果。

3 溃坝模拟分析结果

3.1 溃坝尾砂下泄流速分析

从图3 中不同时刻下泄尾砂速度计算结果可以看出，溃坝发生后，下泄尾砂从溃口一倾而出，高势能的尾砂由重力势能迅速转化为动能，在第10 s流速达8.50 m/s；受坝体高地势和下游沟谷落差的影响，10～20 s 尾砂流速进一步增大到8.83 m/s；随后，尾砂持续向下游演进，由于受到下游沟谷两侧山体撞击和下游沟谷多处转向的消能作用，以及地表摩擦阻力的持续影响，下泄尾砂演进速度开始呈现出持续下降的趋势；计算到2 000 s 时刻，下泄尾砂流速为0.35 m/s，尾砂流运动基本停止，淹没范围不再扩大。

3.2 溃坝尾砂下泄的演进历程

从表1 中看出，溃坝发生后，尾砂迅速从溃口流出，并沿着下游沟谷向地势较低处蔓延，淹没范围迅速扩大。尾砂浆体在150 s时刻下泄的最大演进距离约为500 m，此刻尾砂流动至小厂村村头处的沟谷；250 s时刻尾砂最大演进距离约1 000 m，此刻尾砂流动至小厂村村尾处的沟谷；1 500 s 时刻最大演进距离约2 700 m，尾砂流已抵达下游最远处的沟谷；2 000 s 时刻尾砂演进的距离已流出下游的最大模型边界，最大演进距离超过2 900 m；随后下泄的尾砂持续的从下游出口边界流出，沟谷内堆积的尾砂浆体也在洪水的携带下持续的向下游堆积。在砂流演进的路径上，距离坝址下游约500～1 000 m 小厂村对应的沟谷会有大量的尾砂堆积。

3.3 溃坝尾砂淹没厚度及范围分析

从表2 中看出，通过对溃坝模拟结果进一步分析，在距离坝址下游500 m 处小厂村村头的沟谷横断面内最大淹没厚度约13 m，1 000 m 处小厂村村尾沟谷横断面处最大淹没厚度约6 m，距离坝址下游1 500 m 处的沟谷横断面最大淹没厚度约4 m。最大淹没厚度沿程变化总体上是减小的，最终下游的最大淹没面积约0.31 km2。其中，溃坝尾砂浆体沿着下游沟谷运动，堆积在沟谷的尾砂对旁边处于半山坡的小厂村会造成威胁，在沟谷2 900 m 以外的海口工业园区不受影响。

4 溃坝模拟分析不利因素及工程措施

小麦地尾矿库下游小厂村距离尾矿坝坝址约500～1 000 m，为此，需重点关注尾砂浆体流经沟谷对处于半山坡小厂村的影响。该处对应沟谷断面内的尾砂最大堆积厚度在6～13 m。其中，村头位于村西侧500 m 处，基本与沟底处于同一高程，尾砂最大堆积厚度为13m，该处房屋会受到影响。村中部位于下游1 000 m 处，高程2 040 m，高于谷底断面最低高程2 018 m，尾砂最大堆积厚度为6 m，该处房屋不受影响。村尾部位于村东侧1 500 m 处，高程2 024 m，高于谷底断面最低高程2 004 m，尾砂最大堆积厚度为4 m，该处房屋不受影响。

对于小厂村村头，必须考虑可行的工程治理措施，一旦发生尾矿库溃坝，对下泄的大量尾砂浆体采取疏导引流，保持泄洪通道畅通。建议将此处的“沟谷”开挖出断面尺寸为30 m×100 m、深度为5 m 的沟道，可避免溃坝尾砂堆积该处，从而保护半山坡的居民房屋不受冲击影响。