1前言
迄今為止，世界上正在使用的各類尾礦庫超過2萬座[1]，我國目前建有幾千座尾礦庫,星羅棋布于礦區溝壑山谷之中,數量多、分布廣,庫容規模相差很大。初步統計,具有一定規模的尾礦庫約1500座[2]。尾礦庫一旦潰壩會形成大規模的尾礦泥石流。尾礦泥石流具有高勢能、流速快的特點，對下游破壞力極強，可摧毀房屋村莊樹木，破壞各種公共交通設施，尤其是嚴重危害下游居民的生命安全[2]。由于尾礦泥石流是由粒徑較小的尾礦砂組成，并且尾礦庫所處山區地形較陡，它所形成的泥石流比一般砂石泥石流流動距離更遠，破壞力更強[3]。
目前尾礦庫潰壩泥石流演進沒有一個成熟可用的數學模型對尾礦庫潰壩進行模擬分析，針對尾礦庫安全日益嚴峻的形勢，本文借鑒成熟的泥石流演進研究成果及經驗公式(公式1—公式8 [4][5] [6])，利用工作中常用的工具軟件，采用數值模擬法對兩種比較常見的尾礦庫潰壩泥石流(下游為平直型山溝和串珠型山溝等多種情況)進行簡單計算，提出了一種尾礦庫潰壩泥石流的下游淹沒區域的簡單計算方法，并在福建某尾礦庫得到實際驗證。本文研究成果對指導礦山企業對尾礦庫下游安全區域劃分及日常管理具有重要意義。
2平直型山溝淹沒區域的計算
以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點，沿尾礦庫所在山溝每隔50—200m(設置距離根據溝谷的寬度變化及彎曲程度，平直型溝谷設置間距大，串珠狀溝谷設置間距小)設置一條垂直于溝底的剖面。在計算過程中，溝谷的溝底坡度，溝谷植被如無明顯變化，一般認為溝底坡度、粗糙率不變。借助泥石流計算領域的經驗公式，可連續計算得到尾礦庫潰壩時潰口的平均寬度、尾礦庫壩址處潰壩洪水最大流量、壩址處潰壩泥石流流量、不同計算斷面處的最大泥石流流量。求得尾礦庫下游潰壩泥石流淹沒區域的關鍵是求得潰壩泥石流的泥深(水力半徑R)，在潰壩泥石流經過的某一斷面上存在關系式：過流斷面面積(S)=流經此斷面的流量(Qml)÷此斷面泥石流流速(Uc)，各斷面的流量可通過經驗公式計算得。
Uc是水力半徑R的函數(見公式7)，而各斷面不同水力半徑下的潰壩泥石流過流面積可列表計算(見表3)，然后根據S=Qml÷Uc，列表計算出水力半徑R(泥深)的值。
在計算過程中，主要用到的工具軟件為Auto CAD和office軟件中的Excel軟件。Auto CAD主要用來對潰壩泥石流流經溝谷作垂直于溝底的剖面，以及圈定各斷面不同水力半徑下的過流斷面面積;計算過程主要利用Excel軟件中公式編輯功能及曲線圖功能，對各斷面各參數進行列表計算，并對串珠型溝谷進行調整計算，然后根據計算結果作曲線圖。通過對Auto CAD和Excel軟件的利用，大大降低了計算強度，提高了工作效率。
2.1潰壩口平均寬度計算
2.2壩址處潰壩洪水最大流量
2.3壩址處泥石流最大流量
2.4各斷面最大流量計算
2.5下游不同斷面潰壩泥石流流速
2.6各斷面不同水力半徑(R)下的過流面積(S)
以尾礦庫初期壩壩址處為計算參考點，沿尾礦庫所在山溝每隔100m設置一條垂直于溝底的剖面。將剖面自最低處每隔1m(水力半徑)設為一層，共設n層，計算每層面積s及疊加面積S，得出水力半徑與過流斷面面積關系。
表3不同水力半徑下的過流斷面面積
2.7泥石流深度
根據關系式Uc×S=Qml，計算得過流斷面面積S，進而計算得水力半徑R，即尾礦庫潰壩泥石流流經該截面時的泥石流深度。
表4 某斷面相同水力半徑下的流速與過流斷面的乘積(Q)
當上表Qn與該斷面計算得Qml相等時，該Qn欄對應的R即為所要求得潰壩泥石流流經此斷面處的泥深。
潰壩泥石流在斷面m處的深度H=R，根據該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區域即為潰壩泥石流的淹沒區域。
3串珠型山溝淹沒區域的計算
3.1調整計算原理及原則
串珠型山溝寬度不一，河道彎曲，為了使計算得淹沒標高更符合實際，對各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積進行調整計算，調整計算原理見下圖。
調整計算遵循以下原則：
1)串珠型溝谷先按照平直型溝谷計算出各項參數(過流斷面面積、水力半徑、流量、流速)，然后根據所得的各項參數進行調整;
2)無論河道寬窄變化，自上游第1剖面開始，Qm一直變小;
3)各參數的調整大小根據斷面變化率進行調整，變化率大，調整大，變化率小，調整小;
4)潰壩泥石流在溝谷中流動過程中，各斷面泥石流頂標高呈逐漸下降趨勢(泥石流龍頭除外)。
圖1調整計算原理圖
3.2彎道超高和泥石流沖高
由于串珠型山溝河道存在彎曲，泥石流流經彎道和正對山坡流動時會有彎道超高和泥石流沖高，可按下式計算：
3.3外彎道處潰壩泥石流深度H
，根據該斷面河槽最低標高，可得泥石流的淹沒標高，將各斷面求得的淹沒標高沿地形線相連，所得的區域即為潰壩泥石流調整后的淹沒區域。
4工程應用
福建某尾礦庫壩底標高420.00m，最終堆積標高為625m，其總庫容為4781.1萬m3，其最終堆積標高時總壩高205m，設計為二等庫。初期壩為碾壓堆石壩，后期采用尾礦上游法堆壩，堆積壩平均外坡比為1：5，尾礦庫排水系統為排水井—隧道系統，尾礦庫匯水面積為3.992km2，后期設計防洪標準為1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。
尾礦庫下游600m范圍內有49戶居民(已達成拆遷協議)，該處居民安全拆遷作為當地政府的重點工作于2014年6月已啟動，并成立了安全移民專項工作領導小組，并經多方論證，在尾礦庫下游距離初期壩1800米處的山坡上+425米標高處劃定了一塊安置房建設用地，作為拆遷戶安置用地，該地塊已開始了平整工作。
為配合當地政府部門更好地組織好尾礦庫下游的安全拆遷工作，同時也為尾礦庫重大事故應急預案提供依據，需要對尾礦庫潰壩可能產生的最壞后果進行一次模擬分析，以確保拆遷安置用地不再位于尾礦庫潰壩的直接影響范圍之內。
4.2計算結果及分析
根據第2節與第3節中計算方法，計算得尾礦庫潰壩泥石流的各項參數，然后調整計算得最終結果，見表5。
表5工程應用計算結果表
根據調整計算結果，彎道處泥深H=R++，各斷面距離初期壩距離與流量、水力半徑、流速及過流面積曲線見圖2—圖6。
尾礦壩潰決后，潰決平均寬度為200m，洪水和尾礦砂同時下泄，最大洪水下泄流量為3057.75 m3/s，尾礦砂最大下泄流量為13821m3/s。
泥石流首先沿著初期壩下游河溝(流通區)向下游行進，到達溝口處速度為13.48m/s，進入堆積區，由于流通截面積突然變大，因此泥石流流速迅速衰減，流速衰減為4m/s左右，由于流速變慢，尾砂出現堆積現象。泥石流流經彎道時，彎道外圍泥石流面標高由于受沖高和彎道超高影響，會高出1—2m。泥石流流拆遷安置點時，泥石流頂面與拆遷安置點地面標高有近33m高度差，因此尾礦庫潰壩泥石流對拆遷安置區無直接影響。
由于堆積區河溝較粗糙，植被較發育，且多道彎，能起到降低泥石流動能和勢能的作用，泥石流在堆積區流進過程中會逐漸堆積，流量會逐漸衰減。泥石流淹沒區域見下圖。
5結論
尾礦庫潰壩模擬是在經驗公式的基礎上，對流經各計算斷面的不同水力半徑下的過流斷面面積、泥石流流速、流量及流經各斷面的泥石流深度(水力半徑)進行列表計算，然后根據串珠型溝谷的特點及調整計算原則進行調整計算，從而得出與實際情況較符的泥石流泥深(水力半徑)、流量及流速，從而計算出潰壩泥石流對下游的淹沒區域。根據計算結果，可對尾礦庫下游安全區劃分、尾礦庫安全管理及應急預案編制起到指導作用。
在計算過程中，溝谷的摩擦系數與河槽坡度等因素的變化，對結果都有影響，需進一步深入研究。
參考文獻
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聲明：
“簡單的尾礦庫潰壩泥石流演進計算方法研究” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：湖南有色冶金勞動保護研究院、長沙迪邁數碼科技股份有限公司
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