1前言
在新建尾矿库的设计工作中、以及尾矿库的日常管理工作中尤其是在尾矿库的应急管理工作中，往往需要对尾矿库溃坝可能造成的危害及危害范围进行估计，以指导其设计、日常管理以及应急管理，但现在并没有一个成熟可用的数学模型对尾矿库溃坝进行模拟分析，在大部分工作当中，全凭设计人员与管理人员的经验来进行判断，而且在尾矿库下游多远处为安全距离也存在很大的争议，没有一定的规律可循，造成了在尾矿库设计、管理乃至监管工作中的不便，因此有必要对尾矿库溃坝进行数学模拟，以为尾矿库管理工作提供方便。
2尾矿库溃坝的基本特征
2.1泥石流形成条件
泥石流的发育必须具备三个基本条件，一是有利的地形地貌基础;二是有丰富的补给物质条件;三是有适当的降雨水源激发。
1、地貌条件
地貌条件是形成泥石流的内因和必要条件，制约着泥石流的形成和运动，影响着泥石流的规模和特性。泥石流形成的地貌条件主要是泥石流沟沟床比降、沟坡坡度、坡向、集水区面积和沟床形态等,表1是根据对典型泥石流的统计而得出的各条件对泥石流的影响。
表1 泥石流形成地貌条件统计结果
2、物质补给条件
在泥石流沟内都有大量碎屑物质形成的地质条件，一般在东部山区以滑坡为主，而在西部山区以崩塌为主，而随着人类经济活动的增多，尤其是矿山建设和开采活动的加剧，对森林植被造成严重破坏，是引发泥石流的重要原因之一。矿山生产中弃渣不作合理处理，甚至有的乱挖乱采破坏山体，一遇暴雨往往产生泥石流，造成灾害。
3、水源条件
泥石流的发生和水的关系极为密切,泥石流发生的水源主要来自大气降水，其次为地下水和冰雪融水，短时间暴雨尤易引发泥石流。
2.2水库溃坝分析
大坝溃决时,水库蓄水量突然下泻，造成下游水位暴涨和库区水位陡落。这种溃坝形成的溃坝波，不仅可能引起库区坍岸和其他损失，更为严重的是会导致水库下游地区灾害性的后果。
坝体溃决的类型一般分为瞬时全部溃决、瞬时局部溃决以及坝体逐渐溃决。大坝瞬时全部溃决、瞬时局部溃决是指大坝或部分坝段在坝址处瞬时消失;坝体逐渐溃决是指水流通过初始溃口，由于水流的冲刷切割及坝体的崩塌而引起的溃口不断扩展，溃决流量不断增加的过程，这一过程将随水库水位下降及水流冲刷能力的减弱而结束。
在溃坝洪水复核中，溃决类型的选择十分重要，溃决类型的选择一般依坝体的类型而定，对整体结构性大坝，如混凝土浇注的重力坝溃决类型常常为坝体瞬时全部溃决或瞬时局部溃决;对于散粒性大坝如均质土坝或堆石坝，由于缺乏整体刚度，破坏往往又是由于局部水流渗透或过坝溢流冲刷，因此溃决类型常表现为逐渐溃决。
一般的土坝溃决原因主要有：1)防洪设计标准不足;2)超标准洪水入库;3)溢洪设施不能正常运行，没有足够的泄洪能力;4)坝体内部出现缺陷，如坝身、坝基的异常渗水，管涌等;5)运行管理不当等。
2.3尾矿库特征
尾矿库作为堆存细粒尾矿的场所，在特定的沟谷内通过人工筑坝等形式，堆积了大量松散细粒物质，其汇水面积均不大，通常不会超过5km2，一般为0.3～3km2，其所处沟谷坡降一般在0.05～0.2范围内，而由于尾矿堆积所形成的人工边坡一般为1：4～1：3，其所处地形及形成的特点与泥石流高发段颇为相似。尾矿库从其库形条件来说，采用尾矿筑坝，与一般水库的土石坝一样同为松散体，其库尾存在有较大的调洪库容与安全库容，此部分库容内要么是空置，要么充满了水，在非常时期，洪水可能漫至坝顶，因此尾矿库本身就可以看作是一个小型水库，一旦发生洪水漫坝，由于筑坝材料为松散尾矿，极易被冲刷出大的缺口，从而导致溃坝，溃坝后水流与小型水库溃坝极为相似。
尾矿库一旦溃坝，堆存的细粒尾矿在地表水的作用下形成溃决型泥石流，根据对国内外的溃坝案例进行统计分析可知，尾矿库溃坝成因一般有以下几种方式：
1)洪水漫坝造成坝坡失稳;如湖南柿竹园牛角垅尾矿库溃坝事故，岿美山尾矿库洪水漫顶溃坝事故、银山铅锌矿尾矿坝决口事故等。
2)长期高水位运行造成坝坡失稳;如云南锡业公司火谷都尾矿库溃坝事故、山西襄汾塔儿山铁矿尾矿库溃坝事故、辽宁海城尾矿库溃坝事故等。
3)人为破坏等外力因素造成坝坡失稳。
分析尾矿库溃坝成因，可知洪水漫坝成因泥石流多为稀性泥石流，其特征为：稀性连续流的土水比小于0.35，石土比0.2~0.001，容重为1.6~1.3t/m3。泥浆体的粘滞作用很小，接近水流特征，流态紊乱，石块翻滚并相互撞击。第二种由于长期高水位运行造成的饱和失稳则为从塑性蠕动流迅速发展为粘性阵流，其特征为：阵性连续流的土水比为0.6~0.35，石土比为1.0~0.2，容重为1.9~1.6t/m3。泥浆更接近于流体性质，属过渡性泥浆体。
因为洪水漫坝是溃坝的主要原因，而库内水流与水库溃决颇为相似，因此采用工程类比法来进行尾矿库溃坝模型的建立工作，借用水利学中的溃坝公式以及泥石流配方法分析来估算尾矿库溃坝可能产生的流量、冲击范围、流速、冲击力等参数。
3尾矿库溃坝模型的建立
3.1尾矿库溃坝洪流的计算公式
尾矿库溃坝后坝址断面溃坝最大流量的计算利用水利学中水库溃坝经验公式来进行，该公式考虑了瞬间全溃和局部溃决的情况。公式为：
(1)
式中：Qw为坝址处溃坝洪水最大流量，m3/s;g为重力加速度，m/s2;B为坝址处的库面宽，m;H为坝前水深，m;L为库区长度，m， L>5B后，仍取L/B等于5;h为溃口处残留坝体的平均高度，m;为经验系数，近似按=1.4(bh/BH)1/3估计;b为溃口的平均宽度，m，可按以下方法估计：
当溃坝时蓄水V≥100万m3时，有,式中：为坝体材质系数，对粘土坝、粘土心墙或斜墙坝和混凝土坝取1.19，均质壤土坝取1.98。当V<100万m3时，有,式中：坝体施工和管理质量好的取6.6，差的取9.1。以上两式中B、b、H单位为m，V单位为万m3，B/b一般不应超过17。
3.2尾矿库溃坝后泥石流的估算
尾矿库溃坝后往往形成灾害性泥石流，其主要特征表现为暴发突然、来势凶猛、冲击强烈、冲淤变幅大、沟道摆动速度和幅度大等几个方面。根据形成过程可将尾矿库溃坝后形成的泥石流分为土力类泥石流和水力类泥石流。土力类泥石流的性质一般偏粘性，水力类泥石流偏稀性。
类比泥石流计算的配方法与雨洪修正法来对溃坝泥石流进行流量估算，其计算公式为：
(2)
式中φ为泥石流修正系数，按
计算;Dm为泥石流堵塞系数，Dm值在1～3之间，可按其堵塞程度选用，因为尾矿库作为一个废渣存放地，在使用初期仅为轻微堵塞，因而Dm可取值为1.0-1.5，在使用中后期可以作为泥石流在坝址位置遇到了最严重的堵塞，因而Dm值可取3.0。
3.3溃坝最大流量向下游演进的计算
1、尾矿库下游某断面溃坝最大流量的计算
如图1、图2所示，坝址处的溃坝流量过程线在向下游演进中，将不断展平，溃坝和最大流量将很快衰减,采用非恒定流解法，由坝址处的溃坝流量过程逐段演算出下游各断面处的流量过程，溃坝在下游某断面处形成的最大流量，其经验公式计为：
(3)
式中：Qm为坝址处溃坝最大泥石流流量，m3/s;Qm,l为Qm演进至距坝址处的溃坝最大泥石流流量，m3/s;V为溃坝时的尾矿库有效容积，m3，可以按(1+φ)DmV水进行计算;为洪水期间河道断面平均流速，m/s，一般可取下列数值：山区河道7.15m/s，半山区河道4.76m/s;平原河道3.13m/s。
图1 溃坝洪水沿程演进示意图
图2 溃坝水流状态示意图
1—坝址断面(第Ⅰ断面);2—坝下游第Ⅱ断面;3—坝下游第Ⅲ断面;4—坝下游第Ⅳ断面
2、溃坝最大流量到达下游某断面所需时间的计算
除了要知道溃坝之后在下游各断面所需时间的最大流量外，还需要估计它们在下游各断面什么时候出现，即需要计算溃坝最大流量，从坝址到下游某外的传播时间，其计算经验公式为：
(4)
式中：τ为溃坝最大流量从坝址到下游处传播时间，s;hm为下游断面处最大流量时的平均水深，m;kτ为经验系数，等于0.8～1.2，水深小时取小值，大时取大值。
3.4溃坝泥石流冲击力的估算方法
1、泥石流流速计算
尾矿库溃坝形成的泥石流流速根据西南地区现行公式(据铁道部第二勘测设计院)进行估算，公式如下：
Uc=(Mm/α)R2/3I1/2 (5)
式中R为水力半径(m)，可近似取其泥位深度;Mm为泥石流沟粗糙系数，查表可得;I为泥石流沟纵坡比降(%);α为阻力系数，根据Gs，ρm可直接查表。
2、泥石流动压力计算
泥石流动压力计算公式为：
(6)
式中Uc为泥石流的平均流速(m/s);σ为施于垂直面的动压力KN/m2;为泥石流重力密度(KN/m3)。
3、泥石流冲高计算
泥石流冲高hΔc按下式计算：
hΔc=Uc2/2g (7)
4计算实例
1985年8月24日至25日，野鸡尾尾矿库上游强大的洪水、泥石流席卷着泥沙、石块、树木、杂草，越过坝尾截洪沟，在几分钟的时间内就将该库坝体冲跨。此次洪水和垮坝事故导致矿区死亡46人，冲毁淹没房屋、生产生活设备、设施(道路、桥梁、电线等)。
根据该尾矿库溃坝时的各参数对尾矿库溃坝形成的泥石流进行模拟计算，此次溃坝形成的泥石流计算结果见表2。根据计算结果并对比尾矿库下游沟谷情况即可对溃坝所造成的后果进行相应的分析，从而得出尾矿库选址的合理性分析。
表2 野鸡尾尾矿库溃坝泥石流计算结果
5结束语
尾矿库溃坝模型是建立在水库溃坝形成的洪流以及洪流与松散尾矿混合形成泥石流的基础之上得出的，其在工程条件上有一定的相似之处，其计算结果可以为尾矿库的设计与管理提供必要的数据，为尾矿库选址提供理论依据。
由于溃坝流量计算受各项因素影响，例如泄空的时间，冲刷破坏的形式，水头的大小，很难计算出准确的溃坝流量，因此还需在以后的实践中进一步建立与尾矿库各系数相关的经验公式，以提高模型的实用性。
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编辑：中冶有色技术网
来源：湖南有色冶金劳动保护研究院
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