尾矿库渗流溃坝模型试验研究

以云南某尾矿库为工程背景,采用自制的尾矿库溃坝试验装置,开展尾矿库室内堆(溃)坝模型试验研究,分析在渗流破坏情况下尾矿库溃坝过程、溃口发展、下泄泥砂沉积规律。结果表明:空隙中的可动颗粒被渗出水流带走,造成初始渗流通道建立并扩大,坝肩中部出现"砂流溢出"和"沼泽化"现象;随着坝体集中渗流通道的扩展,出渗点位置上部饱和坝体在自重作用下发生沉降和垮塌,并向上游呈牵引式发展,随后库内水流漫过坝顶垮塌部分的最低点,导致溃口的形成,坝体破坏模式由逆向牵引破坏向溢流侵蚀破坏转变;在溃坝的不同时刻溃口发展是不同的,初中期以下切为主,后期以横向展宽为主;由于水流的分选作用,下泄泥砂在坝体下游的沉积随演进距离的增加,表现出由粗到细的规律,且不同位置出现了粒径的分级现象。以上研究成果能为矿山的防灾减灾提供理论基础。     

库水位变动条件下的尾矿库溃坝模型试验研究

针对尾矿坝的溃决模式和尾矿库在库水位变动情况下发生溃坝危险等问题,采用自行设计的尾矿库溃坝模拟试验装置并考虑水位变化情况下,开展了尾矿库室内溃坝模型试验。结果表明：1）在库水位变动条件下,尾矿库发生漫顶溃坝,溃坝过程中,水流侵蚀引起的连续下切加深和溃口边壁发生失稳破坏引起的横向展宽是控制溃口演化的两个重要因素;2）坝体在溃决后发生明显的垂直沉降和水平位移,坝体沉降位移主要发生在坝肩和坝体中上部处,而坝体水平位移主要发生于坝体中下部和坝脚处;3）溃口处坝体下沉位移达到最大,溃口下泄泥沙流颗粒粒径随着距溃口距离的增加而逐渐递减,粒径分级现象由不明显到明显,临界距离为距溃口150 cm处。研究为尾矿库在库水位变动情况下的灾害防治提供较好的指导意义。     

基于相似理论的尾矿库溃坝模型试验研究

为了定量掌握尾矿库坝体的溃决过程及其对下游的影响,采用相似理论建立尾矿坝物理模型,对某高程尾矿库溃坝进行了详细过程记录和研究,分析溃坝过程中坝址流量、水位过程线以及尾砂向下游演进规律。试验结果表明：尾矿坝在40 min左右发生漫顶、垮塌泄流现象,同时坝址出现洪峰,其最大流量达4040 m³/s,洪峰沿程传播衰减,其下游断面洪峰逐步平坦且形态呈锯齿状;堆积坝最大溃口宽度约110 m,深度约50 m;溃口下游断面水流宽度有所缩窄,随着水流的逐步下移,溃口宽度先增大后逐步减缓趋于平衡。研究表明,尾矿堆积坝顶在溃坝时为尾砂下泄的重点破坏区域,特征断面越靠近堆积坝,冲刷深度越大,离堆积坝越远冲刷深度越小,且冲刷宽度越来越窄,泥沙淤积现象越明显。     

不同降雨工况下尾矿库溃坝模型试验及潜在经济损失评估研究

采用尾矿库降雨溃坝试验装置,以赣南某尾矿库为原型,对不同降雨工况下(50, 70, 90, 110 mm/h)尾矿库溃坝过程、溃口发展、淹没范围和转运距离、下泄尾砂沉积规律和溃坝影响范围潜在经济损失评估进行尾矿库溃坝模型试验。结果表明：随着降雨强度增加,相同时间阶段坝体的破坏越严重,但对坝体破坏规律的影响并不显著;4组试验中坝体溃口总体呈“喇叭”状发展变化,最终溃口的宽度、深度随降雨强度的增加不断增大,在不同阶段表现出不同特点;溃坝后尾砂流淹没范围随单位时间变化大致分为3阶段,淹没范围、转运距离随不同降雨工况而改变;溃坝尾砂粒径在模型下游的沉积表现出随转运距离的增加而递减,在距模型坝址120 cm处粒径出现较大变化,破坏过程中坝体细颗粒流失对坝体稳定性产生不利影响;通过损失风险评估得出若发生最大降雨工况的溃坝,事故后果严重性等级为“极重度”,该地区经济损失风险β值为1.21%,事故严重影响该地区社会经济。研究成果为尾矿库在降雨情况下的灾害防控提供参考。     

洪水漫顶工况下不同坡比的尾矿库溃坝试验研究

尾矿库溃坝过程影响因素较多,其中坝坡比很大程度上影响着溃坝的发展。为此,建立尾矿库溃坝试验模型,研究洪水漫顶工况下不同坝坡的溃坝过程。为提高数据收集精度,使用三维激光扫描仪对整个溃坝过程进行扫描监测。结果表明：不同坡比的溃坝试验过程均以小股水流侵蚀开始,其后有冲沟、陡坎出现,中间伴随着坝体的局部坍塌,最后溃坝趋于稳定。坝坡越陡,冲沟和陡坎出现的时间越早,陡坎移动的速率越快,坝体在水流和自重作用下发生坍塌的次数和频率越高,溃坝历时越短;不同坡比的坝顶溃口宽度均经历了前期逐渐增加、中期迅速展宽、后期缓慢发展并趋于稳定的3个阶段;坝坡较陡的坝体中期持续时间相对较短,坝顶溃口展宽速度较大,溃坝发展的速度较快。     

尾矿库安全现状及溃坝失稳研究

主要对当前我国尾矿库的安全现状及特点、尾矿库溃坝机理和溃后泥石流的演进特性进行了综述。在尾矿库溃坝模式方面,尾矿库因漫顶而导致的溃坝属于溢流侵蚀型,因浸润线过高导致的溃坝属于逆流渐进破坏型。尾矿库溃后下泄泥石流的沿程速度变化、冲击力大小和堆积厚度是溃后下泄泥石流演进规律的主要研究重点,三者的变化主要与坝高、溃口形态、不同断面距离坝体距离等因素有关。     

连续降雨下尾矿库失稳溃坝数学模型研究与应用

针对连续降雨导致的尾矿库失稳溃决,基于饱和-非饱和渗流理论和水砂混合物非平衡连续方程和动量方程,建立了一个尾矿库边坡失稳溃坝数学模型。该模型可考虑连续降雨条件下尾矿库的渗流场和应力场变化、溃口和底床变化对溃坝下泄物流量过程影响。应用该模型对某尾矿库进行了连续降雨条件下失稳溃坝过程的模拟分析,计算结果表明：连续降雨入渗使尾矿库浸润线不断抬升,进而导致尾矿库边坡发生失稳,失稳后坝体受力条件急剧恶化,在上游荷载作用下发生剪切破坏导致漫顶溃决。     

尾矿坝溃坝泥砂运动特性及三维数值模拟研究

分析尾矿库溃坝泥砂运动特性对溃坝后安全治理措施有重要意义。本文分析了尾矿坝泥砂体积浓度的不同对于溃决尾矿泥砂在流动过程中的速度场的影响。运用CFD软件建立尾矿坝溃坝的三维几何模拟模型,借助Fluent_3D中VOF计算模型模拟尾矿砂、水多相流的流动规律及流动状态,模拟的溃坝流动特性与实验结果相一致,研究结果为尾矿坝的设计与安全监测提供理论依据。     

云南某矿山磷石膏尾矿库溃坝灾害影响分析

针对尾矿库溃坝事故,对溃坝后不同时间节点的影响范围及程度进行深入分析,并根据某矿山尾矿库现场测量参数计算确定下泄总量、溃坝口宽度、溃口最大流量、库浆下泄时间、库浆最大流速、库浆最大冲击力及溃坝的理论危害面积等溃坝的重要参数。最后,利用Gambit软件建立对尾矿库下游地区的简化模型,并通过ANSYS FLUENT软件对尾矿库溃坝进行实时动画模拟,以此分析尾矿库溃坝的影响。结果表明：1)该尾矿库发生溃坝事故时,库浆主要呈柱状涌出并开始向两边扩散,溃口库浆流速较快;2)溃坝发生后50 s时,库浆就能纵穿整个下游区域。到80 s时,整个下游区域几乎已经完全被淹没;3)数值模拟结果和尾矿库溃坝计算数据相比较,两者吻合良好。     

尾矿库洪水漫顶溃坝实验研究及数据分析

尾矿库是我国安全监管工作的重点内容之一,因其位置的特殊性,极易引发重特大事故。在加强尾矿库日常安全监管、降低事故隐患的基础上,建立漫顶溃坝试验模型研究坝体溃坝的演化过程、下泄流量及冲击距离,对加强下游库区安全管理、降低事故后果严重程度具有重要意义。本文基于相似理论建立了尾矿库漫顶溃坝物理模型,深入研究尾矿库漫顶溃坝过程中演化规律、冲击速度及下泄流体过泥深度等内容,并将实验结果与尾矿库溃坝计算模型结果进行对比,对比验证了物理模型实验数据的适用性、准确性,实验结果可为洪水期尾矿库的安全管理尤其是库区下游的治理工作提供理论和技术支撑。     

精细地形下铀尾矿库溃坝三维数值模拟研究

为研究铀尾矿库溃坝泥石流演进规律及其对下游环境的影响,基于VOF方法、RNG k-ε紊流模型,建立溃坝三维数值模型,利用水槽溃坝试验验证了数值模型的准确性;针对某铀尾矿库建立坝体三维模型及下游河道三维精细地形模型,采用计算流体力学软件Flow-3D对铀尾矿库局部溃坝进行三维数值模拟研究,得到溃坝泥石流流速、传播时间、泥石流深度等要素变化规律以及溃坝泥石流影响范围。模拟结果表明,尾矿库局部溃坝泥石流不会直接冲击尾矿库下游村庄。     

某尾矿库渗流计算数值模拟

根据尾矿库的具体工程地质条件,采用渗流分析软件对尾矿库进行渗流数值模拟计算.考虑尾矿库渗透水在尾矿堆积体内流动时做低雷诺数的层流运动,以线性达西定律为基础,模拟不同坝高在正常运行工况和洪水运行工况下的渗流数值计算.结果表明:在冲沟的位置有较大的速度矢量,对流沙的裹挟会使局部危害加剧;库内水位向下游尾矿堆积坝体的渗透过程中,总水头最大,浸润线在坝顶部逸出可能性最大,最容易发生渗流破坏.     

尾矿库坝基管涌破坏试验

以绵阳市平武县某铅锌矿选矿厂尾矿库设计资料为依托,利用尾矿坝溃坝致灾模拟试验台,对尾矿坝坝基进行了渗流破坏（管涌）的砂槽模型试验;观察并分析了渗流破坏（管涌）发生、发展并导致溃决的过程,即坝基管涌破坏可概化为无明显渗透变形阶段、形成阶段、发展阶段和整体破坏阶段等4个阶段;揭示了渗流破坏（管涌）的演化机理：当坝基水平平均水力梯度低于临界水力梯度时,管涌沟槽向上游仅在坝基一定范围内发展并最终停止,一旦超过该临界值后,管涌沟槽持续发展并最终与上游连通,连通管流的强力冲刷最终导致坝基整体结构失效和溃决。试验结果表明：①尾矿库坝基管涌破坏仅发生在砂层顶部的浅层区域;②坝基管涌破坏的水平平均临界水力梯度为0.484。     

尾矿库溃坝数值计算及对下游影响分析

尾矿库溃坝与水库溃坝和山体泥石流爆发在工程条件上有一定的相似之处。采用工程类比法,借鉴水库溃坝与山体泥石流的研究成果,结合尾矿库溃坝自身的特点,针对逐渐溃坝的情况,对原有模型进行适当调整,得出下泄砂流的洪峰流量、下游沿程最大洪峰流量以及坝下游某处洪峰高度的计算公式,给出了最大洪峰流量到达该处的时间计算公式。将计算公式应用于实际工程,其计算结果为溃坝下游影响分析提供了充分数据,也为尾矿库的设计与管理提供了必要的数据,为尾矿库选址提供了理论依据。     

尾矿库防渗技术及防渗土工材料应用现状分析

随着尾矿库环保监管的日趋规范化,我国尾矿库防渗设施设计建设形成以判别尾矿固废类别为前提,依据尾矿库特定的渗漏条件确定具体防渗方案的形式。尾矿库渗漏类型包括临谷渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏等,针对渗漏类型的不同,通常采用“垂直”、“水平”或“垂直与水平防渗相结合”等多种防渗方式。本文将分析阐述尾矿库常见几种渗漏类型的判别过程,提出依据渗漏类型确定防渗技术方案一般思路。结合防渗土工材料在尾矿库内坡防渗、柔性趾板连接、水平铺盖铺设以及不良地质处理等多方面的应用,分析其对防范尾矿坝渗水跑混、降低渗透破坏风险、减小坝基渗流及满足环保防渗的作用效果；揭示提高防渗土工材料适用性仍需解决的几个关键问题；提出研发低成本、高韧、高延展性土工材料和更为安全可靠的防渗铺设技术以适应于复杂尾矿库地质环境工况,应是防渗土工材料未来发展的一个重要方向。     

尾矿库溃坝滑坡体滑移距离的研究

尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源,尾矿库一旦发生溃坝事故,将产生巨大冲击力和破坏力。为了在有限的应急处置时间内制定及时有效的应急避险预案,减少溃坝后的人员伤亡、经济损失和生态环境破坏,需要正确估算溃坝后尾矿掩埋区滑移范围,即主要确定溃坝滑坡体滑移距离。针对尾矿库溃坝滑坡体滑移距离估算,提出了刚体沿折面滑动和刚体沿圆弧曲面滑动的2种滑动模型,分别建立了溃坝滑坡体滑移距离的计算公式。重点分析了扩散角、掺气深度、空气阻力、滑移体高度、残余强度、撞击动压力和拦挡坝等尾矿库溃坝发生滑移所涉及到的几个主要问题。通过实例计算,2种滑动模型的计算结果都与实际情况较为接近,可为今后尾矿库的安全管理以及选址提供参考。     

强降雨洪水条件下尾矿库溃坝灾害影响研究

强降雨是导致尾矿库发生溃坝灾害的重要因素。为进一步探究强降雨洪水条件下尾矿库溃坝灾害影响,依托四川某尾矿库为研究对象,分析不同降雨频率条件下（200年、500年、1000年）的洪水暴发强度,并结合FLO-2D软件对强降雨条件下尾矿库溃坝影响进行了数值模拟。研究结果表明：溃坝量对尾矿库溃坝致灾程度有显著影响,溃坝砂流的灾害影响程度随溃坝量的增加而增大;溃坝尾砂流的最大淹没高度和峰值流速随溃坝量的增加而增大,下泄砂流的沿程淹没高度随尾砂运动距离的增加呈下降趋势;在地面高程变化幅度大的区域砂流的流速明显偏大,地面高程变化对砂流流速变化有较大影响。根据溃坝模拟结果,对强降雨条件下的溃坝尾砂流致灾影响程度进行了预估,为相关尾矿库溃坝灾害预测提供了参考。     

尾矿坝漫顶溃坝机理及过程研究

准确理解尾矿坝漫顶溃坝的发展过程是模拟大坝溃口形状演变和计算溃坝下泄流量的基础。但于缺乏准确、完整的溃坝实例数据,对溃坝的发展机理理解不透彻,因而无法准确描述溃坝侵蚀的发展过程,对溃坝的研究仍处于半理论、半经验状态。为此,利用剪切应力（或牵引应力）理论和“陡坎”冲刷模型,研究了漫顶以后坝面侵蚀和漫顶溃坝机理,并在研究和分析土石坝漫顶溃坝破坏过程的基础上,结合尾矿坝自身特点以及相关理论,提出了尾矿坝漫顶溃坝破坏过程。