尾矿库洪水漫顶溃坝演化规律试验研究

为分析尾矿库洪水漫顶溃坝的演化规律,采用物理模型试验方法建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。在自主研制的尾矿库溃坝模拟试验平台上,以国内某尾矿库为研究对象,基于非恒定水流泥沙非平衡非饱和冲刷机理,根据模型相似理论和溃决侵蚀模型原理,模拟尾矿库洪水漫顶溃坝过程,建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。试验结果表明,尾矿库洪水漫顶溃坝位移与坝体饱和程度有关,坝体浸润线越高,尾矿库溃坝时滑动位移越大,溃口破坏程度取决于溢流对坝体的冲刷侵蚀作用;在该试验条件下,获得尾矿库洪水漫顶溃坝过程中坝体位移、浸润线高度、溃口最大流速和溃口的演化规律。降低坝体浸润线高度、增大安全干滩长度、铺设坝面引流明渠等措施有助于减少尾矿库洪水漫顶溃坝的灾害破坏。     

中线式尾矿库洪水漫顶溃坝演化规律模拟研究

为了解中线式尾矿库洪水漫顶溃坝的过程和机理,并提出可行的工程措施,以某中线式尾矿库及下游周边环境为研究对象,采用物理模型试验和数值模拟法对中线式与上游式尾矿库安全性进行对比研究。研究结果表明:由于中线式尾矿库外坝坡堆积粗尾砂的渗透系数偏大,其较上游式尾矿库溃口发展的速率更快,溃坝过程持续时间约14.5 h,坝顶被泄流冲刷形成的溃口宽约289 m,尾矿库下游沟道研究范围内尾矿淤积约871万m3,大量的尾矿仍滞留在库内;采用数值模拟得出的演化趋势与物理模型试验基本一致,但数值模拟计算的尾砂流动速度较快;在拦砂坝下游修建应急拦砂坝工程,物理模型试验表明拦滞尾矿洪水时间约38 min,数值模拟结果表明拦滞尾矿洪水时间约16 min,因此应急拦砂坝措施可有效延长应急逃生时间,减轻溃坝对下游居民的影响。     

不同溃坝条件下尾矿库溃坝试验与灾害影响研究*

为探究不同溃坝条件下尾砂流的演进规律与灾害影响,提高应对尾矿库溃坝灾害的防灾减灾能力。以四川某尾矿库为研究背景,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,研究不同溃坝条件下溃坝砂流的演进和沉积规律,并预估溃坝灾害影响。研究结果表明:溃坝方式对溃坝砂流的演进过程、尾砂的沉积分布情况与致灾程度有显著影响;与漫顶溃坝相比,瞬时溃坝砂流的淹没范围更广、破坏性更强;砂流在流动过程中存在水-砂分层流动与沉淀的动态变化过程,其淹没面积大于尾砂的沉积面积;试验与数值模拟结果的一致性较高,采用两者相结合的方法研究溃坝砂流流动规律及灾害影响具有一定的可靠性。     

国内尾矿库物理模型试验研究现状分析*

为提高尾矿库物理试验的科学性与可靠性，采用文献资料收集与分析方法，对国内尾矿库物理模型试验的研究现状与主要成果进行梳理和归纳；总结试验模型存在的问题与不足。结果表明:溃坝机理试验主要研究了管涌渗透、洪水漫顶、地震作用下的溃坝及其演化过程；下游演进试验主要揭示了溃坝过程中泥深、冲击力、流速、泄砂量、淹没范围等时空分布规律；稳定性评价试验主要利用物理试验得到的浸润线位置、尾砂沉积分布等数据建立数值模型，对尾矿库筑坝过程、不同工程状况下的稳定性进行分析；防护试验主要对坝体加筋及拦挡坝防护效果等进行研究。从溃坝机理与过程、溃坝主要影响因素、溃坝下泄物运移过程、物理模型设计和构建、监测技术和手段等方面提出相应的研究建议，供研究学者参考借鉴。     

基于GDEM-PDyna的尾矿库溃坝三维数值模拟分析研究*

为进一步探究尾矿坝溃决后特有泥石流运移规律,掌握坝体破坏前至溃坝结束全流程发展状态,依托广东省某案例尾矿库为研究对象,采用基于有限元与离散元耦合方法的GDEM-PDyna软件构建泥石流类流体下泄演化数值模型,开展尾矿坝溃决演化分析,动态模拟尾矿库溃决过程中泥砂运动规律及淹没范围,并与MIKE 21软件计算结果进行对比。研究结果表明:尾矿坝溃决后,泥石流类流体流速升高、持续时间较短且尾砂流量发展迅速,2种模拟方法对比结果表明溃坝后坝基位置下泄流量变化与下游敏感点溃坝淹没深度变化情况一致。研究结果可为实现尾矿库下游重点区域灾害评估提供量化支撑,可有效提高尾矿坝溃决后灾害影响评估的精准性。     

基于FLO~(2D)与3DMine耦合的尾矿库溃坝灾害模拟

为预测和评价尾矿库溃坝的致灾情况,提高库区防灾减灾能力,建立尾矿库溃坝数值仿真模型。采用FLO2D泥石流模拟软件对湖南某尾矿库进行溃坝灾害过程仿真,并将模拟结果与3DMine数字矿山软件耦合,实时反演溃坝灾害过程。分析结果表明,该尾矿库溃坝时的最大溃决流速为40.2 m/s,下游沟谷最大淹没深度达13.6 m,溃坝瞬时最大冲击应力达100 MPa。三维动态反演了尾矿库溃坝前稳定状态、溃坝后0.01,0.02和0.05 h的尾砂流动状态和淹没范围。根据溃坝泥砂流动强度,对该尾矿库全部溃坝和半溃坝时的灾害程度进行三色图判别。     

基于MIKE11的堰塞坝溃决过程数值模拟

堰塞坝溃决过程数值模拟结果主要取决于水流模型、溃口展宽和溃口泥沙侵蚀。阐述了堰塞坝溃决的基本原理,依托于资料完整的唐家山堰塞坝溃决过程,使用MIKE 11模拟了其溃决洪水流量过程、溃口展宽、侵蚀流速及溃口底高程的冲刷过程,模拟结果均与实测资料接近。通过参数敏感性分析发现,溃口初始宽度和筑坝材料孔隙比对结果影响较大,坝体上下游坡比对结果影响较小,验证了基于物理机制模型的MIKE11在溃坝洪水过程数值模拟中的合理性和稳定性。模拟结果表明,Englund-Hansen泥沙侵蚀方程适用于孔隙比约为0.4、粒径2~8 mm的砂砾石。     

筋带对尾矿坝漫坝破坏过程阻滞作用试验研究

为分析筋带在尾矿坝漫坝破坏过程中的阻滞性,基于相似理论和溃决侵蚀原理,进行加筋尾矿坝漫顶破坏模型试验。深入剖析加筋尾矿堆积坝漫顶演化规律和破坏模式,揭示筋带在尾矿坝漫顶破坏过程中的阻滞效应。结果表明:加筋尾矿坝的浸润线上升滞后于未加筋情况;加筋尾矿坝漫坝破坏呈台阶破坏模式;筋带对尾矿坝漫坝破坏发展速度和侵蚀沟深宽有明显的阻滞作用。采取尾矿坝加筋措施能有效防御洪水漫顶溃坝灾害。     

尾矿坝溃决泥浆运动机制及其预测模型研究

以尾矿溃坝砂流下游演进动力学过程为研究重点,综合运用水文学及水动力学等运动理论和数值计算方法,建立描述尾矿坝溃决泥浆运动的数学模型,采用VOF模型对溃坝后的砂流运动过程进行数值模拟。以某溃决尾矿坝为例,对溃坝后下泄砂流演进过程进行模拟,模拟得到的最终影响范围及泥深均与该溃决尾矿坝溃后的现场观测结果相吻合,证明了模拟的有效性和正确性。     

中国安全生产科学研究院“十三五”系列科研成果

正尾矿库溃坝大型物理模拟试验与全寿命服役期健康诊断技术依托项目"十三五"重点研发课题"尾矿库溃坝大型物理模拟试验与数值仿真技术"(2017YFC0804603)与"高尾矿库全寿命服役期健康诊断与风险评价技术"(2017YFC0804605)。研究内容中国安全生产科学研究院、南京水利科学研究院、中科院武汉岩土所等开展合作研究,进行了尾矿库溃坝模型试验、溃坝离心振动模型试验和下泄物下游演进模型试验,揭示了尾矿库的溃决机理;建立了合理预测尾矿库溃坝下泄物流量过程的数学模型和模拟尾矿库溃坝下泄物泛滥过程、最终覆盖范围与厚度的动力演进数学模型;提出了基于灰色预测模型和相关度分析的原观数据预处理方法,建立了渗透稳定、变     

筋带密度对尾矿坝漫顶破坏规律影响研究

基于相似理论和溃决侵蚀原理,进行不同加筋密度条件下尾矿坝洪水漫顶破坏模 型试验,探析了筋带密度对尾矿坝漫顶破坏影响规律。试验结果发现:①随着筋带密度 的增加显著提升了尾矿坝的力学强度,但也导致了坝体内的浸润线升高;②筋带密度的 增加使溃口由“Y”型逐渐向“H”型转变;③筋带密度的增加阻滞了漫坝破坏的发展, 坝体位移及内部应力变化量明显减小;④增加筋带密度提高了坝体的抗冲刷能力,减弱 了洪水对蚀沟两岸尾砂的拉拽作用,保证了蚀沟两翼坝体的稳定;⑤随着筋带密度增加 ,可有效减小坝体位移和溃口深度、宽度的发展,当筋带超过2层后,筋带层数的增加 对坝体溃口宽、深基本无影响。研究成果深入探析了筋带密度对漫顶破坏影响规律,在 尾矿坝加筋研究方面提供了科学依据。     

细粒尾矿坝漫顶溃坝机制及灾变过程

为阐明细粒尾矿坝漫顶溃坝事故的致灾机制,在力学分析的基础上,借鉴前人成果,研究漫顶溃坝事故的产生机制和灾变过程。分析结果表明,尾矿坝的漫顶溃坝破坏是由水流牵引应力对坝顶溃口形成的促进作用、下泄水流对溃口的冲切加深作用和边坡失稳对溃口的横向扩展作用3方面共同影响造成的。分析尾矿坝漫顶溃坝的灾变过程可以发现,在坝体横向方向,从下游向上游,尾矿坝被漫顶水流层层剥蚀;在坝体纵向方向,水流的冲蚀作用导致溃口边坡产生间歇性失稳坍塌现象,2个方向的作用导致尾矿坝最终溃决。     

不同下游河道坡降尾矿库溃坝模型试验及下游影响研究

溃坝尾砂流是含有尾砂和土石的暂时性流体，具有演进时间短、破坏性大等特点，对库区下游人民生命财产造成巨大损失。以四川某尾矿库为研究对象，建立室内溃坝模型，研究3种下游河道坡降情况下尾砂流的演进和沉积规律，并引入FLO-2D与室内溃坝模型试验进行参照。研究结果表明:室内模型试验结果与数值模拟结果相似；地势改变对于溃坝尾砂流的演进有着较大影响，沟谷、转弯和地势平缓的区域有利于尾砂的堆积和沉积；尾砂流对下游的冲击力与最大移动速度的平方和流深呈正比例关系，3种工况最大冲击力位置都与最大移动速度或最大流深相邻；根据试验和模拟结果绘制尾砂流致灾影响程度图，可为生产企业新建、扩建尾矿库提供重要的依据，保证下游人员生命、财产安全。     

尾矿坝溃决砂流数值模拟研究及应用

为研究尾矿坝溃决砂流流动状况,基于二维溃坝水流数值模型及高含沙水流运动研究成果,建立尾矿坝溃决砂流数值模型。采用有限体积法对平面二维砂流运动方程及高浓度非平衡全沙输移方程进行离散求解,并运用中心迎风格式计算网格界面通量,且通过对界面两侧变量线性重构,使模型具有空间上的二阶精度。为保证模型的稳定性,用中心差分方法和半隐式方法,分别离散求解摩擦阻力项与底床坡度项。应用二维溃坝水流数值模型和尾矿坝溃决砂流数值模型,分别模拟某省尾矿坝溃决洪水、砂流运动状况。分析结果表明,尾矿坝溃决砂流与普通水坝溃决过程显著不同,受含沙量变化以及水流与泥沙相互作用和河床变形的影响,溃决砂流计算所得溃决不同时刻的流速、泥深与溃决洪水计算所得流速和水深有明显区别。     

沟槽弯度对尾矿库溃决矿浆运动特性影响研究

为研究尾矿库溃坝发生后,下游沟槽弯曲度对尾矿库溃决矿浆运动特性的影响,采用自主研发的尾矿坝溃决物理模型试验装置,模拟不同沟槽弯曲度下(30、60、90°)尾矿坝溃决过程,并开展试验,分析溃决矿浆沿程淹没高程、冲击力及流速变化。结果表明:增大沟槽弯曲度,弯曲断面处矿浆淹没高程增加,且高程整体趋势为"小-大-小",呈非线性增加;矿浆流经弯道后,矿浆冲击力在弯曲断面处均呈"断崖式"减小,且沟槽弯曲度越大,减小值越大;矿浆流速与沟槽弯度大小呈负相关性,且弯曲度越大,过弯后流速越小。     

尾矿库溃坝后果数值分析

溃坝灾害是尾矿库各类安全事故中后果最为严重、破坏性最强的一类。在对比分析了尾矿库溃坝砂流、水库溃坝水流和泥石流的基础上,探讨了尾矿库溃坝砂流运动状态的3种方法。并结合某尾矿库的实际情况,从5个关键因素入手,依据现有的水力学公式对该尾矿库的溃坝后果进行了数值分析,预测了尾矿库溃坝后果的影响范围,求得溃坝砂流到达下游各截面的时间、最大流量、泥沙深度等关键参数。为尾矿库的风险管理和制定相应的溃坝后果应急预案提供了重要依据。     

尾矿溃坝砂流流动特性及规律模型试验研究

为提高尾矿库区下游的防灾减灾能力,以北京首云铁矿和尚峪尾矿库为例,开展物理模型试验研究,探究砂流体积分数、溃口形态及下游坡度对溃坝砂流流动特性及规律的影响。试验结果表明,随着溃坝砂流体积分数的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越长,峰值就越大;随着溃坝口门的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越短,峰值越大,溃口就越大,砂流在下游演进运动的范围就越广,砂流覆盖面积也越大;随着库区下游坡度的增大,砂流到达堆积深度峰值时间越短,峰值越小,下游坡度对砂流演进运动过程及覆盖面积影响也较小。     

基于PFC3D的尾矿库地震稳定性模拟与分析

以西辛庄尾矿库为例,研究了不同地震加速度情况下尾矿库内部结构的变形和稳定性。采用PFC3D对基岩、初期坝、尾黏土、尾粉土、尾粉砂部分进行模拟,对表现为连续体的基岩颗粒采用接触连接和平行连接,对表现为松散体的其余4部分主要采用接触连接。在地震动峰值加速度分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.6g的震动波作用下,模拟了20 s内尾矿库内颗粒运动变形及边坡滑落情况。结果表明:随着震动的持续,颗粒位移从尾矿库坡底向坡顶发展;除初期坝外,尾矿库发生位移的颗粒都集中在初期坝产生被动土压力的区域(下滑区);尾矿库的破坏过程为从初期坝背侧尾粉砂部分发生位移,到初期坝破坏,再到尾粉砂边坡的整体下滑,该过程是加速的,开始于出现尾矿库边坡凹陷,停止于下滑区完全破坏。     

饱和层状尾砂动力特性研究*

为探究动力作用下尾砂液化破坏特性,基于某矿山尾矿库坝体分层尾砂,开展不同固结应力和层状结构条件下动三轴试验,分析层状尾砂动弹性模量、阻尼比及动剪应力比等动力参数与动孔压的变化规律。结果表明:固结应力对层状尾砂力学特性和动孔压变化趋势有较大影响,固结应力越大,动孔压增长越明显,初始增长斜率随固结应力增大而下降;尾粉土厚度一定时,固结应力越大,层状尾砂动剪应力比越小;固结应力为常数时,层状尾砂动剪应力比随尾粉土厚度增加先增大后减小,当尾粉土厚度为0,20,40,80 mm时,对应动剪应力比分别为0.33,0.35,0.38,0.28;尾粉土对孔隙水压力阻隔作用比尾细砂更明显,试样破坏所需振次随尾粉土厚度增加而增加。研究结果可为高烈度地震区尾矿坝地震液化研究提供理论参考。     

桂北铅锌尾矿库尾砂颗粒的大气风场数值模拟研究

以平地型铅锌尾矿库尾砂颗粒为研究对象,基于离散型随机轨道模型,数值模拟不同粒径尾砂颗粒在不同风速下的迁移路径和沉积距离。研究结果表明,风速对尾矿颗粒的运动轨迹有着明显的影响。当风速为0.5m/s时,50μm尾砂迁移距离较短,无法到达计算域口;而当风速增大为2.0m/s和3.5m/s时,尾砂颗粒迁移至计算域出口的时间随之缩短,分别为2 100s和1 230s。尾砂粒径对尾砂的污染距离也有明显的影响。当风速为3.5m/s时,粒径为100μm和150μm的尾砂颗粒在距尾矿库下风向大约1 500m和800m处完全沉积,而粒径为50μm的小粒径尾砂颗粒能迁移至尾矿坝下游3 000m以外。