王秀龙
（辽宁智诚中安安全技术服务有限公司，辽宁 沈阳 １１００００）
摘 要：本文以磁选铁矿尾砂为研究对象，通过分析水利行业关于各类泥石流的研究成果，结合尾砂粒径和尾砂堆放特点，提出一个专适用于矿山尾矿库的溃坝影响分析方法，可对尾矿库溃坝影响进行定量分析，并计算泄砂总量、溃口宽度、坝址处最大流量、洪水传播时间、流速、淤积厚度、冲击力等重要参数，为矿库溃坝影响分析及防治工作提供依据。 结果表明提出的矿山尾矿库溃坝影响分析方法可以对尾矿库溃坝造成的泥石流影响进行评估，从而确定其影响范围，影响程度，预先做好防灾措施，并在工程中得到了有效应用。
关键词：泥石流；尾矿库；溃坝
中图分类号：ＴＶ１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２１）０８－０１６３－２
Analysis on the influence of tailings dam break
WANG Xiu-long
（Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ Ｚｈｏｎｇａｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｉｎｄｕｓｔｒｙ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｓｔａｃｋｉｎｇ， ａ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ， ａｎｄ ｃａｎ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ， ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｔｈｅ ｍａｘ
ｉｍｕｍ ｆｌｏｗ ａｔ ｔｈｅ ｄａｍ ｓｉｔｅ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｒｅａｋ Ｆｌｏｏｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ， ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄａｍ ｂｒｅａｋ ｉｍｐａｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｗｏｒｋ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｄａｍ ｂｒｅａｋ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ， ｔａｋｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ， ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ．
Keywords: ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ； Ｔａｉｌｉｎｇｓ ｐｏｎｄ； Ｄａｍ ｂｒｅａｋ
土石坝类型尾矿库，是国内尾矿库占比最多的坝型。土
美味关系 电影石坝溃决过程存在很大的不确定性，绝大多数的数值计算方
法和由以往溃坝资料推导出来的经验公式都不能很好的运
用于土石坝溃决过程，因为土石坝的溃决过程是一个随溃口
宽度和深度增加而逐渐溃决的过程。在溃决过程中，溃口流
量过程是溃口形状变化的函数，且该函数一般是非线性的，
要求出这种函数关系式不容易，需要作进一步的研究。
根据现有的研究成果，泥沙颗粒的运动是一个跨尺度、
多物理过程相耦合的复杂过程。传统泥沙运动力学中几个核
心问题采用的理论方法及其局限性见表1。由此可以看出，
传统泥沙运动力学中的理论尚难以准确描述挟沙水流的运
动特征。
表1 传统泥沙运动力学中的理论方法和存在问题[1]
美国qe4
核心问题理论方法局限性现有解决方案
金华职业技术学院图书馆水流流动单向流流体力学适用于低浓度泥沙经验修正
悬移质输移扩散理论适用于小颗粒/低
浓度泥沙
经验修正
推移质输移多种分析方法缺乏通用性经验公式
床沙冲淤质量守恒定律未能反映动力因素经验公式
目前针对尾矿库溃坝分析，学者们主要通过建立物理模型进行水工试验，但建立水工模型进行试验不仅时间成本高，而且经济成本也较大，不易实现；也有学者基于Fluent、Flow等软件进行数值模拟，但操作性不佳，对于一般矿山企业和技术人员，难以完成。因此，探寻和提出一个现阶段理论和经验支持下比较可信、易操作、经济性较好的尾矿库溃坝影响分析方法，是尾矿库安全技术工作的迫切需要。
郭维东等认为，根据以往溃坝洪峰流量、淹没历时与库区泥沙中值粒径值有关[2]。由于各类矿物经济价值、理化性质的不同，磨矿粒度也不尽相同，笔者本次研究以我国最常见的磁选铁矿尾砂为主要研究对象。通过分析水利行业对各类泥石流的研究成果，结合尾砂粒径和尾砂堆放特点，提出一个专适用于矿山尾矿库的溃坝影响分析。对于尾矿库溃坝原因分析及安全防治具有重要的理论和实际意义。
1 溃坝泥石流演进
（1）泄砂总量。泄砂总量的取值主要取决于库区呈饱和状态的尾矿砂。对于水边线距离坝轴线较远的尾矿库，泄砂总量的计算可按尾矿砂的物理力学性质利用边坡稳定分析的方法，确定最危险滑弧，然后进行估算泄砂总量。对于水边线距离坝轴线较近的尾矿库，泄砂总量取某一高程以上的全部库容。某一高程可以是初期坝以上，因初期坝一般建设标准较高，发生溃决的可能性相对较低。以图2的地形举例，图中尾矿库A沟库长较长，水边线较远，即使发生标准洪水，也能确保符合标准的滩长，这种尾矿库发生溃坝可能性较小，可以按照典型断面的危险滑弧估算这部分泄砂总量；B沟库长短，坝前尾砂很容易饱和，这部分按某一高程以上全部库容估算泄砂总量。
（2）溃口宽度。黄河水利委员会水利科学研究院于20世纪70年代就小浪底水库进行了水平比例为1/1000和垂直比例为1/100的溃坝模型试验，总结了溃坝流量过程经验公式：官谣
式中：b—溃坝决口平均宽度，m；W—泄砂总量，104m3；B—溃坝时坝顶长度，m；H0—溃坝水头
或溃坝时坝前水深，
收稿日期：２０２１－０４
作者简介：王秀龙，男，生于１９８５年，满族，工程师，研究方向：尾矿库
安全技术及工业企业安全管理。
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m；k—与坝体土质有关的系数，粘土取0.65，壤土取1.3。
（3）坝址处最大流量。坝址处最大流量因河槽、溃坝缺口等因素有不同的计算方法，考虑最危险情况，即坝址处可出现的最大流量，假定下游河槽为矩形，尾矿库溃决属于部分溃坝的特点。依据肖克列奇经验公：
式中：Q max—坝址处最大流量，m3/s；H0—溃坝时坝前上游水深，等于尾矿库最大坝高减去坝前淤深和校核水位距坝顶的距离，m。
（4）溃坝下游流量。溃坝下游流量计算，由经验公式：
生物制品学
Q L—距坝址控制断面溃坝口距离L处时，最大流量，m3/s；L—控制断面距尾矿库坝址的距离，m；V max—特大洪水的最大平均流速（山区取3.0~5.0，m/s，丘陵区取2.0~3.0，平原区取1.0~2.0），取3.0；K-经验系数（山区取1.1~1.5，丘陵区取1.0，平原区取0.8~0.9），取1.1。
黄委水利委员会水力科学研究所根据实际资料分析，VK值应取下列数值：山区河道，VK=7.15；半山区河道，VK=4.76；平原河道，VK=3.13。
（5）溃坝洪水传播时间。溃坝洪水比一般洪水的传播要快得多，其波速在坝址附近最大，距坝址越远，波速削减越快。黄河水利委员会水利科学研究院根据实验求得溃坝洪水传播时间及概化流量过程线如下：
式中：K1—系数，取平均数为0.0007；t1—洪水到达时间。
（6）泥石流流速。泥石流流速是反映泥石流运动力学的最重要的特征值，同时也是泥石流防治工程设计的基本参数。尾矿坝溃坝的流体是黏性较大的尾矿砂与水的混合体，体现出较强的非牛顿流体特征。吴积善等分析了国内的黏性泥石流流速公式，认为可按泥石流阻力大小分为低阻型、中阻型及高阻型泥石流计算公式。查阅国内一些铁矿选厂尾矿特性表，尾砂加权平均粒径一般在0.05mm左右。结合吴积善研究成果，尾矿库溃坝引发泥石流，在不考虑与下游河床交换的情况下，属于中阻型粘性泥石流。这类泥石流的流速可按照杨针娘公式进行计算：
式中：K—断面平均流速系数，一般取0.7；Hc—泥沙深；Jc—平均坡降。
（7）泥石流淤积厚度。泥石流的危害特点：稀性泥石流以冲刷为主，粘性泥石流以淤积掩埋为主。因此研究尾矿库的溃坝影响，研究淤积厚度意义重大。泥石流的淤积厚度可通过泥石流体的容重、淤积坡度和泥石流体的屈服应力计算得出。
式中：H—泥石流最大淤积厚度，m；t—泥石流浆体屈服应力，Pa；θ—下游河道平均淤积坡度，°；g—重力加速度，9.8m/s2；ρ—泥石流浆体容重，kg/m3。
泥石流浆体的屈服应力参照下表选取：
图1 屈服应力和矿浆浓度间关系
（8）泥石流冲击力。泥石流防治工程需要考虑泥石流的冲击力，尾砂泥石流冲击力按照均质浆体的动压力计算。
式中：f—单位面积冲击力（KN/m2）；γ—泥石流重力密度（KN/m3）；v—泥石流流速（m/s）；
叶赫那拉氏
2 工程实例应用
某尾矿库总库容20万m3，总坝高22m（标高604m~ 626m），坝轴线长110m，假设溃坝时坝前水深1.5m。按照本文提出的方法，对下游敏感建筑物进行分析如下。
表2 工程下游建筑物数据分析
距离m
最大流量
m3/s
最大流速
m/s
泥砂厚度m泥砂面宽m 5044.0 5.250.5615
10043.7 5.250.5515
130（办公室）43.6 5.240.5515影响分析：办公室标高605m，距离坝脚直线距离130m，与尾矿坝之间区域为狭长沟谷，谷底标高580m，坡向东南，沟底无地面设施。谷底标高加泥沙厚度为580.55m，
未达到办公室地面标高，因而尾矿库溃坝对办公室不构成威胁。
如果经计算泥沙会冲击敏感建筑物，需要设计挡墙进行防护，这时候就会2.8节提出的公式对挡墙进行验算。
3 结论
（1）运用本文提出的方法基本可以对尾矿库溃坝造成的泥石流影响进行一定的评估，从而确定其影响范围，影响程度，预先做好防灾措施。
（2）由于泥石流的复杂性，本文介绍的方法需要具备以下适用条件：尾矿库类型为土石坝、尾矿坝为逐渐溃决、尾砂加权平均粒径在0.05mm左右、不考虑形成泥石流后与下游河床的物质交换、假定下游河槽为矩形。
（3）泥石流淤积远端确定、堆积扇上建筑物的阻挡效应、更多案例验证等问题需要在将来的工作中考虑并进一步研究。
（4）由于尾矿溃坝泥石流的事故案例有限，且披露不详，需要收集资料对方案做进一步的校核。
[1] 钟德钰，王光谦，吴保生.泥沙运动的动理学理论[M].北京：科学出版
社，2015.
[2] 郭维东，康国亮.库区泥沙对溃坝洪水影响分析[J].人民长江，
2011(17).
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