八一铜矿尾矿库溃坝模拟及影响研究

八一铜矿尾矿库溃坝模拟及影响研究

梁正钟

重庆交通大学河海学院，重庆市南岸区，400074

摘  要：尾矿库是一种人造泥石流危险源，一旦发生溃坝，对尾矿库下游的居民及道路设施将会造成毁灭性的灾难。本文基于Massflow数值模拟软件，以八一铜矿尾矿库为研究区，构建尾矿坝动力过程物理模型，将矿区降雨与尾矿库排水条件作为前提，开展八一铜矿尾矿库溃坝特征数值模拟，确定了尾矿坝失稳后动力过程及危害范围，并且针对尾矿库溃坝情况对公路的影响范围和冲击力度提供相应的分析和意见建议。

关键词：溃坝；运动过程；数值分析；Massflow

1引言

尾矿库是用以贮存金属、非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所，一旦发生溃坝，对尾矿库下游的居民及道路设施将会造成重大损失，并且对环境污染特别严重。例如：1996 年保加利亚北部某尾矿坝在连续暴雨条件条件下，尾矿库发生失稳，最终导致溃坝事故，该事故造成100余人丧生[[1]]。截至2023年底，我国共有尾矿库近9000座， 数量超世界尾矿库总量一半以上，但随着尾矿库数量的增多，溃坝事故对下游居民和重要工业设施的危险性也逐步提高，确定尾矿坝失稳后动力过程及危害范围对保护人民的生命财产起重要意义。

本文基于航测结果和现场调查资料等，构建了八一铜矿尾矿库的数值模型。结合当地降雨条件与尾矿库设计资料，确定了本报告模拟的参数，利用Massflow软件，开展了八一铜矿尾矿库一次性溃坝后运动学和动力学特征。基于数值模拟结果，分析了尾矿库溃坝后，尾矿砂对该段拟建公路的冲击力度及其堆积特征，根据分析结果给出安全措施建议。

2 研究区概况

八一铜矿尾矿库位于和静县城300°方向，直线距离158 km。隶属和静县阿夏尔乡管辖。矿山地理坐标：东经84°37′46″～84°38′53″，北纬43°05′23″～43°05′55″，面积1.4987 km²。矿山交通十分方便，由和静县至矿山有公路相通，全程约239 km，和平桥至巴音布鲁克公路从矿山南侧约3 km处通过，汽车有便道可直达矿山。

研究区属边缘山地，山高坡度，沟谷密布，植被稀疏，径流排泄通畅。由于干旱少雨，地表均为干沟，融雪及雨季可见少量流水，其流速多小于1.0 m3/s。地表水主要为开都河水流，但因其远离主要矿段且标高低，与矿区地下水无直接联系。本区地处大陆性气候的高寒地带，物理风化作用十分强烈，岩石节理、裂隙极为发育，相互之间连通性好，多为充填物，地表仅有少量松散充填物，虽然为明显的含水层可富水，但由于缺少隔水层其排泄通畅，不会形成含水层或长久富水层滞留。

库区总地势北高南低，场地内地势开阔，尾矿库为傍山式尾矿库，两面筑坝，第四系残坡积物覆盖面积较大，基岩出露连续性差，裸露基岩约占30 %~40 %左右，地形切割中等，南北向沟谷较发育，地表未见径流，大多为无流水的干沟。

3 Massflow软件数值模拟

Massflow基于深度积分的连续介质力学原理和方法，利用改进的MacCormack-TVD有限差分方法，采用Fortran和C#语言，结合MPICH和OpenMP并行处理技术，自主编程建立了能考虑复杂地形地貌和沟床侵蚀等特征，具有二阶精度和自适应求解功能。Massflow与理论分析、模型试验进行了大量对比分析，吻合较好。

综合国内外研究现状，大型岩土动力学过程和危害范围分析主要分为经验统计方法和数值模拟方法。经验统计方法在区域风险评估获得较为广泛的应用，然而针对单点滑坡描述较为欠缺。鉴于尾矿库溃坝的流态化特性，并且其运动方向的特征尺度远大于其垂直方向上的特征高度，其流动性远远小于1。因此，基于深度积分的连续介质力学方法因其物理意义明确、计算效率大幅提升且不失精度，自提出后在地质灾害动力过程和风险评估领域获得了最为广泛的应用。

由于岩土体在下滑过程中运动的复杂性和不确定性，仅仅采用单一的流体静力学准则和质量连续性假设无法很好地模拟尾矿砂体的运动过程，而且尾矿砂体的组成物质种类繁多，并且在运动过程中还会被复杂的地形地貌影响，使其运动形式也是各种各样，千差万别。为了解决这个问题，Hungr[[2]]于1995年提出一种假设，即为著名的“等效流体”假设将不均匀且组成复杂的滑坡体简化为一种单一的、具有简单的内部变形和不变阻力关系的流体物质。等效流体的控制方程仍然是基于流体力学的基本物理方程质量守恒和动量守恒即Navier-Stokes方程，然后对Navier-Stokes方程在深度方向进行积分得到其最终的控制方程。等效流体假设，已经应用于多种地质灾害模拟中如王学良尾矿库溃决[[3]]，都已经得到了较好的验证。

4 数值模拟结果分析

堆积结果：通过数值计算得到了八一尾矿库整体坝体溃决后尾矿砂体的运动过程，溃坝初始时刻，尾矿砂体从溃口涌出，向周围区域扩散运动。由于地表阻力的影响，尾矿砂逐渐堆积，在80 s左右时到达尾矿坝西南侧干沟，此处堆积厚度最厚处约1-1.5 m。在160 s左右时大量尾矿砂基本堆积完毕，堆积范围基本达到最大。在200 s时刻，尾矿砂运动最远至新建公路北侧距离120 m左右停止，堆积在此处的砂体厚度约0.2 m。因此，分析整个运动过程可知，八一尾矿库尾矿砂体在整体溃坝运动过程中，沿山体斜坡向下游运动过程中不会影响拟建公路。

速度结果:尾矿库溃坝以后，开始向下加速运动，整个运动过程持续了大概200 s左右，在前80 s，运动速度明显持续增加，此后，由于尾矿砂体逐渐堆积完成，砂体仅在坡体中上部运动，受到摩阻力的作用，其运动速度逐渐减小，到t=200 s后，溃坝过程基本完成。溃坝发生后，由于积蓄的重力势能的释放，开始向下加速运动，溃坝砂体主要沿坡体下方运移，前沿砂体在坡体中部的运动速度最大可达14 m/s，尾矿坝西南方向有一干沟，对运动的尾矿砂体起到阻挡拦截作用，尾矿砂体受到拦截不断堆积。运动的尾矿砂受到地表阻力的影响，动能逐渐减小，速度也逐渐降低，尾矿砂运动到距离拟建公路120 m左右时，速度趋近于0，运动停止。

冲击力结果：尾矿库溃坝初始时刻，积蓄的重力势能转换为动能，尾矿砂体开始向下游加速运动，冲击力在坡体中部将达到最大值300 KPa。当尾矿砂继续向下运移，由于地表摩阻力的影响，冲击力也逐渐降低，到达距拟建公路约120 m处的最大冲击力仅为10 Kpa。随着时间的变化，尾矿砂体在运动过程中受到地表阻力的影响，能量逐渐消散，运动整体也逐渐趋于静止状态，在120 s之后冲击力逐渐趋近于0。

因此，尾矿库整体坝体瞬间溃决后尾矿砂体在库区到新建公路之间的坡体上运动过程是：尾矿库溃坝后，砂体从溃口涌出，一部分尾矿砂向坝体西南干沟方向运动，一部分尾矿砂沿坡体下游新建公路方向运动冲击，溃坝瞬间尾矿砂体运动速度最大可达24 m/s，运动过程中冲击力最大可达1200 kPa，破坏性强。尾矿砂体向下游新建公路方向运动过程中，由于土体的摩擦作用，对流动的尾矿砂起到了减速的作用，尾矿砂运动最远至新建公路北侧距离120 m左右停止，堆积在此处的砂体厚度约0.2 m。

5 结论与建议

1、基于尾矿库设计与现场调查资料，八一铜矿尾矿库距离拟建公路垂直距离约1030米，倾角约6°。目前，尾矿库物源总方量约为90万方，溃坝泄砂方量最大可达74万方。

2、通过查阅尾矿库设计勘察资料、现场调查、数值模拟计算等手段，按照滑坡计算方法，基底摩擦模型采用库伦模型并考虑强降雨及基底侵蚀。对尾矿库整体溃坝进行数值模拟，计算结果表明：最危险工况下尾矿砂最大运动范围并未侵犯至拟建公路处。

3、由于尾矿库溃坝受降雨等因素显著，应对尾矿库上游及库体加强截排水措施，以及时有效消除水对尾矿库溃坝的诱发作用。

4、制定尾矿库监测预警及防灾减灾应急预案，尤其考虑在强降雨条件下，加强灾害监测预警工作，实时监控尾矿库变形或应力特征指标，为相关主管部门提供防灾减灾决策支持。

参考文献

[[1]] 张力霆,周国斌,谷芳等.库区水位急剧变化对尾矿库坝体稳定的影响[J].金属矿山,2008,(08):119-122.

[[2]] Hungr O. A model for the runout analysis of rapid flow slides, debris flows, and avalanches[J]. Canadian geotechnical journal, 1995, 32(4): 610-623.

[[3]]王学良,孙娟娟,周书等.尾矿库溃坝运动特征模拟研究[J].工程地质学报,2019,27(01):144-151.

作者简介：梁正钟，1998年3生，硕士研究生，土木工程专业，现就读于重庆交通大学河海学院，