凤城市某尾矿库溃坝数值计算

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1、SeriesNo. 400 October 2009 金 属 矿 山 METAL M I NE总第400期 2009年第10期3 国家自然科学基金重点项目(编号: 50434020) ,辽宁省教育厅基 金(编号: 2008302)。 陈殿强(1964) ,男,辽宁有色勘察研究院,博士,教授级高级工程 师, 110002辽宁省沈阳市。凤城市某尾矿库溃坝数值计算3陈殿强1何 峰2王来贵2(1.辽宁有色勘察研究院; 2.辽宁工程技术大学)摘 要 我国尾矿库数量多、 规模小、 安全度水平低,较多中小尾矿库未经过正规设计,并且绝大多数尾矿库下游为生活区、 工矿企业或重要设施等。进行溃坝分析,为加强尾矿库

2、管理,最大限度减轻灾害影响提供依据。通过对凤城市某铁矿尾矿库溃坝分析,预测溃坝泥石流的最大流量、 到达时间、 淹没范围及深度,以便采取相应措施,减少损失。关键词 铁矿尾矿库 溃坝 泥石流 分析计算Numerical Calculation of the Ta ilingsDam Fa ilure in Fengcheng C ityChen Dianqiang1He Feng2Wang Laigui2(1. Liaoning Institute of Nonferrous Investigation;2. Liaoning Technical University)Abstract The t

3、ailings reservoirs in China are characterized by great number, small size and low safety level, withmost of the s mall andmedium - sized ones not nor mally designed. Downstream of the most tailings reservoirs, there are liv2ing areas, factories, minesor important facilities . Therefore, the dam fail

4、ure analysis is necessary for enhancing the tailingsreservoirmanagement so as to reduce the disaster i mpact to the minimum. A dam failure analysis for an iron minetailingsreservoir in Fengchen City has beenmade in order to take correspondingpreventativemeasures to reduce the loss, includingthe larg

5、est dam - break debris flow, arrival ti me, scope and depth of inundation.Keywords Tailings reservoir, Dam failure, Debris flow, Numerical calculation对尾矿库安全运行来说,大坝溃决分析是其 重要组成部分。尾矿库一旦溃决将造成巨大损失, 大坝溃决分析成果将为尾矿库下游受威胁地区的人 民及财产转移提供重要依据,确保人民群众生命财 产安全,最大限度地减轻灾害带来的损失;对确保 尾矿库的安全运行,使之更好地为矿山安全生产服 务,为国民经济健康持续快速发展

6、服务等方面都具 有重要意义1 。1 工程概况 该铁矿尾矿库位于凤城市某镇砬子沟,选矿厂 在沟的南岸。尾矿库位于选矿厂北侧山沟,相距很 近。选矿厂和尾矿库于1993年建成,投产至今已经 使用16年左右。尾矿库工程包括有土石初期坝,砖 砌结构溢水塔和直径600 mm预制混凝土管道的排 水系统。尾矿筑坝采用“ 上游式 ” 筑坝,坝上分散放 矿。原设计选矿厂原矿日处理量为150 t,年排放尾 矿0. 84万m3,尾矿库库容2. 7万m3,服务年限2年 左右,生产后随着原矿处理量的增加,尾矿储存量也 相应增加,至2005年尾矿堆积高度为29 m。相当 于坝顶标高189 m,入库尾矿量约14. 7万m3,

7、坝长为86 m。 按照地形图,设计说明书和尾矿堆积最终高度为57. 5 m,服务年限6. 5年,库容为51. 375万m3,尾 矿堆积标高217. 5 m,坝宽3 m,坝长为170 m,外坡 坡度平均15. 0。 该尾矿库2005年库容量约14. 7万m3,坝高29m,坝长为86 m,根据设计,尾矿库最终库容为51. 375万m3,坝高度为57. 5 m,坝长为170 m,依据 选矿厂尾矿设施规范 (ZBJ1 - 90) ,划分属四级尾 矿库。 由于距离尾矿库坝垂直距离1 400 m左右处有 国铁通过,铁路轨道距地面约1. 0 m;为保证铁路的正常通行,所以对该尾矿库大坝溃决分析具有重要 的意

8、义。2 溃坝矿砂流计算 溃坝计算分两种方案分别为,库容量约14. 7万47m3,坝高29 m和库容为51. 375万m3,坝高为57. 5m。2. 1 大坝溃口宽度的计算采用黄河水利委员会经验公式:b =0.1KW1/4B1/4H1/2,(1)式中,b为溃口宽度,m;W为尾矿库总库容,m3;B 为主坝长度,m;H为坝高,m;K为经验系数(粘土 类取0. 65,壤土取1. 30)。计算可得到,溃坝缺口宽 度分别为坝高29 m,库容14. 7万m3,b=41. 74 m; 坝高为57. 5 m,库容51. 375万m3,b=95. 3 m。2. 2 溃口坝址最大流量估算对于尾矿库溃坝来说,考虑到溃

9、决时往往为库 内水位较高,尾矿处于液态,为安全计,最大泄砂流 量可根据肖克列奇经验公式作为备选的计算公式。Qmax=8 27gB b1/4 bH3/2 0,(2)式中,Qmax为坝址最大流量, m3/s;B为主坝长度,m;b为溃口宽度,m;H0为溃坝前上游水深为尾矿 库最大坝高H减去坝前淤深和校核水位距坝顶的 距离,m;g为重力加速度, 9. 8 m /s2。其中各参数都取最大值。Qmax取7 244. 49 m3/s和44 540. 33m3/s。2. 3 尾矿库溃坝最大流量沿程演进估算溃坝坝址处最大流量向下游演进至坝址L流程时的最大流量,可采用下式估算:QL= W / (W /Qmax+L

10、VmaxK) ,(3) 式中,QL为距坝址L(m)控制断面溃坝最大流量,m3/s;W为尾矿库总库容,m3;L为控制断面距尾矿 库坝址的距离,m;Vmax为特大洪水的最大流速(山 区取3. 05. 0,ms,丘陵区取2. 03. 0,平原区取1. 02. 0) ;K为经验系数(山区取1. 11. 5,丘陵 区取1. 0,平原区取0. 80. 9)。 溃坝最大流量沿程演进曲线见图1 图4。其 中,SL为距坝址L控制断面溃坝最大过流面积,m2。图1 坝高29 m时最大流量沿程演进曲线图2 坝高57. 5 m时最大流量沿程演进曲线图3 坝高29 m时不同流速下过流面积沿程演进曲线图4 坝高57. 5

11、m时不同流速下过流面积沿程演进曲线2. 4 矿砂流传播时间采用黄委会水科所根据实验技术求得的传播时 间计算公式:t = k2L1.4W0.2H0.5h0.25 m,(5)式中,k2为经验系数(0.81.2) ,采用1.0; hm为最 大流量平均水深; t为最大流量到达时间;W为相应 的库容; L为距坝址的距离。 尾矿库溃坝矿砂流到达时间估算T = K1L1.75101.3/W0.2H0.35 0,(5)其中,系数K1取值0.710-3,其余L、W、H0含义同前。2. 5 计算结果进行溃坝矿砂流计算的目的是确定下游各不同 断面的最大流量、 矿砂流到达时间、 淹没范围及深 度,以便采取预防及转移等

12、措施。计算结果见图5,图6,表1,表2所示。57陈殿强等:凤城市某尾矿库溃坝数值计算 2009年第10期图5 坝高29 m时溃坝矿砂流到达时间估算曲线图6 坝高57. 5 m时溃坝矿砂流到达时间估算曲线表1 坝高29. 0 m计算结果距离 L/mQmax/ (m3/s)SL/m2hm/m泥砂面 宽度/m到达时间 /s504 147. 532 073. 7620. 74100191002 905. 471 452. 7310. 3814063500855. 61427. 812. 142001 0541 000454. 66227. 330. 872603 5461 500309. 58154.

13、 790. 523007 2102 000234. 69117. 350. 2350011 929表2 坝高57. 5 m后计算结果距离 L/mQmax/ (m3/s)SL/m2hm/m泥砂面 宽度/m到达时间 /s5019 250. 606 416. 8746. 25138. 741110012 278. 784 092. 9320. 91195. 70395003 150. 601 575. 304. 85324. 506461 0001 633. 06816. 532. 09390. 722 1731 5001 102. 17551. 090. 98560. 354 4182 00083

14、1. 78277. 260. 65615. 407 3092. 6 不同坝高尾矿库溃坝影响范围的估算根据尾矿库下游典型控制断面处的溃坝最大流量QL和相应流速的估算,计算该断面的过流面积。再根据12 000地形图估算该断面处的洪水淹没边界,从而得出尾矿库溃坝影响范围,如图7,图8所示。3 预防及应急措施 为避免尾矿库发生垮坝事故,除在日常做好堤防及各类构筑物的检查、 维修工作外,在汛情威胁尾矿库安全情况下,对尾矿库工程进行紧急加固。加固本着预防为主、 防重于抢的原则,对尾矿库重点工程部位拟定应急加固抢护措施,尽最大可能减 小灾害损失。当大坝突然出现裂缝、 滑坡、 渗漏、 管 涌或超标准地震险情时

15、,首先查明险情情况,根据 险情程度确定组织抢险和组织下游群众准备转移。 当出现尾矿库溃坝险情时,立即向下游预警。图7 坝高29 m时溃坝矿砂流影响范围图8 坝高57. 5 m时溃坝矿砂流影响范围(1)落实尾矿库安全责任人,完善尾矿库运行管理规章制度,严格执行大坝安全检查制度和大坝 安全监测规范。 (2)当坝体出现异常渗漏时。采取“ 上截、 下排 ” 方法。在坝后设导渗沟,在渗水出露的适当范 围内,先铺设滤料垫层,然后填石料盖压;“ 下排 ”的目的就是增加坝体渗透稳定性,防止坝体内矿砂 颗粒随渗水排出,威胁坝体安全。 (3)当坝体产生滑坡时。采取上部减载、 下部压重的方法,即首先在滑动体下部用砂

16、石料、 土袋 等压重固脚,防止险情恶化。(4)当坝体出现漏洞、 管涌时。仍采取“ 上截、下排 ” 方法,并根据实际情况迅速降低库水位,当 危及坝体安全时迅速打开正常溢洪道,迅速降低库 水位,防止溃坝。4 结 语 文中论述了凤城市某尾矿库在不同坝高溃坝时(下转第80页)67总第400期 金 属 矿 山 2009年第10期H高取决于充填管道料浆输送是下向输送还是 上向输送,即充填站与采空区充填位置的相对关系。 当充填采空区位于山上,充填站建在山下,则充填管 道料浆输送为逆向输送,此时充填阻力计算中的高 程阻力除考虑克服重力势能的影响外,还要考虑垂直管道的输送阻力。当充填采空区位于地表以下, 充填站位于地表,此时,充填管道料浆输送为顺向输 送,充填料浆可借助重力进行自溜输送,此时充填阻 力计算中的充填输送高程阻力要求考虑重力势能作