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凤城市某尾矿库溃坝数值计算
2009-10-17
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。
Series No. 400 Octoberꢀ 2009 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总09第年 第40010期 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 凤城市某尾矿库溃坝数值2 计算 1 2 陈 殿 强 ꢀ 何 ꢀ 峰 ꢀ 王 来 贵 ( 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 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 Tailings Dam Failure in Fengcheng City 1 2 2 Chen Dianqiang ꢀ He Feng ꢀ Wang Laigui ( 1. Liaoning Institute of Nonferrous Investigation; 2. Liaoning Technical University) Abstractꢀ The tailings reservoirs in China are characterized by great number, small size and low safety level, with most of the small and medium - sized ones not normally designed. Downstream of the most tailings reservoirs, there are liv ing areas, factories, mines or important facilities. Therefore, the dam failure analysis is necessary for enhancing the tailings reservoir management so as to reduce the disaster impact to the minimum. A dam failure analysis for an iron mine' tailings reservoir in Fengchen City has been made in order to take corresponding preventative measures to reduce the loss, including the largest dam - break debris flow, arrival time, scope and depth of inundation. Keywordsꢀ 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 为 86 m。 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 服 务 等 方 面 都 具 有 重 要 意 义 1] 。 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 1∶ 5. 0。 该 尾 矿 库 2005 年 库 容 量 约 14. 7 万 m3 , 坝 高 29 m, 坝 长 为 86 m, 根 据 设 计 , 尾 矿 库 最 终 库 容 为 [ 3 51. 375万 m , 坝 高 度 为 57. 5 m, 坝 长 为 170 m, 依 据 1 ꢀ 工 程 概 况 《 选 矿 厂 尾 矿 设 施 规 范 》 ( ZBJ1 - 90) , 划 分 属 四 级 尾 矿 库 。 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 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 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 3 3 矿 0. 84 万 m , 尾 矿 库 库 容 2. 7 万 m , 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  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 。 3 于 坝 顶 标 高 189 m, 入 库 尾 矿 量 约 14. 7 万 m , 坝 长 · 74· ꢀ ꢀ ꢀ 陈 殿 强 等 : 凤 城 市 某 尾 矿 库 溃 坝 数 值 计 算 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 10 期 m3 , 坝 高 29 m 和 库 容 为 51. 375 万 m3 , 坝 高 为 57. 5 m。 2 . 1ꢀ 大 坝 溃 口 宽 度 的 计 算 采 用 黄 河 水 利 委 员 会 经 验 公 式 : b = 0. 1 KW B H1 / 2 , 1 / 4 1 / 4 ( 1) 3 式 中 , b 为 溃 口 宽 度 , m; W 为 尾 矿 库 总 库 容 , m ; 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 图 2ꢀ 坝 高 57. 5 m 时 最 大 流 量 沿 程 演 进 曲 线 3 度 分 别 为 坝 高 29 m, 库 容 14. 7 万 m , b = 41. 74 m; 3 坝 高 为 57. 5 m, 库 容 51. 375 万 m , b = 95. 3 m。 2 . 2ꢀ 溃 口 坝 址 最 大 流 量 估 算 对 于 尾 矿 库 溃 坝 来 说 , 考 虑 到 溃 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 。 1 / 4 8 B b bH30 / 2 Qmax = 槡g 7 , ( 2) ( ) 2 3 式 中 , Qmax 为 坝 址 最 大 流 量 , m / s; B 为 主 坝 长 度 , 图 3ꢀ 坝 高 29 m 时 不 同 流 速 下 过 流 面 积 沿 程 演 进 曲 线 m; b 为 溃 口 宽 度 , m; H 为 溃 坝 前 上 游 水 深 为 尾 矿 0 库 最 大 坝 高 H 减 去 坝 前 淤 深 和 校 核 水 位 距 坝 顶 的 2 距 离 , m; g 为 重 力 加 速 度 , 9. 8 m/ s 。 其 中 各 参 数 都 3 取 最 大 值 。 Q 取 7 244. 49 m / s 和 44 540. 33 max 3 m / s。 2 . 3ꢀ 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 : 图 4ꢀ 坝 高 57. 5 m 时 不 同 流 速 下 过 流 面 积 沿 程 演 进 曲 线 . 4ꢀ 矿 砂 流 传 播 时 间 Q = W/ ( W/ Q + LVmax · K) , ( 3) L 式 中 , QL 为 距 坝 址 L ( m) 控 制 断 面 溃 坝 最 大 流 量 , max 2 3 3 采 用 黄 委 会 水 科 所 根 据 实 验 技 术 求 得 的 传 播 时 m / s; W 为 尾 矿 库 总 库 容 , m ; L 为 控 制 断 面 距 尾 矿 间 计 算 公 式 : 库 坝 址 的 距 离 , m; V 为 特 大 洪 水 的 最 大 流 速 ( 山 max 1 . 4 L 区 取 3. 0 ~ 5. 0, ms, 丘 陵 区 取 2. 0 ~ 3. 0, 平 原 区 取 t = k2 0m. 25 , ( 5) 0. 2 0. 5 W H h 1 . 0 ~ 2. 0) ; K 为 经 验 系 数 ( 山 区 取 1. 1 ~ 1. 5, 丘 陵 式 中 , k2 为 经 验 系 数 ( 0. 8 ~ 1. 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 。 区 取 1. 0, 平 原 区 取 0. 8 ~ 0. 9) 。 溃 坝 最 大 流 量 沿 程 演 进 曲 线 见 图 1 ~ 图 4。 其 2 中 , S 为 距 坝 址 L 控 制 断 面 溃 坝 最 大 过 流 面 积 , m 。 L 尾 矿 库 溃 坝 矿 砂 流 到 达 时 间 估 算 1 . 75 1. 3 0. 2 0. 35 T = K L 10 / W H , ( 5) 1 0 其 中 , 系 数 K 取 值 0. 7 × 10-3 , 其 余 L、 W、 H0 含 义 同 1 前 。 2 . 5ꢀ 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 措 施 。 计 算 结 果 见 图 5, 图 6, 表 1, 表 2 所 示 。 图 1ꢀ 坝 高 29 m 时 最 大 流 量 沿 程 演 进 曲 线 · 75· 总 第 400 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2009 年 第 10 期 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 , 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 5ꢀ 坝 高 29 m 时 溃 坝 矿 砂 流 到 达 时 间 估 算 曲 线 图 7ꢀ 坝 高 29 m 时 溃 坝 矿 砂 流 影 响 范 围 图 6ꢀ 坝 高 57. 5 m 时 溃 坝 矿 砂 流 到 达 时 间 估 算 曲 线 表 1ꢀ 坝 高 29. 0 m 计 算 结 果 距 离 L / m Q max / ( m / s) S L / m 泥 砂 面 宽 度 / m 到 达 时 间 / s hm / m 3 2 5 0 4 147. 53 2 073. 76 2 905. 47 1 452. 73 20. 74 10. 38 2. 14 0. 87 0. 52 0. 23 100 140 200 260 300 500 19 1 00 00 63 5 855. 61 454. 66 309. 58 234. 69 427. 81 227. 33 154. 79 117. 35 1 054 3 546 7 210 11 929 1 1 2 000 500 000 图 8ꢀ 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 表 2ꢀ 坝 高 57. 5 m 后 计 算 结 果 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 。 距 离 L / m Q max / ( m / s) S L / m 泥 砂 面 到 达 时 间 / s hm / m 3 2 宽 度 / m 5 0 19 250. 60 6 416. 87 12 278. 78 4 092. 93 3 150. 60 1 575. 30 46. 25 20. 91 4. 85 2. 09 0. 98 0. 65 138. 74 195. 70 324. 50 390. 72 560. 35 615. 40 11 ( 2) 当 坝 体 出 现 异 常 渗 漏 时 。 采 取 “ 上 截 、 下 1 00 00 39 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 。 5 646 1 1 2 000 500 000 1 633. 06 1 102. 17 831. 78 816. 53 551. 09 277. 26 2 173 4 418 7 309 ( 3) 当 坝 体 产 生 滑 坡 时 。 采 取 上 部 减 载 、 下 部 2 . 6ꢀ 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 压 重 的 方 法 , 即 首 先 在 滑 动 体 下 部 用 砂 石 料 、 土 袋 等 压 重 固 脚 , 防 止 险 情 恶 化 。 量 QL 和 相 应 流 速 的 估 算 , 计 算 该 断 面 的 过 流 面 积 。 再 根 据 1∶ 2 000 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 。 ( 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 。 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 4ꢀ 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 ) · 76·
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