休止角对尾矿库漫顶溃坝影响数值模拟研究

休止角对尾矿库漫顶溃坝影响数值模拟研究

谢东旭 黄雪薇 覃佳 熊小兵

重庆科技学院 重庆市沙坪坝区大学城东路 21号 401331

摘 要：尾矿库一旦溃决造成的污染短时间内无法修复，为研究不同休止角对尾矿库漫顶溃坝侵蚀破坏的影响，基于有限体积法，运用FLOW-3D软件建立尾矿坝三维几何模型，通过泥沙冲刷模型模拟尾矿坝漫顶溃坝侵蚀过程，分析不同休止角（32 40 48）尾矿溃坝的溃口变化规律。结果表明：溃口侧面因侵蚀形成的边坡的坡度与休止角较为一致。

关键词：尾矿库 漫顶溃决 侵蚀 数值模拟

1引言

尾矿库漫顶溃坝是一种危害性极高的灾害，其倾泻下的尾矿浆极易造成危害^[1]。在暴雨或排水渠堵塞等情况下，库内水位高于坝顶造成水流溢出的现象，漫顶溃坝主要表现为侵蚀下切的竖向拓展与以垮塌为主的侧向扩展^[2]，现较多进行尾矿库漫顶溃坝三维数值模拟，能更直观地模拟与观测大型溃坝过程以及尾矿浆运动^[3-5]。而休止角不仅与侵蚀有关，也与尾矿坝稳定性有关。为了更好地进行尾矿库漫顶溃坝模拟，本文设置不同休止角进行尾矿库漫顶溃坝数值模拟，分析模拟侧向扩展规律，希望能对尾矿库数值模拟有一定帮助。

2冲刷模型

冲刷模型由临界希尔兹系数构成：

（1）

式中 为无量纲泥沙粒径， 为颗粒密度，为流体密度， 为颗粒直径， 为流体动力粘滞系数， 为重力加速度g的量纲。 为水流希尔兹数； 为水流剪切力。当 时，颗粒启动，随水流做相应运动。

3尾矿库漫坝数值模拟

3.1模型建立

尾矿坝漫顶溃坝模型的大小设置为：140cm×30cm×40cm（长×宽×高），其中模型外坡坡比为1：2，内坡比为1：15。

3.2参数设置

分别对三组不同水下休止角尾砂分别进行模拟，其中密度设为2650kg/m³，临界希尔兹系数采取默认值0.05。控制尾砂输移参数：携带系数系统默认为0.018，推移质系数默认为8。

4.2不同休止角溃口变化

下图4为漫顶溃坝230s的坝顶断面图，如图所示，休止角为32°、40°、48°的溃口侧面边坡形成坡度分别为30°、39.1°、45°，与休止角度数较为接近，不同休止角最大溃口宽度不一，休止角越大，最大溃口宽度越小，而侵蚀深度越深。

（a）32 （b）40 （c）48

图4 230s不同休止角坝顶溃口断面图

4结论

溃口侧面因侵蚀形成的边坡的坡度分别为30°、39.1°、45°，与休止角度数较为一致，而休止角越大，侵蚀深度越深，横向扩展更小。

在实际工程中，尾矿库往往有加固措施，所能形成的堆积角更大，在FLOW-3D模拟中，要注意休止角的设置，以接近现实。最后，希望本文能为尾矿库溃坝数值模拟有一定帮助。

参考文献：

[1]谢丹,龚秀兰,祖铭敏, 等.国内外尾矿坝溃坝泥石流运动研究现状[J].区域治理,2018,(16):32.

[2]魏勇,许开立.尾矿坝漫顶溃坝机理及过程研究[J].金属矿山,2012(04):131-135.

[3]武立功,肖利兴,刘晓峰,姚池,姜清辉,周创兵.尾砂粒径对尾矿坝漫顶溃坝的影响[J].中国安全科学学报,2020,30(04):160-165.

[4]李火坤,梁萱,刘瀚和,唐笑,王建伟.基于FLOW-3D的尾矿库逐渐溃坝三维数值模拟[J].南昌大学学报(工科版),2019,41(02):120-126.

[5]刘晓峰.尾矿库溃坝研究及数值模拟[J].有色冶金设计与研究,2020,41(5):43-45.

（基金项目：重庆科技学院硕士研究生创新计划项目-YKJCX1920725）