1前言
迄今为止，世界上正在使用的各类尾矿库超过2万座[1]，我国目前建有几千座尾矿库,星罗棋布于矿区沟壑山谷之中,数量多、分布广,库容规模相差很大。初步统计,具有一定规模的尾矿库约1500座[2]。尾矿库一旦溃坝会形成大规模的尾矿泥石流。尾矿泥石流具有高势能、流速快的特点，对下游破坏力极强，可摧毁房屋村庄树木，破坏各种公共交通设施，尤其是严重危害下游居民的生命安全[2]。由于尾矿泥石流是由粒径较小的尾矿砂组成，并且尾矿库所处山区地形较陡，它所形成的泥石流比一般砂石泥石流流动距离更远，破坏力更强[3]。
目前尾矿库溃坝泥石流演进没有一个成熟可用的数学模型对尾矿库溃坝进行模拟分析，针对尾矿库安全日益严峻的形势，本文借鉴成熟的泥石流演进研究成果及经验公式(公式1—公式8 [4][5] [6])，利用工作中常用的工具软件，采用数值模拟法对两种比较常见的尾矿库溃坝泥石流(下游为平直型山沟和串珠型山沟等多种情况)进行简单计算，提出了一种尾矿库溃坝泥石流的下游淹没区域的简单计算方法，并在福建某尾矿库得到实际验证。本文研究成果对指导矿山企业对尾矿库下游安全区域划分及日常管理具有重要意义。
2平直型山沟淹没区域的计算
以尾矿库初期坝坝址处为计算参考点，沿尾矿库所在山沟每隔50—200m(设置距离根据沟谷的宽度变化及弯曲程度，平直型沟谷设置间距大，串珠状沟谷设置间距小)设置一条垂直于沟底的剖面。在计算过程中，沟谷的沟底坡度，沟谷植被如无明显变化，一般认为沟底坡度、粗糙率不变。借助泥石流计算领域的经验公式，可连续计算得到尾矿库溃坝时溃口的平均宽度、尾矿库坝址处溃坝洪水最大流量、坝址处溃坝泥石流流量、不同计算断面处的最大泥石流流量。求得尾矿库下游溃坝泥石流淹没区域的关键是求得溃坝泥石流的泥深(水力半径R)，在溃坝泥石流经过的某一断面上存在关系式：过流断面面积(S)=流经此断面的流量(Qml)÷此断面泥石流流速(Uc)，各断面的流量可通过经验公式计算得。
Uc是水力半径R的函数(见公式7)，而各断面不同水力半径下的溃坝泥石流过流面积可列表计算(见表3)，然后根据S=Qml÷Uc，列表计算出水力半径R(泥深)的值。
在计算过程中，主要用到的工具软件为Auto CAD和office软件中的Excel软件。Auto CAD主要用来对溃坝泥石流流经沟谷作垂直于沟底的剖面，以及圈定各断面不同水力半径下的过流断面面积;计算过程主要利用Excel软件中公式编辑功能及曲线图功能，对各断面各参数进行列表计算，并对串珠型沟谷进行调整计算，然后根据计算结果作曲线图。通过对Auto CAD和Excel软件的利用，大大降低了计算强度，提高了工作效率。
2.1溃坝口平均宽度计算
2.2坝址处溃坝洪水最大流量
2.3坝址处泥石流最大流量
2.4各断面最大流量计算
2.5下游不同断面溃坝泥石流流速
2.6各断面不同水力半径(R)下的过流面积(S)
以尾矿库初期坝坝址处为计算参考点，沿尾矿库所在山沟每隔100m设置一条垂直于沟底的剖面。将剖面自最低处每隔1m(水力半径)设为一层，共设n层，计算每层面积s及叠加面积S，得出水力半径与过流断面面积关系。
表3不同水力半径下的过流断面面积
2.7泥石流深度
根据关系式Uc×S=Qml，计算得过流断面面积S，进而计算得水力半径R，即尾矿库溃坝泥石流流经该截面时的泥石流深度。
表4 某断面相同水力半径下的流速与过流断面的乘积(Q)
当上表Qn与该断面计算得Qml相等时，该Qn栏对应的R即为所要求得溃坝泥石流流经此断面处的泥深。
溃坝泥石流在断面m处的深度H=R，根据该断面河槽最低标高，可得泥石流的淹没标高，将各断面求得的淹没标高沿地形线相连，所得的区域即为溃坝泥石流的淹没区域。
3串珠型山沟淹没区域的计算
3.1调整计算原理及原则
串珠型山沟宽度不一，河道弯曲，为了使计算得淹没标高更符合实际，对各断面距离初期坝距离与流量、水力半径、流速及过流面积进行调整计算，调整计算原理见下图。
调整计算遵循以下原则：
1)串珠型沟谷先按照平直型沟谷计算出各项参数(过流断面面积、水力半径、流量、流速)，然后根据所得的各项参数进行调整;
2)无论河道宽窄变化，自上游第1剖面开始，Qm一直变小;
3)各参数的调整大小根据断面变化率进行调整，变化率大，调整大，变化率小，调整小;
4)溃坝泥石流在沟谷中流动过程中，各断面泥石流顶标高呈逐渐下降趋势(泥石流龙头除外)。
图1调整计算原理图
3.2弯道超高和泥石流冲高
由于串珠型山沟河道存在弯曲，泥石流流经弯道和正对山坡流动时会有弯道超高和泥石流冲高，可按下式计算：
3.3外弯道处溃坝泥石流深度H
，根据该断面河槽最低标高，可得泥石流的淹没标高，将各断面求得的淹没标高沿地形线相连，所得的区域即为溃坝泥石流调整后的淹没区域。
4工程应用
4.1尾矿库基本情况
福建某尾矿库坝底标高420.00m，最终堆积标高为625m，其总库容为4781.1万m3，其最终堆积标高时总坝高205m，设计为二等库。初期坝为碾压堆石坝，后期采用尾矿上游法堆坝，堆积坝平均外坡比为1：5，尾矿库排水系统为排水井—隧道系统，尾矿库汇水面积为3.992km2，后期设计防洪标准为1000年一遇暴雨洪水(P=0.1%)。
尾矿库下游600m范围内有49户居民(已达成拆迁协议)，该处居民安全拆迁作为当地政府的重点工作于2014年6月已启动，并成立了安全移民专项工作领导小组，并经多方论证，在尾矿库下游距离初期坝1800米处的山坡上+425米标高处划定了一块安置房建设用地，作为拆迁户安置用地，该地块已开始了平整工作。
为配合当地政府部门更好地组织好尾矿库下游的安全拆迁工作，同时也为尾矿库重大事故应急预案提供依据，需要对尾矿库溃坝可能产生的最坏后果进行一次模拟分析，以确保拆迁安置用地不再位于尾矿库溃坝的直接影响范围之内。
4.2计算结果及分析
根据第2节与第3节中计算方法，计算得尾矿库溃坝泥石流的各项参数，然后调整计算得最终结果，见表5。
表5工程应用计算结果表
根据调整计算结果，弯道处泥深H=R++，各断面距离初期坝距离与流量、水力半径、流速及过流面积曲线见图2—图6。
尾矿坝溃决后，溃决平均宽度为200m，洪水和尾矿砂同时下泄，最大洪水下泄流量为3057.75 m3/s，尾矿砂最大下泄流量为13821m3/s。
泥石流首先沿着初期坝下游河沟(流通区)向下游行进，到达沟口处速度为13.48m/s，进入堆积区，由于流通截面积突然变大，因此泥石流流速迅速衰减，流速衰减为4m/s左右，由于流速变慢，尾砂出现堆积现象。泥石流流经弯道时，弯道外围泥石流面标高由于受冲高和弯道超高影响，会高出1—2m。泥石流流拆迁安置点时，泥石流顶面与拆迁安置点地面标高有近33m高度差，因此尾矿库溃坝泥石流对拆迁安置区无直接影响。
由于堆积区河沟较粗糙，植被较发育，且多道弯，能起到降低泥石流动能和势能的作用，泥石流在堆积区流进过程中会逐渐堆积，流量会逐渐衰减。泥石流淹没区域见下图。
5结论
尾矿库溃坝模拟是在经验公式的基础上，对流经各计算断面的不同水力半径下的过流断面面积、泥石流流速、流量及流经各断面的泥石流深度(水力半径)进行列表计算，然后根据串珠型沟谷的特点及调整计算原则进行调整计算，从而得出与实际情况较符的泥石流泥深(水力半径)、流量及流速，从而计算出溃坝泥石流对下游的淹没区域。根据计算结果，可对尾矿库下游安全区划分、尾矿库安全管理及应急预案编制起到指导作用。
在计算过程中，沟谷的摩擦系数与河槽坡度等因素的变化，对结果都有影响，需进一步深入研究。
参考文献
[1]张力霆.尾矿库溃坝研究综述.水利学报，2013年5月，第44卷第5期
ZHANG li-ting.Summary on the Dam-break of Tailing Pond.Shuili Xuebao,May 2013, Vol.44 No 5
[2]林玉山，张卫.尾矿库地质灾害与危险性评估.桂林工学院学报，2006.10，第26卷第10期
ZHANG yu-shan,ZHANG wei. The tailings of geological hazards and risk assessment.Journal of Guilin University of Technology, Oct., 2006, Vol.26 No 14
[3]郭朝阳，唐治亚.尾矿库溃坝模型探讨.中国安全生产科学技术，2010年2月，第6卷第1期
GUO zhao-yang,TANG zhi-ya. To investigate the tailings dam break model.Journal of Safety Science and Technology.February 2010, Vol. 6 No 1
[4]中国科学院一水利部，成都山地灾害与环境研究所.中国泥石流[M].商务印书馆，2000年11月,209页
A Ministry of Water Resources, Chinese Academy of Sciences,Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, China mud-rock flows[M ]. Beijing, Commercial Press, November 2000，Page 209
[5]常士骠，张苏民等.工程地质手册(第四版)[M].中国建筑工业出版社.2007年2月，562页
CHANG Shi-biao, ZHANG Su-min, et al. Engineering geology handbook ( the fourth edition) [M]. Beijing, China Building in-dustry Publishing house, February 2007，Page 562
[6]马庆冀，方振元.给排水设计手册第七册(城镇防洪)[M].中国建筑工业出版社，2000，434-435页
MA Qing-ji, FANG Zhen-yuan, et al. For the water drainingwater design handbook 7 th volume ( cities flood p revention) the second edition, Beijing, China Building industry Publishing house, 2000，page 434-435
[7]梁忠民，钟平安等.水文水利计算(第2版)[M].中国水利水电出版社,2008年10月,365-366页
L IANG Zhong2min, ZHONG Ping-an, et al. Hydrologywater con-servation computation ( the 2nd edition) [M ]. Beijing, Chinese Water conservationWater and electricity Publishing house, October 2008，page 365-366
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编辑：中冶有色技术网
来源：湖南有色冶金劳动保护研究院、长沙迪迈数码科技股份有限公司
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