尾矿库溃坝模拟技术规程

尾矿库溃坝模拟技术规程1范围本文件规定了尾矿库溃坝模拟的技术要求，包括基本资料、溃坝风险识别与分析、溃坝数值模拟、报告编写等。本文件适用于尾矿库的溃坝数值模拟，可供围堰、堤防等类似工程参考。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB39496-2020尾矿库安全规程GB50021岩土工程勘察规范GB/T50123土工试验方法标准GB50191构筑物抗震设计规范GB/T50266工程岩体试验方法标准GB/T50547尾矿堆积坝岩土工程技术标准GB50863-2013尾矿设施设计规范SL/T164溃坝洪水模拟技术规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1尾矿库溃坝模型dambreakmodelfortailingspond研究尾矿库坝体由于各种因素发生溃决和形成泥石流运动的数值模型。3.2尾矿库溃坝数值模拟numericalsimulationoftailingsdambreak利用尾矿库溃坝模型，模拟分析尾矿坝发生溃决及其泥石流在尾矿库区及下游地形的流动状态。3.3淹没范围inundatedarea尾矿库溃坝泥石流在库区下游的覆盖范围。3.4淹没厚度inundateddepth尾矿库溃坝泥石流在库区下游的堆积厚度。3.5演进流速evolutionvelocity尾矿库溃坝泥石流向下游演进的速度。3.6泥石流防控措施protectionandcontrolmeasuresfordebrisflow能够避免或减缓溃坝泥石流对保护区域侵害的各种型式的措施。3.7失稳溃决dambreakcausedbyinstability尾矿坝坝坡较陡或筑坝材料抗剪强度不足，在外部荷载增加、渗流压力增大或震动液化等因素影响下，出现尾矿坝失稳破坏，进而使得库内尾砂失去约束，发生溃坝事故。3.8漫顶溃决dambreakcausedbyfloodovertopping尾矿库遭遇强降雨或大量水流汇聚时，库内水位短时间上升，且坝体渗透性低，雨水来不及排出，造成洪水漫顶而导致坝体溃决。3.9逐渐溃gradualdambreak由于尾矿坝失稳等原因，出现局部溃口，在水流冲刷、渗透破坏等作用下，溃口由小到大、逐步发展的溃决模式。3.10全溃totaldambreak由于尾矿坝洪水漫顶等原因，坝体一次性完全溃决、库内物料瞬间集中下泄的溃决模式。4基本资料4.1收集尾矿库所在区域的地理位置、自然地理条件、社会经济条件等基本数据和信息。4.2收集尾矿库库区及周边数字地形图、相关设施布置图、遥感影像图等，数字地形图范围应包含库区汇水区及坝下游影响区，比例应满足溃坝模拟精度要求。4.3收集尾矿库安全管理的现行有效相关技术报告，包括以下内容：a）尾矿库岩土工程勘察及稳定性评价报告，获取尾矿库区域地层岩性、地质构造、岩土参数、地下水等基本参数和坝体稳定性结论。尾矿库岩土工程勘察应按GB50021和GB/T50547执行，岩土参数获取应按GB/T50123和GB/T50266执行。b）尾矿库安全评价报告，明确尾矿库安全稳定特征。c）尾矿库安全设施设计、施工报告、竣工验收报告等，明确以下内容：——尾矿库类型、库容、等别、布置型式、堆存方式；——坝型、坝体结构、排渗及防渗形式；——防排洪系统设计与布置；——其他：坝基处理相关资料等。d）尾矿库排洪系统检测和调洪演算报告，明确以下内容：——排水构筑物的质量检测结果；——尾矿库库容曲线、入库洪水、设计防洪标准、排水构筑物、泄水构筑物及防洪能力等。e）尾矿库安全监测报告，获取坝体位移、浸润线、库水位等监测数据与分析结果。f）尾矿库隐蔽致灾因素普查报告，获取尾矿库隐蔽致灾因素、防治措施和成效。g）尾矿库隐患排查治理报告，获取尾矿库隐患内容、整改措施和结果。4.4收集尾矿坝下游的居民区及人员密集场所、重要基础设施、生态环境敏感区、工矿企业等信息。4.5现有资料不满足溃坝模拟分析要求时，可适当布置测绘、勘察、检测等工作。5溃坝风险识别与分析5.1溃坝类型和风险因素识别5.1.1尾矿库溃坝可分为失稳溃决和漫顶溃决两种类型。5.1.2尾矿坝失稳主要风险因素包括坝体材料物理力学性质较差、尾矿坝外坡过陡、浸润线过高、坝体渗漏、地震液化等。5.1.3尾矿坝漫顶主要风险因素包括防洪标准低、泄洪能力差、干滩长度小、安全超高不足等。5.1.4尾矿库存在失稳溃决风险的判定应符合下列规定：——尾矿坝几何形态不均匀。——尾矿坝识别的风险因素符合5.1.2的规定。——尾矿坝出现滑坡裂缝、隆起、沉降或位移加速，坝体渗漏携带泥沙外泄等迹象时，可判定为失稳溃决。——判定为失稳溃决时，宜通过尾矿坝三维稳定性模拟分析，确定初始溃口位置。5.1.5尾矿库存在漫顶溃决风险的判定应符合下列规定：——尾矿坝几何形态均匀。——尾矿坝识别的风险因素符合5.1.3的规定。——尾矿库出现持续强降雨、库区上游来水量骤增，排洪系统堵塞、失效等迹象时，可判定为漫顶溃决。5.2溃坝风险分析5.2.1尾矿库坝体失稳溃决风险分析a）坝体抗滑稳定的安全系数，不应小于表1规定的数值。表SEQ表\*ARABIC1坝坡抗滑稳定的最小安全系数计算方法运行条件尾矿坝级别1234，5简化毕肖普法正常运行1.501.351.301.25洪水运行1.305特殊运行51.10瑞典圆弧法正常运行1.305洪水运行01.05特殊运行1.101.051.051.00注：本表内容与GB50863-2013表4.4.1-2的要求一致。b）应检测尾矿坝现状坝高和外坡坡比。检测坝的外坡坡比时，应选择最大坝高断面和坝坡较陡断面，且每100m坝长应不少于2处。c）应根据尾矿库安全监测数据，确定并复核浸润线高度。5.2.2尾矿库洪水漫顶溃决风险分析a）尾矿库防洪标准应符合下列规定：——尾矿库的防洪标准应根据尾矿库的等别、库容、坝高、使用年限及对下游可能造成的危害程度等因素，按表2确定。表SEQ表\*ARABIC2尾矿库防洪标准单位：年尾矿库等别一二三四五洪水重现期1000～5000或PMF500～1000200～500100～200100注1：PMF为可能的最大洪水。注2：本表内容与GB39496-2020表9的要求一致。——当确定的尾矿库等别的库容或坝高偏于该等上限，尾矿库使用年限较长或失事后对下游会造成严重危害者，防洪标准应取上限或提高等别。——中线式或下游式尾矿筑坝的尾矿库，堆坝区的防洪标准应不小于50年一遇洪水。——尾矿库排洪系统外的尾矿坝坝肩截水沟、坝面排水沟的防洪标准应不小于年最大24h雨量均值。b）尾矿库泄洪能力应符合下列规定：——尾矿库调洪演算应采用水量平衡法进行计算。尾矿库的一次洪水排出时间应小于72h。——尾矿库应采取防止泥石流、滑坡、树木杂物等影响泄洪能力的工程措施。c）尾矿库干滩长度与安全超高应符合下列规定：——上游式尾矿堆积坝沉积滩顶与设计洪水位的高差应符合表3的最小安全超高值的规定；滩顶至设计洪水位水边线的距离应符合表3的最小干滩长度值的规定。表3上游式尾矿堆积坝的最小安全超高与最小干滩长度单位：米坝的级别12345注1：3级及3级以下的尾矿坝经渗流稳定分析安全时，表内最小干滩长度最多可减少30GB50191——下游式和中线式尾矿坝坝顶外缘至设计洪水位时水边线的距离应符合表4的规定；坝顶与设计洪水位的高差应符合表3的最小安全超高值的规定。表4下游式和中线式尾矿坝的最小干滩长度单位：米坝的级别12345GB501916溃坝数值模拟6.1一般规定6.1.1尾矿库溃坝数值模拟，应包括尾矿坝稳定性模拟和溃坝泥石流演进模拟两部分。6.1.2尾矿库溃坝数值模拟之前，应据5.1和5.2的规定进行尾矿库溃坝风险识别与分析。6.1.3宜依据尾矿库溃坝类型，结合尾矿坝稳定性模拟分析，确定计算滑移面，判定尾矿坝溃决时的模拟溃口部位和形态。6.1.4模拟逐渐溃溃口泥石流过程时，可采用动网格模拟技术，反应溃口形状变化过程。6.1.5尾矿坝稳定性模拟和溃坝泥石流演进模拟，应采用三维数值模拟法计算。6.2尾矿坝稳定性模拟分析6.2.1尾矿坝稳定性模拟分析应采用三维尾矿坝模型。6.2.2尾矿坝稳定性计算的本构模型，宜采用Mohr-Coulomb或Drucker-Prager准则。6.2.3尾矿坝稳定性计算参数应符合下列规定：a）应根据岩土工程勘察报告获取尾矿坝坝体及坝基土的物理力学参数。b）应根据强度计算方法与土的类别，按照GB50863中的要求选取尾矿坝坝体及坝基土的抗剪强度指标试验方法。c）稳定性模拟需输入物理力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、渗透系数等。6.2.4尾矿坝稳定性边界条件，应符合下列规定：a）尾矿坝坡面及坝顶等临空面可不设置约束条件。b）其余边界宜设置位移约束条件加以控制。6.2.5尾矿坝稳定性计算方法，应符合下列规定：a）尾矿坝模型求解方法宜采用有限差分法、有限元法等。b）对于尾矿堆积坝，模拟时可用拟合法确定控制浸润线。c）对于尾矿堆积坝，可采用流固耦合分析，明确坝体内部地下水渗流模式及其对稳定性的影响。6.3溃坝模型及模拟方法6.3.1尾矿库溃坝模型应符合下列规定：a）应建立三维尾矿库模型，并充分考虑库区和下游复杂性，实现模拟真实地形对溃坝泥石流演进的影响。b）溃坝模拟范围宜包括全库区；下游模拟范围应大于溃坝可能淹没范围，并充分考虑沟谷、农田、村庄、河流和公路等复杂地形地物条件。6.3.2尾矿库溃坝模拟输入的物理力学参数包括粒径、密度、孔隙比、粘度、糙率等。6.3.3尾矿库溃坝泥石流模拟方法应符合下列规定：a）溃坝泥石流本构关系宜采用VOF多相流模型与k−ε湍流模型，也可采用粘性宾汉流体模型。b）VOF多相流模型相数为2，即溃坝泥石流和空气两种，计算在自重作用下溃坝流动情况。c）由溃坝泥石流下泄体积和溃坝下泄流量过程线确定尾矿库溃坝持续时间，待模拟结果基本无变化结束计算。6.3.4尾矿库溃坝求解应符合下列规定：a）溃坝数值模拟宜利用精细建模软件和流体动力学软件相耦合，实现尾矿库溃坝泥石流流动的高精度模拟。b）溃坝数值模型求解方法宜采用有限差分法、有限元法、有限体积法等，并适应溃坝泥石流在尾矿库下游演进过程的模拟要求。6.3.5尾矿库溃坝模拟基本控制方程，可参照本文件附录A和SL/T164中5.1.1的要求。6.4网格划分及定解条件6.4.1尾矿库溃坝模拟的计算网格应符合下列规定：a）计算网格可采用结构网格和非结构网格，并覆盖全部模拟区域。b）计算网格应反映尾矿库特征和地形变化，网格的布设应疏密得当。c）对重点区域、地形地物变化较大区域、体积较小构筑物等，网格应适当加密；对于地势较为平坦，地形地物变化不大的区域，网格尺寸可适当放大。d）应统筹网格质量、网格精度和计算效率，在保证网格质量和精度的前提下，适当提高计算效率。e）宜进行计算网格无关性分析。6.4.2尾矿库溃坝模拟的定解条件应符合下列规定：a）初始条件，应根据溃坝模拟的设计要求，确定溃坝前的坝高和库水位参数。b）尾矿坝坝顶，可考虑临时堆载的影响。c）边界条件，应根据模拟软件要求详细设置，符合下列规定：——初期坝及堆积坝表层应依据孔隙水压力设为透水边界；——尾矿坝顶面、平台及坡面可为自由面，下游边界条件应给定自由出流；——其余边界可通过位移边界条件控制。d）尾矿坝溃口设置为溃坝泥石流流量入口。6.5计算方案6.5.1应根据5.1的要求，确定尾矿坝溃坝类型和溃口部位。6.5.2尾矿库溃坝模式可分为以下两类。a）失稳溃决的溃坝模式宜为逐渐溃。b）漫顶溃决的溃坝模式宜为全溃。6.5.3逐渐溃的溃口流量过程分析，宜符合下列规定：a）先根据稳定性计算确定初始溃口的形状和尺寸，同时假定该形状随溃口发展保持不变，然后根据泥沙冲刷率公式计算下一时段溃口处的泥沙冲刷量。b）根据泥沙冲刷量计算下一时刻溃口的下切深度。c）根据新的溃口底部高程和溃口的溃口宽度，计算下一时刻的溃口出流量。6.6结果分析6.6.1尾矿坝稳定性结果分析应包括下列内容：a）尾矿坝稳定特征及滑面。b）尾矿坝溃口部位和形态。6.6.2溃坝结果分析应包括下列内容：a）泥石流的演进过程；b）特征断面的泥石流变化过程；c）特征点的泥石流变化过程；d）提出相应措施及建议。6.6.3尾矿库溃坝模拟分析成果，应符合附录B的要求。7报告编写7.1尾矿库溃坝模拟分析报告，内容应包括：项目基本情况，尾矿库概况，尾矿库溃坝风险分析，尾矿坝稳定性模拟分析，尾矿库溃坝数值模拟分析，结论与建议等。7.2尾矿库溃坝模拟分析报告提纲，宜参照附录C的要求。

附录A（资料性）尾矿库溃坝数值模拟基本控制方程A.1数学模型及基本假设A.1.1由连续性方程和动量方程所组成的流动模型（圣维南方程组），见式（A.1）～式（A.2）。连续性方程：（A.1）动量方程：（A.2）式中：ρ—密度系数，kg/m3；μ—分子黏性系数，，分子黏性系数由宾汉模型给出；p—修正压力，Pa；Bi—单位体积的体积力，N/m3；μt—紊流黏性系数，。A.1.2溃坝理论分析及模拟中，采用以下几点假设：1）采用拉格朗日方法描述固体骨架，并假设其为连续介质；2）固体颗粒不可压缩；3）采用太沙基有效应力原理，固体骨架采用有效应力模型模拟；4）考虑孔隙率和颗粒骨架体积随时间的变化；5）等温条件。A.2数值计算原理A.2.1应用VOF法和k-ε双方程紊流模型耦合的数值模拟方法，对溃坝泥石流场进行模拟。A.2.2VOF模型VOF法在计算域内，对模型中的每一相引入一个变量——相体积分数F，F是空间和时间的函数，即F=F（x，y，z，t）。在离散网格内，F取值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比。（A.3）A.2.3湍流模式标准的k−ε模型是基于能量方程和扩散速率方程而得出的模型，湍流动能k和耗散率ε：k方程：（A.4）ε方程：（A.5）（A.6）式中：ui、uj—速度分量，m/s；xi、xj—坐标分量，m；ρ—流体密度，kg/m3；μ—分子动力黏性系数，N·m/s；k—紊动动能，m2/s2；ε—紊动耗散率，m2/s2；P—修正压力，Pa；σk、σε—k、ε的紊流普朗特数，无因次；C1ε、C2ε—经验常数，无因次；cμ—经验常数取0.09。A.2.4求解方法将模型的控制方程k-ε紊流方程和VOF法的体积函数输运方程用以下通用方程表示，包含时间导数项、对流项、扩散项、源项。（A.7）式中：uj—流体速度矢量，m/s；ρ—流体密度，kg/m3；φ—通用因变量（如u、v、w、k、ε等）；Γφ—对应于φ的扩散系数，cm2/s；Sφ—方程的源项。采用有限体积法离散方程，控制体积单元如图A.1。图A.SEQ图\*ARABIC\s11三维控制体积单元在由表面Sj（j=1，N）所围成的控制体积VP内，对上式进行积分得到下式：（A.8）T1T2T3式中：ur—流体相对于表面S的速度，m/s；T1—时间导数项；T2—总通量项，包括对流项和扩散项；T3—源项。

附录B（规范性）尾矿库溃坝模拟分析成果要求尾矿库溃坝模拟分析成果，见表B.1。表B.1尾矿库溃坝模拟分析成果表成果名称主要内容及要求模型建立利用精细建模软件，建立尾矿坝稳定性和溃坝模拟三维计算模型。模型模拟范围宜包括全库区和尾矿坝，下游范围应大于溃坝可能波及范围。溃坝泥石流演进状态根据模拟结果，提取尾矿库发生溃坝过程以及溃决泥石流在不同时刻演进的淹没范围，时间间隔以100s～300s为宜。溃坝泥石流淹没厚度根据模拟结果，提取尾矿库溃决后下泄泥石流对地面压力，并获得泥石流淹没厚度的演进分布。时间间隔以100s～300s为宜。溃坝泥石流演进流速根据模拟结果，提取尾矿库溃决后下泄泥石流流动的演进流速分布。时间间隔以100s～300s为宜。特征断面和特征点变化过程根据模拟结果，提取特征断面和特征点的泥石流变化过程。溃坝泥石流最大淹没范围根据模拟结果，提取尾矿库自溃口起泥石流演进的最大淹没范围，并分析对尾矿坝下游居民区及人员密集场所、重要基础设施、生态环境敏感区、工矿企业的影响。措施及建议提出库址选择、泥石流防控措施或区域规划等方面的建议。附件要求1、项目区遥感影像图；2、项目区数字地形图；3、溃坝泥石流演进淹没范围图；4、溃坝过程模拟动画。

附录C（资料性）尾矿库溃坝模拟分析报告提纲C.1前言简要说明模拟分析的目的、内容、过程和结果。C.2项目基本情况C.2.1项目背景说明项目来源，矿山基本概况，尾矿库类型和规模，溃坝模拟分析目的，任务要求等。C.2.2编制原则和依据说明编制原则、编制依据。C.2.3模拟内容与工作组织简述溃坝模拟分析内容和方法，模拟分析工作组织，实施过程等。C.3尾矿库概况C.3.1尾矿库基本情况说明尾矿库地理位置、自然地理条件、地质条件、社会经济条件、周边环境、下游敏感区等。C.3.2尾矿库设计概述针对溃坝模拟目的任务，阐述相应的尾矿库安全设施设计内容及相关要求。C.3.3尾矿库现状阐述尾矿库库容、等别、布置型式、堆存方式等。阐述尾矿库防洪标准和防排洪系统布置。阐述尾矿坝坝型、结构形式、几何尺寸、排渗防渗等。阐述尾矿库监测设施、库区道路、其他辅助设施等。C.3.4尾矿库安全管理现状阐述尾矿库安全稳定特征、隐患情况、隐蔽致灾因素识别情况及防治措施等。阐述尾矿库排洪系统质量和排洪能力等。阐述尾矿库安全监测指标及分析结果。C.4尾矿库溃坝风险分析C.4.1溃坝类型识别分析可能出现的溃坝类型和风险因素。C.4.2溃坝风险分析进行尾矿库失稳溃决风险分析，尾矿库漫顶溃决风险分析，明确尾矿库溃坝风险。C.5尾矿坝稳定性模拟分析C.5.1分析方法说明尾矿坝稳定性模拟方法，模拟软件及其主要功能。C.5.2模型建立建立计算模型，输入计算参数、边界条件等。C.5.3稳定性分析进行尾矿坝稳定性三维数值模拟分析。根据模拟结果，分析尾矿坝应力和变形特征，滑面部位，安全系数等，确定溃坝模拟溃口部位。C.6尾矿库溃坝模拟分析C.6.1理论基础说明尾矿库溃坝模拟原理，模拟软件及其主要功能。C.6.2模型建立建立溃坝模拟计算模型及基本假设，输入初始条件、计算参数和边界条件等，根据溃坝类型识别和稳定性分析结果，明确溃决模式，输入溃口位置尺寸。C.6.3数值模拟分析进行尾矿库溃坝的数值模拟分析。根据溃坝模拟结果，分析溃坝泥石流演进情况、泥石流压力（淹没厚度）演进情况、特征断面和特征点的泥石流变化过程、泥石流演进流速情况、溃坝泥石流最终淹没范围等。分析溃坝泥石流沿下游的最大扩散距离，与居民区及人员密集场所、重要基础设施、生态环境敏感区、工矿企业等的对应关系，分析溃坝对下游的损害程度。提出溃坝泥石流防控措施。C.7结论与建议C.7.1主要结论模拟方法和软件选择，尾矿坝稳定性模拟结果，尾矿库溃决模