1.1   原型尾矿库概况

尾矿库区地处燕山山脉中北部，其西面、东面及南面三面环山，山坡较陡，属山谷型尾矿库。原型初期坝位于距沟口约50 m的位置，初期坝为透水型堆石坝，初期坝坝底标高为626 m，最大坝高为10.5 m，坝顶宽1.2 m，顶长61.6 m，外坡坡比约为1:1.8，内坡坡比约1:1.5，坝底宽37.4 m。原型堆积坝外坡平均坡比为1:1.87，堆积坝高42.5 m。库内沉积滩南部设有收集尾矿水的集水坑，水位标高为675 m，库内水位标高比滩顶标高低1.1 m，沉积滩干滩长度约35 m，沉积滩平均坡度约2%。原型尾矿库总库容约为40万m³，按《尾矿设施设计规范》(GB50863—2013)的规定，该尾矿库为四等库。

本文模型试验采用正态模型，模型与原型的几何比尺确定为1:35。溃坝模型试验平台如图 1所示，原型库区下部地形模型如图 2所示。

图 1.  溃坝模型试验平台简图

Figure 1.  The experimental platform for dam break modeling

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图 2.  库区下部地形模型

Figure 2.  The terrain model for the lower part of the reservoir area

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1.2   模型砂选取

尾矿库洪水漫顶溃坝模型试验的关键点之一就是模型砂的选取，其对于模型试验是否能够准确反映原型溃坝的机理与规律起着至关重要的作用。考虑到输砂率与缩尺效应等相似问题，原型尾矿砂不宜直接作为模型砂进行试验。模拟尾矿砂的材料主要需要满足颗粒粒径级配、渗透性、强度性质等方面的相似与性质稳定。模型砂选取的方法为：根据沉降相似算出粒径比尺，并满足挟砂能力相似，以此来选取模型砂，然后用起动相似条件进行校核。查阅文献[14]后可知，本次试验的模型砂采用粉煤灰，其物理化学性质比较稳定。通过进行室内物理力学试验与泥砂起动流速试验后，发现拟采用的粉煤灰符合粒径比尺要求与起动流速相似条件，可作为模型砂进行溃坝模型试验。

2.1   试验概况

依据几何相似比尺，原型尾矿库的尺寸将相应的缩小35倍来建立模型。由试验需要，需堆筑3种密实度的堆积坝。第1种为松散状态，密实度控制为0.19。其中第2种为稍密状态，密实度控制为0.42。第3种为密实状态，密实度控制为0.68。堆筑完成后的模型尾矿库如图 3所示。本模型试验模拟的原型尾矿库已进入后期运行阶段，坝体内部有稳定的渗流场。为了更好的模拟实际情况，在每组试验开始前都往模型的沉积滩注水，使水向下渗透浸润坝体，直至初期坝有水渗出则认为已形成稳定的渗流场，之后按照设计的洪水过程线向模型库内注水，开始溃坝模型试验。

图 3.  模型尾矿库

Figure 3.  The model of tailing pond

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2.2   尾矿库漫顶溃坝规律

洪水漫顶对尾矿坝的破坏过程为逐渐破坏过程，由于尾矿库的特殊性，破坏过程区别于一般的水坝等。通过3种不同密实度下的溃坝试验，可以总结出尾矿库发生洪水漫顶溃坝的破坏过程一般可概括为3个主要阶段。

第1阶段，细冲沟形成阶段。当水流溢过堆积坝坝顶时，初期漫顶水流在坝坡坡面上会逐渐形成一道或数道清水流，此时水流的含砂量较低，漫顶水流对坝体的作用主要表现为水流的剪切力。当水流内含砂量增高时，剪切力逐渐转变为含沙流的牵引力。随着水流流经部位的尾砂被挟走，堆积坝坝面形成一道细冲沟。

第2阶段，溃口以纵向发展为主的“陡坎”侵蚀阶段。细冲沟在水流的冲蚀作用下，其深度与宽度不断发展，并伴随初期坝少部分被冲毁。当细冲沟发展到一定程度时，由于水流平行于坡面的剪切力与动水压力作用下，一些类似阶梯状的小陡坎在坝面中下游出现，开始发生“陡坎”侵蚀。“陡坎”侵蚀是溃口纵向发展的主要模式。陡坎呈向上游溯源冲刷式发育，多级小陡坎会很快合并为少数大陡坎，如图 4~6，分别为3种堆积密实度溃坝试验中出现的多级小“陡坎”发育现象。图 7~9为3种堆积密实度溃坝试验中出现的大“陡坎”发育现象。“陡坎”侵蚀后期，细冲沟已发展为一道较深的沟壑，某些可冲刷至基岩。在这一阶段，随着坝顶处溃口宽度与深度的增加，溃坝洪水流量逐渐增加，大量初期坝石料被冲走损失，失去初期坝支撑的堆积坝坝脚将会出现崩塌，底部溃口宽度迅速扩大，此时溃口呈底部宽、中上逐渐变窄的倒“Y”状。

图 4.  松散状态

Figure 4.  Loose state

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图 5.  稍密状态

Figure 5.  Slightly dense state

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图 6.  密实状态

Figure 6.  Dense state

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图 7.  松散状态

Figure 7.  Loose state

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图 8.  稍密状态

Figure 8.  Slightly dense state

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图 9.  密实状态

Figure 9.  Dense state

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第3阶段，溃口以横向发展为主的两侧崩塌阶段。溃口的横向扩宽贯穿整个溃坝过程。在细冲沟发育阶段与“陡坎”侵蚀阶段，溃口的发展主要以纵向发展为主，横向扩宽的主要方式为水流的冲刷侵蚀，横向扩展速度较慢。当多级小陡坎合并为少数大陡坎后，溃口深度迅速增长，原来的冲沟发展为一道较深的沟壑，两侧的土体在重力与水的侵蚀作用下发生滑动、崩塌，使沟壑两端不断展宽，伴随着坝顶溃口的崩塌，积水区得不到有效的拦挡，尾矿库内存水将大量汇集下泄，产生高势能的泥石流，极具危险性。此时溃口的纵向发展模式逐渐转变为横向扩展为主，直至溃坝结束，最终形成一道下宽上窄的梯形状溃口。如图 10~12，分别为3种堆积密实度溃坝试验中出现的溃口崩塌现象。

图 10.  松散状态

Figure 10.  Loose state

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图 11.  稍密状态

Figure 11.  Slightly dense state

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图 12.  密实状态

Figure 12.  Dense state

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表 1为三组模型试验溃坝过程中关键点发生时刻表。由表 1可知：

表 1.  溃坝过程关键点时刻表

Table 1.  Timing of key points during dam break

时间/min	松散状态	中密状态	密实状态
0	开始漫顶	开始漫顶	开始漫顶
6	细冲沟开始发育并出现管涌现象	细冲沟开始发育	—
8	多级小陡坎出现	—	—
11	—	多级小陡坎出现	细冲沟开始发育
13	大陡坎出现	—	—
20	—	大陡坎出现	—
21	—	—	多级小陡坎出现
23	溃口纵向侵蚀结束，开始以横向发展为主的边岸崩塌发展式	—	—
27	尾矿坝失去挡水作用	—	—
35	—	—	大陡坎出现
38	—	溃口纵向侵蚀结束，开始以横向发展为主的边岸崩塌发展模式	—
39	溃口趋于稳定	尾矿坝失去挡水作用	—
62	—	溃口趋于稳定	溃口纵向侵蚀结束，开始以横向发展为主的边岸崩塌发展模式
69	—	—	尾矿坝失去挡水作用
110	—	—	溃口趋于稳定

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(1) 在整个洪水过程中，从开始漫顶至尾矿坝完全失去挡水作用所占据的时间很短。第1组松散状态下的溃坝，至27 min时尾矿坝失去挡水作用，占洪水过程总时间的比重为10.38%；第2组稍密状态下的溃坝，至39 min时尾矿坝失去挡水作用，时间比重为15%；第3组密实状态下的溃坝，至69 min时尾矿坝失去挡水作用，时间比重提高到了26.54%。在尾矿坝失去挡水作用之前，其具有一定调蓄洪水能力，即能够截留一部分洪水在尾矿库内，一旦尾矿坝失去挡水作用，高势能的泥石流将汇集下泄，瞬时流量往往达到最大值，对尾矿库下游的生命财产造成严重破坏。因此，一旦漫顶溃坝发生，下游居民最迟须在尾矿坝完全失去挡水作用之前撤离完毕。综上所述，必须严格控制尾矿坝的密实度，提高堆坝密实度可延长坝体抵御洪水的时间，更大程度的保护下游生命财产安全。

(2) 假设从开始漫顶至尾矿坝完全失去挡水作用为撤离的最迟时间，在最迟时间内，三组溃坝试验中大陡坎出现所需时间的比重依次为：48.15%、51.28%、50.72%，大约占撤离最迟时间的一半。通过三组溃坝试验发现，大陡坎出现之前，洪水流量较小，表现为清水流；大陡坎出现之后，洪水流量增长速度显著变大，洪水含砂量逐渐增多。因此从开始漫顶至大陡坎形成这段时间里，必须组织下游居民紧急撤离疏散。大陡坎形成之后，溃坝泥石流对下游的威胁逐渐变大，有关部门应注意合理安排尾矿库溃坝防灾减灾工作。