极端降雨诱发尾矿库溃坝及潜在经济损失评估研究

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尾矿库是矿山正常生产必不可少的组成部分,因其位置一般位于居民区上游、交通线附近或山谷地带,一旦溃坝将对下游人民生命和财产安全造成重大损失。影响尾矿库安全因素很多,水是重要的因素,近年来极端降雨条件下的溃坝灾害频发,所以研究极端降雨工况条件下尾矿库溃坝模型试验及潜在经济损失具有重要意义。本文以赣南某尾矿库为工程背景,借助室内模型试验开展了不同极端降雨工况下尾矿库溃坝的试验,研究不同极端降雨工况诱发溃坝的过程和对下游的潜在影响范围,对溃坝灾害造成的影响范围的潜在经济损失评估做了定量的研究,主要研究成果如下:(1)实地考察收集资料,总结库区的地理环境并对尾砂取样,开展土工试验测定物理力学性质,结果表明随着尾砂颗粒的增大,尾砂比重逐渐减小,尾砂渗透系数与孔隙比呈正相关。(2)利用相似理论设计搭建室内尾矿库物理模型实验平台及人工降雨系统,开展不同极端降雨工况下(50mm/h,70mm/h,90mm/h,110mm/h)尾矿溃坝模型试验。结果表明,从时间上看四组降雨工况溃坝过程均可分为破坏前(0-120s)、破坏中(120-480s)、破坏后(480-2400s)三个阶段,坝体溃决破坏速度与降雨强度成正相关。四组降雨试验中坝体溃口总体呈“喇叭状”变化,溃口的起动模式为冲刷起动,溃口发展过程中存在顺坡冲刷和垂直坡向冲刷两种状态,最终溃口的宽度、深度变化与降雨强度和库容呈正相关,溃口在溃坝发展的过程中从纵向下切为主转变到以横向拓宽为主。试验中孔隙水压力变化规律总趋势都是先快速增大,溃坝后逐渐降低趋于稳定,孔隙水压力数值变化的剧烈程度随降雨的增加而增大,孔隙水压数值出现峰值的时间不同,坝体破坏出现的先后时间与降雨强度的大小顺序一致,库容的改变会造成降雨入渗时间改变,这种差异随着降雨强度增大而消失。(3)不同极端降雨工况溃坝后对下游的影响结果表明,淹没范围、冲击距离也与降雨强度、库容呈正相关。相同降雨工况下,满库容的淹没范围和冲击距离比半库容更大更远,淹没面积的大小与降雨强度的增长并不完全一致。溃坝尾砂流淹没范围随单位时间的变化趋势大致可分为快速增长、稳定增长和缓慢增长三个阶段。下泄尾砂的粒径在坝体下游的沉积表现出随距离的增加而递减,在距模型坝址120cm处出现了粒径分级的现象,降雨破坏过程中坝体中的细颗粒流失对坝体稳定性产生不利影响。(4)从生命损失和房屋财产损失两方面开展溃坝灾害定量评估。结果表明,淹没深度为1-2米的淹没面积占总淹没面积比重最大,造成的经济损失最严重;溃坝灾害潜在影响人数、生命损失人数、经济损失值、溃坝后果严重性等级均与降雨强度和库容呈正相关,在50mm/h到70mm/h降雨过程中各项数值出现突增。除50mm/h降雨工况造成生命损失值小于30人,房屋潜在经济损失在1000万元内,其余降雨工况生命损失均超过30人,经济损失均超过1000万,溃坝后损失风险评估表明严重性等级和相对损失度与降雨强度和库容条件呈正相关。
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