曹 帥，張紅武，，趙晨蘇，朱明東

（1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.清華大學(xué) 黃河研究中心，北京 101309；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

1 研究背景

尾礦庫(kù)壩體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成、潰決機(jī)理、潰決過(guò)程十分復(fù)雜，完全從理論上難以給出可靠的潰決模式，依靠目前的分析計(jì)算方法開展研究得出的成果尚難以應(yīng)用于實(shí)際工程［1］。由于尾砂運(yùn)動(dòng)機(jī)理尚不清晰，采用數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述十分困難，同時(shí)，又缺乏尾礦庫(kù)潰壩實(shí)體實(shí)測(cè)資料對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行率定，因此數(shù)值模擬潰壩的可靠性也較為欠缺［1］，對(duì)于重要尾礦庫(kù)潰壩研究，不得不依靠物理模型試驗(yàn)方法。2009年至2010年清華大學(xué)張紅武團(tuán)隊(duì)在以往黃河高含沙洪水模型［2］、黃土高原溝道壩系模型［3-4］與堰塞湖潰決模型［5］設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，通過(guò)相似分析、材料試驗(yàn)、概化模型試驗(yàn)、河南欒川三強(qiáng)鉬鎢有限公司寺院溝尾礦庫(kù)潰壩整體模型試驗(yàn)［6］，率先研究了尾礦壩的潰壩過(guò)程及其對(duì)下游的影響，給出了補(bǔ)救措施，還進(jìn)一步提出了尾礦庫(kù)潰壩模型相似律及試驗(yàn)方法［7］，并通過(guò)國(guó)內(nèi)各地大量尾礦庫(kù)模型實(shí)例，研究了潰決機(jī)理、模式與解決方案，在學(xué)術(shù)上與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建方面也進(jìn)行了探討［8-9］。

近些年，張力霆等開展了以某小型尾礦庫(kù)為原型，模擬由于排滲設(shè)施失效使浸潤(rùn)線升高而最終導(dǎo)致潰壩的過(guò)程［10］。一些學(xué)者還針對(duì)其他影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，如趙一姝等發(fā)現(xiàn)筋帶在尾礦壩漫頂破壞過(guò)程中能起到阻滯效應(yīng)［11］，黨顯璋等發(fā)現(xiàn)堆積密實(shí)度增加可推遲潰壩洪流的形成時(shí)間［12］，王光進(jìn)等發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位上升將降低尾礦壩的穩(wěn)定性［13］。這些成果對(duì)于把握尾礦庫(kù)潰壩規(guī)律與改進(jìn)尾礦庫(kù)工程設(shè)計(jì)，均頗有意義。然而，已有試驗(yàn)研究對(duì)象幾乎都是針對(duì)尾礦粒徑不細(xì)的一般尾礦庫(kù)進(jìn)行的，其試驗(yàn)結(jié)果同赤泥庫(kù)潰壩模式不一樣，尤其是清華大學(xué)以外單位完成的尾礦庫(kù)模型試驗(yàn)，都未按照相似原理進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與模型砂選擇，沒(méi)有滿足最為重要的尾礦運(yùn)動(dòng)相似條件，尚不能稱為嚴(yán)格意義上的尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)，其研究結(jié)果在定量上還不能作為解決具體工程問(wèn)題的依據(jù)。這類成果只能針對(duì)低壩、小庫(kù)容的尾礦庫(kù)進(jìn)行定性分析，對(duì)高壩、大庫(kù)容的模擬較少。此外，對(duì)變壩坡尾礦庫(kù)潰壩研究也很少。

氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢渣是赤泥，屬于特殊的尾礦，通常采用筑壩形成庫(kù)容，用以存儲(chǔ)赤泥。全世界每年排放赤泥約6000萬(wàn)t，中國(guó)僅前五大氧化鋁廠，年排出赤泥量就達(dá)600萬(wàn)t，累積赤泥堆存量高達(dá)5000萬(wàn)t，而其利用率僅為15%左右。赤泥堆存不但需要大量的基建費(fèi)用，而且占用大量土地，污染環(huán)境，并使赤泥中的許多可利用成分得不到合理利用，造成資源的二次浪費(fèi)。因此，赤泥庫(kù)是人為形成的高位泥流危險(xiǎn)源，也是一種重要的污染源。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都曾出現(xiàn)過(guò)赤泥庫(kù)滑坡、管涌或潰壩等險(xiǎn)情。由于赤泥顆粒極細(xì)，含水時(shí)呈軟塑-流塑淤泥質(zhì)狀態(tài)，使得實(shí)際工程設(shè)計(jì)有特殊性，其潰壩模式與一般尾礦庫(kù)差異較大，模擬難度大，對(duì)潰壩發(fā)展過(guò)程與赤泥流對(duì)下游的影響仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。本文結(jié)合某壩坡多變的赤泥庫(kù)為實(shí)例，采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)其潰壩過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)研究，通過(guò)潰壩機(jī)制分析，力求得到赤泥尾礦庫(kù)的一般潰壩模式及相應(yīng)機(jī)理，并對(duì)高濃度尾砂流在下游溝道內(nèi)的最大影響高度進(jìn)行初步探討，以期為解決該類工程問(wèn)題提供技術(shù)依據(jù)。

2 研究對(duì)象概況

擬研究的赤泥庫(kù)場(chǎng)地地貌屬于黃土臺(tái)塬上被切割而成的山前沖溝，溝谷斷面形狀窄處呈“V”字形，寬處呈“U”字形。溝道近似東南-西北走向，溝底平均坡比7%，總長(zhǎng)約4.41 km，赤泥庫(kù)已利用溝道長(zhǎng)度約2.75 km。設(shè)計(jì)初期壩高20 m，堆積壩高132 m，總壩高152 m，總庫(kù)容5670.5萬(wàn)m3，有效庫(kù)容5103.6 萬(wàn)m3，為二等庫(kù)。壩址下游約0.3 km 為一個(gè)廢棄的小水庫(kù)，已基本填平形成一座淤地壩；壩址下游約1 km 為一旅游公路跨溝而建成的一座攔砂土壩，垂直距壩頂10 m 處有一過(guò)水涵洞（其斷面尺寸B×H=1.6 m×2.06 m）；壩址下游約1.8 km和2.8 km有兩條國(guó)內(nèi)重要的交通運(yùn)輸鐵路經(jīng)過(guò)［1］。制作完成的整體模型見圖1。

圖1 模型制作完成的初始形態(tài)

圖2 擬研究的赤泥庫(kù)設(shè)計(jì)縱剖面（單位：m）

赤泥堆筑方式采用由庫(kù)尾至庫(kù)下游，由右至左，分層碾壓逐步向庫(kù)下游初期壩方向推進(jìn)，分層厚度取0.3 m左右，壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。最終赤泥灘面坡向初期壩，灘面由右至左修建成5‰的坡度坡向左側(cè)溢洪道。初期壩壩頂向上游依次形成四級(jí)壩面：第一級(jí)壩面坡比1∶3、首尾高差80 m；第二級(jí)坡比0.97%、高差4 m；第三級(jí)坡比1∶3、高差40 m；最后一級(jí)坡比為5‰、高差8 m直至堆積壩頂；整體赤泥壩縱剖面見圖2。本赤泥采用干燥脫水后堆存，含水率33%，密度1.4 t/m3，400目篩細(xì)度顆粒占93.36%，酸堿度pH=12.2～13.0［1］。

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 相似條件參照高含沙洪水模型相似律［2，14］、尾礦庫(kù)潰壩模型設(shè)計(jì)方法［7］及泥石流模型設(shè)計(jì)的新進(jìn)展［15］，本模型設(shè)計(jì)需要遵循如下相似條件：

（3）水流挾沙相似條件λS=λS*；

其中：λL為水平比尺；λH為垂直比尺；λV為水流流速比尺；λn為糙率比尺；λω為懸沙沉速比尺；λS為水流含沙量比尺；λS*為水流挾沙能力比尺；λt1為水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺；λt2為壩體沖淤變形時(shí)間比尺；λγ0為淤積物干密度比尺；為泥沙起動(dòng)流速比尺。

3.2 模型砂的選擇模型砂的選擇是成功開展尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)［7］。研究表明，模擬材料與原型材料需要在主要的物理、力學(xué)性質(zhì)方面有較好的相似性?？紤]到赤泥易膠結(jié)、黏性大、高濃度時(shí)沉速小等特點(diǎn)，通過(guò)材料物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)，初步選擇擬焦沙與來(lái)自北京火電廠煙囪中收集的電廠粉煤灰進(jìn)行比選。為使模型砂材料粒度及密度力求同原型赤泥的材料特性、運(yùn)動(dòng)特性、輸移特性相似，最終選取電廠粉煤灰作為模型砂，其顆粒細(xì)，密度較大，孔隙介質(zhì)特性及表觀形貌同赤泥相近，基本力學(xué)參數(shù)及水力特性合理，尤其赤泥起動(dòng)相似條件引用公式［16］計(jì)算的赤泥起動(dòng)流速按比尺換算后與模型砂接近。而活動(dòng)性較好的擬焦沙材料則可用來(lái)制作初期壩下游的舊水庫(kù)淤地壩及攔砂公路。擬采用的電廠粉煤灰顆粒級(jí)配同現(xiàn)場(chǎng)取樣的赤泥級(jí)配對(duì)比見圖3。

圖3 模型砂與原型赤泥顆粒級(jí)配曲線比較

3.3 模型比尺赤泥庫(kù)潰壩過(guò)程及其下游洪水運(yùn)動(dòng)包括壩面侵蝕和溝道水沙匯集、洪水流動(dòng)過(guò)程。根據(jù)模擬范圍、模型相似要求、地形高差及場(chǎng)地等情況，綜合確定選取赤泥庫(kù)模型的水平比尺為160，垂直比尺為100。幾何比尺與其他根據(jù)相似條件計(jì)算得到的重要模型比尺匯總，見表1。

3.4 測(cè)驗(yàn)方法本試驗(yàn)重點(diǎn)研究赤泥庫(kù)潰壩的過(guò)程、機(jī)理及其對(duì)下游的影響，主要關(guān)心潰壩流量、水位變化過(guò)程、流速變化、潰壩量、淹沒(méi)高度等［7］。對(duì)赤泥壩體主要觀測(cè)潰壩后的潰口形狀變化及赤泥沖淤狀態(tài)，對(duì)壩址下游主要觀測(cè)相關(guān)敏感區(qū)附近赤泥淹埋深度和淹沒(méi)范圍。本試驗(yàn)采用高清攝像

表1 赤泥庫(kù)模型比尺匯總

圖4 模型試驗(yàn)量測(cè)設(shè)備布置

3.5 試驗(yàn)工況模型首先進(jìn)行了預(yù)備試驗(yàn)進(jìn)行率定，采用壩面橫向平坡、中間潰壩方式。預(yù)備試驗(yàn)表明：選擇電廠粉煤灰作為赤泥模型砂，其基本力學(xué)參數(shù)及水力特性合理，能夠模擬潰壩后赤泥多流態(tài)、多流型的特殊運(yùn)動(dòng)方式與壩體潰口變化及下游溝道淤積過(guò)程，能夠滿足赤泥庫(kù)潰壩模擬相似條件。模型邊界制作、量測(cè)精度符合有關(guān)規(guī)程。從赤泥庫(kù)模型潰壩后泄流溝形態(tài)等方面看，試驗(yàn)同實(shí)際潰壩現(xiàn)場(chǎng)是相似的。因此，該模型用來(lái)開展赤泥庫(kù)潰壩試驗(yàn)是可靠的。

在正式試驗(yàn)中，考慮最不利的突發(fā)性暴雨天氣導(dǎo)致山洪暴發(fā)、堵塞排洪設(shè)施從而引起赤泥庫(kù)堆積壩漫頂溢流，混凝土初期壩不會(huì)發(fā)生破壞，下游河道中未有河流穿過(guò)，故假定發(fā)生潰壩時(shí)，尾礦庫(kù)下游區(qū)域無(wú)水。模型試驗(yàn)主要對(duì)比研究赤泥庫(kù)閉庫(kù)后降雨形成的洪水總量對(duì)潰壩的影響程度，其中包括設(shè)計(jì)洪水量級(jí)及降雨歷時(shí)的變化，其他條件如赤泥堆存、碾壓施工、壩面設(shè)計(jì)等均為一致。降雨模擬采用庫(kù)區(qū)人工降雨及庫(kù)前上游加水的方式。人工降雨的降雨強(qiáng)度通過(guò)控制進(jìn)水管開度實(shí)現(xiàn)降雨量變化。本研究重復(fù)進(jìn)行了4種工況共12個(gè)組次的試驗(yàn)，見表2。

需要說(shuō)明的是：在壩頂標(biāo)高590 ～582 m間是坡向下游5‰的坡度，此段壩面洪水演進(jìn)可看作寬頂堰過(guò)流，至582 m向下游突然變成1∶3的陡坡，壩體出現(xiàn)明顯潰口實(shí)際是在標(biāo)高582 m子壩處，故認(rèn)為洪水到達(dá)582 m標(biāo)高位置開始溢流潰壩。赤泥庫(kù)閉庫(kù)后不存在防洪庫(kù)容，故降雨匯流后在庫(kù)前壩面徑流是溢流潰壩的主要?jiǎng)恿?，由此可知，潰壩流量過(guò)程與降雨匯流過(guò)程密切相關(guān)。機(jī)對(duì)試驗(yàn)全程進(jìn)行詳細(xì)記錄。

潰壩流量是通過(guò)流速測(cè)量結(jié)合斷面形態(tài)資料等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)時(shí)將示蹤顆粒均勻撒布在水流表面并使其跟隨泥流運(yùn)動(dòng)；安裝于模型上方的攝像機(jī)將拍攝表面流場(chǎng)的圖像信號(hào)同步傳輸至計(jì)算機(jī)從而得到平面流場(chǎng)圖像，見圖4（a）；然后采用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)處理得到某時(shí)刻表面流速分布；最后將表面流場(chǎng)值用高含沙垂線流速分布公式［2］換算出平均流速。下游溝道布設(shè)全自動(dòng)水位激光觀測(cè)儀，由電腦采集數(shù)據(jù)并對(duì)初期壩下游溝道中洪水位變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，見圖4（b）。

當(dāng)?shù)啬曜畲?4 h 點(diǎn)雨量均值65 mm，模比系數(shù)KP取3.78，最大可能24 h 點(diǎn)雨量為245.7 mm。設(shè)計(jì)洪水為1000年一遇洪水時(shí)：經(jīng)計(jì)算流域匯流歷時(shí)2.37 h，洪峰流量93 m3/s，流域24 h 洪水總流量91.67萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)洪水為5000年一遇洪水時(shí)：經(jīng)P-Ⅲ曲線外延計(jì)算得洪峰流量122.58 m3/s，流域24 h洪水總流量111.07萬(wàn)m3。最大可能洪水洪峰流量為130.29萬(wàn)m3，24 h洪水總量為125.64萬(wàn)m3。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏攸c(diǎn)，對(duì)工況一至工況三的洪水過(guò)程進(jìn)行概化，見圖5。工況四與工況三相比，每級(jí)降雨強(qiáng)度的時(shí)間增加一倍，但流量變化曲線是相似的。

表2 模型試驗(yàn)工況

圖5 工況一、二、三的24 h洪水過(guò)程及累計(jì)洪量變化概化

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 潰壩過(guò)程及機(jī)理通過(guò)多組工況的模型試驗(yàn)，對(duì)赤泥庫(kù)的潰壩過(guò)程觀察研究發(fā)現(xiàn)：赤泥庫(kù)的潰壩方式與一般尾礦庫(kù)差別很大，潰壩過(guò)程相對(duì)緩慢，水流下切和邊坡侵蝕速度大大減小，屬于典型的逐漸潰壩形式。在模型試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)壩面上不同坡比的潰壩現(xiàn)象觀察對(duì)比，分析認(rèn)為在時(shí)間上可將赤泥庫(kù)的潰壩過(guò)程分為三個(gè)階段：洪峰前段、洪峰階段及洪峰后段。這三個(gè)階段的潰壩特征獨(dú)立而連貫，且各自總是趨向一個(gè)沖淤“動(dòng)態(tài)平衡”，即短時(shí)內(nèi)水流挾沙能力與沖溝泄洪能力相匹配。觀察發(fā)現(xiàn)，洪峰前、后到達(dá)平衡態(tài)較慢，而洪峰段由于“峰高、量大、時(shí)間短”，平衡態(tài)“來(lái)的快、去的急”。同時(shí)，由于壩面坡度連續(xù)突變，壩面沖淤形態(tài)在空間上呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)現(xiàn)象，表現(xiàn)為沖刷、淤積和變動(dòng)。

4.1.1 洪峰前段“梳齒狀沖溝形成，以表面沖刷為主”。赤泥壩體干法堆存，壓實(shí)度高，表面固結(jié)，透水性較差，溢流開始后水流主要對(duì)壩體進(jìn)行表面沖刷。由于壩面多次變坡，整個(gè)潰壩發(fā)展過(guò)程可以從三個(gè)角度進(jìn)行分析，即緩坡變陡坡、陡坡變緩坡以及整體潰壩表現(xiàn)。

（1）緩坡變陡坡潰壩表現(xiàn)：在標(biāo)高590 ～582 m的5‰緩坡上水流流速小，至582 m處緩坡突變成1∶3的陡坡，水流勢(shì)能快速向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，至交界面標(biāo)高582 m處流速最先超過(guò)赤泥顆粒的臨界起動(dòng)流速，水流下切形成初始潰口，沿潰口過(guò)流逐漸形成一條淺細(xì)沖溝，但由于壩體碾壓固結(jié)，該細(xì)溝在垂向和橫向都未能迅速發(fā)展；隨著流量增加，上游水深增大，首個(gè)潰口斷面過(guò)流能力不足，則在其附近逐漸出現(xiàn)若干個(gè)類似的順直小細(xì)溝，呈梳齒狀排列；當(dāng)上游來(lái)流不斷增強(qiáng)，溝道水流流速增大、挾沙能力增強(qiáng)，潰口逐漸展寬沖深，諸多潰口開始出現(xiàn)分流不均現(xiàn)象；其中，根據(jù)潰口附近局部地形特點(diǎn)及下泄水流的慣性作用，正對(duì)上游主流方向的沖溝發(fā)展較其他溝要快，會(huì)出現(xiàn)一至兩條快速?zèng)_刷的“優(yōu)勢(shì)沖溝”；同理，在緩坡變陡坡的標(biāo)高538 ～458 m壩面亦呈現(xiàn)相似情形，見圖6（a）。

（3）整體潰壩表現(xiàn)：在洪峰來(lái)臨前，陡坡壩面上游來(lái)流大多集中在“優(yōu)勢(shì)溝”內(nèi)，其他溝道則分流較少，當(dāng)“優(yōu)勢(shì)溝”的斷面尺寸不再變化，潰口斷面過(guò)流與來(lái)流保持較長(zhǎng)時(shí)間的平衡；此時(shí)由于上游來(lái)流在緩坡上漫流寬度較大，沖溝趨近“彎曲型河道”，緩坡壩面上漫流寬度亦不再發(fā)展，“S”形沖溝趨于穩(wěn)定，緩坡上也實(shí)現(xiàn)了短暫的沖淤平衡，即在洪峰來(lái)臨前整體壩面實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)沖淤“動(dòng)態(tài)平衡”。4.1.2 洪峰段“階梯狀陡坎形成，以溯源沖刷為主”。洪峰階段開始后，由于“峰高量大”，迅速打破了之前的“沖淤平衡”，在緩坡變陡坡交界處出現(xiàn)溯源沖刷，形成階梯狀陡坎；在陡坡變緩坡處下游淤積加厚、沖溝趨直趨深。筆者仍從三個(gè)角度分別進(jìn)行分析：

（1）緩坡變陡坡潰壩表現(xiàn)：洪峰階段，流量劇增，此時(shí)陡坡壩面泄流溝內(nèi)水流速度達(dá)到最大，在緩坡變陡坡交界處，“優(yōu)勢(shì)溝”中水流加速下切，形成首個(gè)沖坑；由于壩面分層填筑，同一碾壓層上下層抗沖流速不同，沖坑內(nèi)水流切應(yīng)力快速增加，并在該處形成挑流，下游挑射點(diǎn)處水流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，大大超過(guò)赤泥起動(dòng)流速，繼續(xù)下切為沖坑，即形成兩級(jí)陡坎；如此重復(fù)下延，不斷分層沖刷最終形成階梯狀陡坎；由于沖溝單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水體量較大，水流挾沙能力強(qiáng)，“優(yōu)勢(shì)溝”不斷橫向展寬，溯源沖刷使?jié)⒖诓粩嗾箤捝涎?；同時(shí)，水流的側(cè)向侵蝕作用變強(qiáng)，潰口邊坡底部逐漸被淘蝕，臨空面在重力作用下拉應(yīng)力增大，當(dāng)赤泥顆粒間的粘結(jié)力小于重力時(shí)，潰口兩側(cè)壩體瞬間傾塌并被沖至下游，見圖7（a）。

（2）陡坡變緩坡潰壩表現(xiàn)：洪峰來(lái)臨，峰前段緩坡壩面形成的“沖淤平衡”亦被打破；由于上游的陡坡壩面溯源沖刷，泄流含沙量增加；同時(shí)，重力侵蝕導(dǎo)致潰口兩側(cè)壩體不斷崩塌，使得陡坡變緩坡交界面下游沖溝兩側(cè)尾砂淤積不斷加厚，類似沖積扇形態(tài)愈加清晰；由于大量高速赤泥流通過(guò)沖溝下泄，導(dǎo)致原有“S”形溝道過(guò)流能力不足，遂不斷垂向切深、橫向展寬；此外，在縱向上由于水流慣性增強(qiáng)，過(guò)流溝道出現(xiàn)“大水趨直”的變化。

（3）整體潰壩表現(xiàn)：洪峰段“峰高量大”，潰壩發(fā)展劇烈，陡坡壩面多處崩塌，沖溝底部淘刷嚴(yán)重，潰口及沖溝斷面呈現(xiàn)“上窄下寬”的正梯形，底部接近連通；緩坡壩面沖淤類似沖積扇，尾砂堆積分布更規(guī)則，沖淤交界處存在小范圍變動(dòng)區(qū)，根據(jù)設(shè)計(jì)洪水量級(jí)表現(xiàn)出沖刷或淤積狀態(tài)；在洪峰結(jié)束前，陡坡壩面坍塌大幅減少，沖溝形態(tài)趨于穩(wěn)定，溯源沖刷速度減小；緩坡壩面沖積扇寬度和面積增幅趨緩，主要泄洪通道變得寬深，平面轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔潯毙?，不再展寬沖深，見圖7（b）；此時(shí)可看作第二個(gè)動(dòng)態(tài)“沖淤平衡”出現(xiàn)，但由于洪峰段持續(xù)時(shí)間比較短，動(dòng)態(tài)平衡持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。

4.1.3 洪峰后段“陡坎合并成跌坎，壩面下部暗溝過(guò)流”。洪峰過(guò)后，潰壩流量銳減，陡坡壩面的“優(yōu)勢(shì)溝”陡坎平臺(tái)下切速度相對(duì)溯源沖刷更快，最終形成跌坎泄流；同時(shí)，陡坡沖溝下部側(cè)向侵蝕淘刷，上部壩體重力傾塌后相連，沖溝底部形成暗溝，而緩坡壩面沖淤變化不明顯。具體分析如下：

圖6 洪峰前段赤泥壩面上的沖淤形態(tài)

（2）陡坡變緩坡潰壩表現(xiàn)：在標(biāo)高542 m處，上游陡坡又突變成0.97%的緩坡，壩面上的水流在交界處由于緩坡的阻擋，動(dòng)能被消耗，流速減小，水深增大，緩坡上漫流寬度不斷增加，有少量淤積出現(xiàn)在沖溝兩側(cè)，呈現(xiàn)類似河口部位的沖積扇形態(tài)；盡管流速突然減小形成一定淤積，但隨流量增大在緩坡上也逐漸形成了固定流路；根據(jù)局部地形特點(diǎn)及此時(shí)水流自身“小水趨彎”的特性，流路可能會(huì)有一至兩條緩坡溝道生成并呈“S”形發(fā)展，見圖6（b）。

（3）整體潰壩表現(xiàn)：相對(duì)洪峰階段，該階段的潰壩變得緩和，流量大幅減小，水流速度降低，挾沙能力隨之減弱，沖溝內(nèi)洪流接近于清水下泄，沖溝斷面尺寸基本固定，整體壩面沒(méi)有大面積侵蝕與淤積，趨向于不沖不淤的狀態(tài)；在降雨結(jié)束前，陡坡與緩坡交界面處的潰口不再發(fā)展，壩面沖淤穩(wěn)定，達(dá)到最后一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，直到洪水期結(jié)束。

4.2 赤泥壩面沖淤

4.2.1 沖淤特點(diǎn) 模型潰壩試驗(yàn)過(guò)程中，在空間上壩面出現(xiàn)明顯的沖淤分區(qū)現(xiàn)象（見圖9）。試驗(yàn)表明

圖7 洪峰段赤泥壩面上的沖淤形態(tài)

圖8 洪峰后段赤泥壩面上的沖淤形態(tài)

（1）緩坡變陡坡潰壩表現(xiàn)：陡坡沖溝向上游緩坡的溯源沖刷逐漸停止，而陡坎下切刷深仍在繼續(xù)，從最上游一級(jí)陡坎開始，小陡坎向下逐級(jí)合并，直到形成一個(gè)接近垂直的跌坎，見圖8（a）；同時(shí)，由于沖溝下部?jī)蓚?cè)在洪峰階段淘刷比較劇烈，相鄰沖溝上部赤泥壩體側(cè)向塌陷后相連將溝道表面近乎封閉，底部形成多支暗溝過(guò)流；此階段在靠近山體的部位，仍存在重力侵蝕造成的崩塌現(xiàn)象，但崩塌后的壩體已不能被水流完全沖向下游，反而起到了一定的阻水作用。

圖9 潰壩過(guò)程中壩面沖淤分區(qū)現(xiàn)象

（2）陡坡變緩坡潰壩表現(xiàn)：緩坡上的沖積扇基本定型，大多數(shù)小沖溝隨流量減小逐漸斷流，上游來(lái)流主要通過(guò)微彎溝道行洪；在靠近上游陡坡處淤積稍有增加，但由于泄流含沙量不大，沖淤趨于穩(wěn)定，沖溝內(nèi)水流逐漸減??；在緩坡上的溯源侵蝕停止，潰口發(fā)育后的溯源沖刷形態(tài)呈樹狀，見圖8（b）。赤泥庫(kù)溢流潰壩后，壩面出現(xiàn)清晰的沖淤特點(diǎn)：在緩坡變陡坡交界處為“下沖上淤”，即其下游陡坡壩面泄洪流經(jīng)部位被沖刷，其上游緩坡大部分為淤積；在陡坡變緩坡交界處恰恰相反，表現(xiàn)為“上沖下淤”，即其上游沖刷，下游淤積；然而還有一些特殊部位，譬如優(yōu)勢(shì)沖溝兩側(cè)（主要在緩坡上）及變壩坡處上游附近，存在“或沖或淤”的局部變動(dòng)性。

4.2.2 機(jī)理分析 對(duì)于緩坡壩面，由于上游赤泥流泄洪至此后流速驟減，水流挾沙能力變?nèi)?，泄至緩坡的高濃度泥流不能被全部帶走，部分粗顆粒赤泥或極細(xì)赤泥絮凝團(tuán)就會(huì)沉積下來(lái)，從圖9中可以明顯看出赤泥的堆積部位，故緩坡大多為赤泥淤積區(qū)；相對(duì)地，沖刷區(qū)一般發(fā)生在陡坡壩面，由于坡度較大，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的效率更高，水流挾沙能力較強(qiáng)，泄洪通道內(nèi)的赤泥被快速下切或側(cè)向侵蝕從而沖至下游，故陡坡面上流路大多被沖刷；比較特殊的是變動(dòng)區(qū)，即存在淤積和沖刷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，變動(dòng)區(qū)在縱向上一般發(fā)生在坡度變化交界處的上游附近，在橫向上主要發(fā)生在緩坡壩面主流通道與沖積扇之間。

進(jìn)一步研究表明：（1）沖淤變動(dòng)的范圍主要是由洪峰流量、洪峰歷時(shí)及它們所引起的溯源沖刷劇烈程度所決定；（2）對(duì)于變壩坡交界面上游附近的縱向變動(dòng)區(qū)，溯源沖刷越劇烈，緩坡變動(dòng)區(qū)沖刷范圍越大，而陡坡變動(dòng)區(qū)堆積范圍越??；（3）對(duì)于緩坡壩面主流通道兩側(cè)的橫向變動(dòng)區(qū)，洪峰越大、歷時(shí)越長(zhǎng)，通道兩側(cè)與淤積區(qū)之間被沖刷的部分越多；（4）通過(guò)本文的多組試驗(yàn)初步統(tǒng)計(jì)得出，縱向變動(dòng)區(qū)范圍與相鄰陡坡（溯源沖刷主要發(fā)生在陡坡上）的縱向壩長(zhǎng)有關(guān)，縱向變動(dòng)距離約為陡坡壩長(zhǎng)的1/10～1/5；而橫向變動(dòng)區(qū)的變動(dòng)范圍與主流通道寬度（與洪峰流量及洪峰歷時(shí)正相關(guān)）有關(guān)，橫向變動(dòng)距離約為通道寬度的0.5～2倍。另外，相對(duì)于尾礦庫(kù)壩面概化為同一坡度，緩坡的存在明顯對(duì)潰壩演進(jìn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)起到了一定的遲滯作用，這對(duì)尾礦壩設(shè)計(jì)也具有一定的指導(dǎo)意義。

4.3 對(duì)下游的影響分析尾礦庫(kù)潰壩后對(duì)下游的影響實(shí)際更是工程關(guān)注的重點(diǎn)［17］。目前，尾礦庫(kù)的研究還不成熟，其堆積方式及初始地形千差萬(wàn)別，至今也沒(méi)有通用的公式計(jì)算尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游的影響。以往對(duì)尾礦庫(kù)潰壩后的下游影響計(jì)算，常常沿用土石壩的類似研究成果，然而尾礦庫(kù)潰壩比土石壩要復(fù)雜的多，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情形差別較大，一般尾礦庫(kù)及下游溝道沿縱向剖面示意見圖10（a）。

尾礦庫(kù)潰決后，在下游溝道內(nèi)的最大淹沒(méi)高度是決定災(zāi)害程度的直接影響因素。對(duì)于初期壩下游比較開闊平坦的尾礦庫(kù)，潰壩洪水在演進(jìn)時(shí)的速度及淹沒(méi)高度相對(duì)小于溝道內(nèi)情形。事實(shí)上，現(xiàn)有尾礦庫(kù)大多是倚山傍溝而建，故初期壩下游較長(zhǎng)距離內(nèi)一般仍為溝道。若尾礦庫(kù)下游無(wú)攔擋工程，則潰壩下泄的高濃度尾礦流具有行洪快、影響距離大等特點(diǎn)。因此，本文不考慮下游溝道內(nèi)設(shè)有攔水壩等障礙物的特殊情形。由于天然溝道的橫斷面通常不規(guī)則，結(jié)合實(shí)際工程條件，筆者基于水力學(xué)和高含沙水流等相關(guān)知識(shí)［2，18］，嘗試從基本理論分析推導(dǎo)出一般梯形斷面溝道內(nèi)洪峰時(shí)某斷面最大淹沒(méi)高度Ht的計(jì)算公式，并給出特殊橫斷面形式（見圖10（b））的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，最后通過(guò)多組尾礦庫(kù)潰壩模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，以期對(duì)尾礦庫(kù)潰壩下游風(fēng)險(xiǎn)分析提供技術(shù)支撐。

圖10 尾礦庫(kù)下游溝道縱剖面及橫斷面的概化

4.3.1 梯形溝道 對(duì)于天然溝道的斷面大多可以概化為梯形，如圖10（b）中左側(cè)圖形所示。對(duì)于尾礦庫(kù)下游溝道，河床比降J、糙率n、底寬Bt易得，某斷面A-A最大淹沒(méi)高度Ht一般發(fā)生在洪峰流量Qm到達(dá)時(shí)刻，假設(shè)在該時(shí)刻過(guò)流斷面面積為Am，則：

式中：n為溝道糙率；Rt為溝道水力半徑；對(duì)于等腰梯形斷面溝道，式中

由于尾礦庫(kù)下游溝道內(nèi)的洪峰流量一般可采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，結(jié)合已知的溝道幾何特性，故k1、k2易求；而β 是Ht的函數(shù)，則由式（8）可知，斷面最大淹沒(méi)高度Ht可通過(guò)迭代計(jì)算得到。

表3 尾礦庫(kù)模型試驗(yàn)資料對(duì)本文公式的檢驗(yàn)

4.3.2 V形溝道 對(duì)于V形溝道，可以概化為倒三角形斷面形式。如把它看作一種特殊的梯形斷面，則底寬Bv=0，即β=0，則V形溝道的斷面最大淹沒(méi)高度可通過(guò)下式直接得到：

對(duì)于等腰倒三角形，某斷面最大淹沒(méi)高度為：

4.3.3 U形溝道 類似的，U形溝道可以簡(jiǎn)化為矩形斷面形式。如果同樣將之看作特殊的梯形斷面，則邊坡系數(shù)為0，即k1=2。代入式（8）可得矩形溝道斷面最大淹沒(méi)高度：

4.3.4 模型試驗(yàn)資料對(duì)公式的驗(yàn)證 由于尾礦庫(kù)在發(fā)生潰壩時(shí)幾乎不可能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［19］，因此原型的潰壩資料甚為匱乏。自2009年以來(lái)，清華大學(xué)張紅武團(tuán)隊(duì)共進(jìn)行了20多座不同類型尾礦庫(kù)的潰壩模型試驗(yàn)研究，得到了一系列潰壩模型試驗(yàn)成果。筆者通過(guò)這些模型的試驗(yàn)資料，提取了潰壩后尾礦流在下游溝道中演進(jìn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以此對(duì)上述公式進(jìn)行了檢驗(yàn)。其結(jié)果見表3。

由表3看出，在尾礦庫(kù)下游無(wú)攔擋工程條件下，潰壩后高濃度尾礦流在溝道內(nèi)最大淹沒(méi)高度的模型實(shí)測(cè)值與本文公式計(jì)算值基本吻合，誤差均未超過(guò)15%。對(duì)于復(fù)雜的尾礦庫(kù)工程背景與下游溝道形態(tài)，存在一定誤差是正常的，可應(yīng)用于尾礦庫(kù)潰壩后對(duì)下游影響的預(yù)測(cè)評(píng)估。

5 結(jié)論

本文采用模型試驗(yàn)手段對(duì)赤泥尾礦庫(kù)漫頂潰壩過(guò)程進(jìn)行了研究。通過(guò)多組工況觀察，分析了黏性赤泥庫(kù)的溢流潰壩特點(diǎn)及相應(yīng)機(jī)理，并在理論上對(duì)尾礦流在下游溝道內(nèi)的最大淹沒(méi)高度計(jì)算方法進(jìn)行了探討。得到以下結(jié)論：

（1）相比一般尾礦壩，赤泥庫(kù)的潰壩過(guò)程相對(duì)緩慢，在時(shí)間上大致可分為洪峰前、洪峰段及洪峰后三個(gè)階段，且各段狀態(tài)有向挾沙能力與沖溝泄洪能力接近的趨勢(shì)。

（2）變壩坡使漫頂潰決的赤泥庫(kù)壩面出現(xiàn)清晰的沖淤特點(diǎn)，在空間上呈現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象，在不同的壩面位置分別表現(xiàn)為沖刷區(qū)、淤積區(qū)和變動(dòng)區(qū)；同時(shí)緩坡能對(duì)潰壩演進(jìn)起到明顯的遲滯作用。

（3）對(duì)于潰壩后下游溝道內(nèi)的影響，初步推求了尾礦流在溝道中的最大淹沒(méi)高度公式；經(jīng)較多尾礦庫(kù)模型試驗(yàn)資料檢驗(yàn)表明，公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好。

本文從模型試驗(yàn)方面對(duì)赤泥庫(kù)進(jìn)行的潰壩研究，可為赤泥庫(kù)的設(shè)計(jì)提供參考，但最大淹沒(méi)高度公式要求在潰壩最大流量已知的條件下使用，因此尚需要對(duì)相關(guān)參數(shù)作進(jìn)一步研究。