尾矿库逐渐溃坝三维数值模拟研究

发布时间：2020-09-25 16:54

　　 尾矿库的溃坝不但会导致生态环境遭到破坏,而且严重威胁到下游群众的生命财产安全。2008年山西省新塔矿业有限公司尾矿库发生溃坝,泄漏尾砂约19万m~3,淹没面积35公顷,造成277人遇难,33人受伤,直接经济损失9619万元。2019年巴西米纳斯吉拉斯州一座铁矿的尾矿坝发生溃坝,造成34人死亡,23人受伤,250人失踪,泥沙淤积达10m深。因此,尾矿库溃坝后溃口发展形态以及下游泥沙与水流的演进范围的研究是十分有意义的。采用数值模拟方法对尾矿库溃坝的影响范围进行计算分析已成为目前一种可靠的方法之一,本文以某实际尾矿库为例,基于数值模拟手段对尾矿库逐渐溃坝的动态过程进行模拟,主要开展了以下几个方面的研究:(1)收集资料,统计了美国、欧洲和中国的尾矿库溃坝数据,分析了坝高、尾矿坝筑坝方法等因素对尾矿库溃坝的影响。(2)为验证所选模型的正确性,以文献模型溃坝实验为例,基于FLOW-3D建立水槽内的逐渐溃坝三维数值模型,对有初始溃口的无粘性土坝的溃口发展形态以及水深变化与实验进行对比。(3)根据某实际尾矿库的地形图,通过CIVIL 3D软件和AUTOCAD软件分别建立两种工况的三维数值模型。基于所建的数值模型,导入FLOW-3D软件中进行尾矿库逐渐溃坝计算,将计算结果导入自带的后处理软件Flowsight中进行处理和分析。(4)对尾矿库逐渐溃坝的溃口形态变化、洪水演进过程、整体尾砂淤积范围以及水流流速场等进行分析。研究了下游村庄、房屋附近各典型监测点水位变化规律。(5)根据计算结果,评估尾矿坝溃决洪水对村庄、房屋淹没的影响程度,并提出可行的工程措施建议。(6)为了减轻溃坝砂流对下游地区的影响程度,采取在尾矿坝下游设置拦挡坝的工程措施,将计算结果与未采取工程措施前相比,分析采取工程措施是否可行。研究结果表明:(1)根据国内外统计数据可以看出,稳定破坏是导致尾矿库溃坝最主要的原因;大于70%的尾矿坝溃坝其坝高不超过30m;上游式筑坝法更易发生溃坝。(2)对于水槽内验证模型,计算结果显示,数值计算中的溃口形态变化与实验结果一致,上下游水位的变化趋势相同,由此可以验证数值模型的准确性和适用性。(3)水流和尾砂演进计算数据表明:尾矿库溃坝后,溃坝洪水向下游演进,水量逐渐减少,泥沙沿程淤积,直至稳定。其中工况一断面最大流量2120.54m~3/s,监测点最大水深15.44m。尾砂下泄总量约42.1万m~3,约占总尾砂量的31.1%。工况二断面最大流量1448.99m~3/s,监测点最大水深10.10m。尾砂下泄总量约34.7万m~3,约占总尾砂量的41.6%。(4)尾矿坝溃口动态计算数据表明:尾矿坝溃决时水流先沿着初始溃口向下冲刷,随后逐渐向两侧侵蚀,随着溃口不断扩大,溃口处的水流量和流速不断增大,同时对溃口底部和两侧加剧冲刷,导致侵蚀越来越严重,最终,坝体侵蚀断面呈U型分布。(5)采取工程措施后,拦挡坝阻拦了大部分泥沙,有效减缓了水流和泥沙的演进,断面流量也明显减少;但下游房屋监测点4-6水深均超过5m,因此采取工程措施对下游村庄的居民影响不大。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD926.4
【部分图文】：

是一种将几何效果结合到控制方程中的非常强大的方法，也称网格和几何体相互独立的自由网格法。但是，与所有离散方法一样，它受到计算网格分辨率的影响。这是因为预处理器通过确定面的哪些角落在定义的几何体内来为网格中的每个单元面生成面积分数。如图 3.1 中的圆环体，如果单元格面的所有四个角都在几何体内，则整个面定义为在几何体内。类似地，如果所有角落在外面，则假定整个面在几何体外。当某些面角位于几何体内且某些面角位于外部时，将计算几何体与面边缘的交点。然后，假设面内交叉点之间的直线连接，从这些交点计算面积分数。当几何边界在单元内弯曲时，直线假设在分数区域中引入小误差。近似值与方程式开发中的其他假设一致，并随着网格分辨率的提高而得到改善。FAVOR 法必须覆盖至少一个网格顶点，否则不会记录小的球形物体（比如小于网格单元），如图 3.1 中的小球体。图 3.2 反映了 FAVOR 方法与有限差分法在描述物体时的不同之处，由图可知 FAVOR 技术精度明显更高，模拟物体运动也更加符合实际。一般的网格划分技术都无法模拟尾矿库溃口处的变化情况，而 FAVOR 技术将物体分割成一系列矩形网格，能够较好的模拟尾矿库逐渐溃决时溃口形态的变化。

是一种将几何效果结合到控制方程中的非常强大的方法，也称网格和几何体相互独立的自由网格法。但是，与所有离散方法一样，它受到计算网格分辨率的影响。这是因为预处理器通过确定面的哪些角落在定义的几何体内来为网格中的每个单元面生成面积分数。如图 3.1 中的圆环体，如果单元格面的所有四个角都在几何体内，则整个面定义为在几何体内。类似地，如果所有角落在外面，则假定整个面在几何体外。当某些面角位于几何体内且某些面角位于外部时，将计算几何体与面边缘的交点。然后，假设面内交叉点之间的直线连接，从这些交点计算面积分数。当几何边界在单元内弯曲时，直线假设在分数区域中引入小误差。近似值与方程式开发中的其他假设一致，并随着网格分辨率的提高而得到改善。FAVOR 法必须覆盖至少一个网格顶点，否则不会记录小的球形物体（比如小于网格单元），如图 3.1 中的小球体。图 3.2 反映了 FAVOR 方法与有限差分法在描述物体时的不同之处，由图可知 FAVOR 技术精度明显更高，模拟物体运动也更加符合实际。一般的网格划分技术都无法模拟尾矿库溃口处的变化情况，而 FAVOR 技术将物体分割成一系列矩形网格，能够较好的模拟尾矿库逐渐溃决时溃口形态的变化。

第 3 章 尾矿库逐渐溃坝数值模拟方法与模型验证离散成三维交错网格。由宽度xid 、yjd 、zkd 的矩形单元格组成有限差分网格，其中 x方向上有效网格 IBAR标记为索引i ， y 方向上有效网格 JBAR标记为索引j ， z 方向上有效网格 KBAR 标记为索引 k ，有效计算区域中一个完整的单元格共有( IBAR 2)( JBAR 2)( KBAR 2)个单元格，具体网格的布置见图 3.3[31]。单个单元网格上有相关的因变量的平均值，其中速度u 、v、w和面积分数xA 、yA 、zA 被定义在交错单元格中三个方向的表面，压强 P 、流体体积分数 F 、密度 、湍流动能q 、紊动能耗散率 D和粘度 等其他的变量被定义在单元格的中心，如图 3.4 所示。

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本文编号：2826822