[发明专利]一种尾矿坝洪水漫顶溃坝事故的情景构建方法

权利要求书

1.一种尾矿坝洪水漫顶溃坝事故的情景构建方法，其特征在于具体构建过程为：

一、引起尾矿坝洪水漫顶溃坝事故原因分析：根据尾矿坝的实际情况预测其出现洪水漫顶事故的主要原因，具体包括以下四点：

(1)库区遭遇超标准洪水，排洪设施全负荷工作仍不能有效排除库内洪水，导致安全超高不足，进行应急处置，处置无效，逐渐形成子坝挡水，洪水漫过坝顶；

(2)排水井、排水斜槽或排水管、隧洞坊塌、堵塞，降低泄水能力，进行应急处置，处置无效，库水位上涨，逐渐形成子坝挡水，洪水漫过坝顶；

(3)排水井设计断面过小，不能有效排出防洪标准对应的洪水总量，进行应急处置，处置无效，库水位上涨，逐渐形成子坝挡水，洪水漫过子坝；

(4)汛期前管理不当，未留设足够的调洪库容，安全超高、干滩长度接近临界值，降雨来临后，库水位不断上涨，进行应急处置，处置无效，库水位上涨，逐渐形成子坝挡水，洪水漫过坝顶；二、分析尾矿坝洪水漫顶溃坝事故过程机理：洪水漫顶事故引起尾矿坝破坏的机理是：库内水位逐渐升高，当水位增加到比坝顶高时，坝顶出现溃口，库中的水从溃口不断流出，水流不断冲刷，导致溃口周边的土不断坍塌，进而溃口逐渐扩大，由于溃口在横向、垂向都会扩展，随着时间的推移，坝坡会逐渐失去稳定性，最终导致溃坝；三、尾矿坝洪水漫顶溃坝事故情景构建：包括数据点采集、坝体线框图的生成、三维模型的建立和纹理映射五个过程，具体为：

(1)数据点采集：利用全站仪采集尾矿坝坝体的特征点实现对坝体的基础三维建模，所测点的坐标为坝体的真实坐标，建立的模型为真三维模型，全站仪数据的采集包括场地勘查、控制点布设、控制测量和建筑物特征点测量，其中场地勘察是要了解坝体周边环境、坝体位置、走向和总体结构，控制点布设要保证每一控制点和至少两个其他控制点通视，对于尾矿坝，在坝体四周和坝顶布点，要保证能和两边控制点通视；控制测量分为平面控制测量和高程控制测量，对其分别进行测量与平差计算，得到各控制点坐标；坝体特征点测量时，采用免棱镜的电子全站仪进行三维数据采集；全站仪测量时，需要测出面与面之间棱线上的特征点，并赋予特征点相应的特征编码，以便在Auto CAD中对其自动连线；

(2)坝体线框图的生成：将全站仪所测的数据导入到Auto CAD中，在Auto CAD中加载用Auto Lisp语言编写的程序“Archline.Lsp”，对所测的特征点进行自动展点和初步连线，形成坝体的整体线框图；

(3)三维模型的建立：先对3DMax进行单位设置，使其系统单位比例与显示单位比例一致，均设为毫米，再将将在Auto CAD中形成坝体的整体线框图输出为.DWG文件并导入到3DMax里，导入时导入文件选择原有的Auto CAD文件，在“层”选项中选中需要导入到3DMax中的层级，将不需要的图层过滤掉；导入3DMax后，先需要重组所有图形并旋转至与视图平行的位置，以便在任意三个视图都能对线框图进行编辑和建模，然后运用画样条线和矩形一系列操作，采用挤出功能拉伸出长度，建立尾矿坝三维模型；

(4)纹理映射：纹理贴图是一个用图像、函数或者其他数据源来改变表面在每一处外观的过程，对尾矿坝溃坝漫顶事故整个过程通过纹理映射去实现，先将尾矿坝的初期坝、堆积坝、水进行表面贴图，保证尾矿坝表面效果图与实际情况相符，再将尾矿坝洪水漫顶溃坝事故的整个过程连接起来，并将贴图赋予相应的函数，以此实现漫顶事故的动态过程，反复调试并经过渲染后得到漫顶事故过程，将经纹理映射后的三维模型输出，实现对尾矿坝发生洪水漫顶溃坝事故的情景构建。

2.根据权利要求1所述尾矿坝洪水漫顶溃坝事故的情景构建方法，其特征在于所述尾矿坝洪水漫顶溃坝事故的整个过程包括六个过程：

(1)坝体表面出现溢流：当尾矿坝入库流量大于泄库流量，此时库水位Z_w与浸润线高度持续上升，坝体表面出现溢流现象，同时坝体表面出现小纹沟；

(2)坝体表面形成切沟：当库内水位进一步升高，当库水位Z_w高于坝顶高程Z_b后，水流开始漫顶事故，并在坝顶中部位置产生溃口，由于溃口中部侵蚀较为严重，此时溃口呈倒梯形，水流从溃口处流出，随着水流不断流出，坝体下游坡面上产生细冲沟似的冲刷，细沟合并分叉以及沟底下切侵蚀使边坡上部汇聚了大量侵蚀能力很强的水流，对坡面土体进行强烈下切并不断掏蚀切沟底部土体，形成贯通的切沟；

(3)多阶梯状小陡坎的沟壑形成：在不同的地点侵蚀机理也是不同的，在坝顶的溃口附近是水流侵蚀作用，再往下游至坝体坡面中部的区间为推移质集合流动所产生的侵蚀，坡面下部为尾矿砂流动的侵蚀，由于坡面下部的侵蚀速度大于坡面上部的侵蚀速度，在坝趾处出现小陡坎，随着侵蚀的不断变强，最终形成一个小陡坎的沟壑；

(4)大陡坎形成及溃口的扩宽：在水流作用下，小陡坎逐渐向上发展，同时不断扩宽，一直延伸到坝顶上游边缘处，此后一旦陡坎继续向坝顶发展，坝顶高度会进一步降低，继而出现大陡坎冲刷，形成瀑布一样的冲刷效果，此时沟壑发展成为一个大的陡坎，根据Smart改进后的泥沙输移公式计算冲刷过程中的尾矿砂流单宽流量q_b，即

式中D为溃口内水深，单位m；S为下游坡度的倒数；PI为塑性指数；P为湿周，单位m；n为曼宁系数；D₃₀，D₉₀分别为含量30％、90％的颗粒粒径，单位mm；b为冲蚀系数；在单位时间Δt内的冲刷深度为：

式中：L为溃口渠道冲刷长度，单位m；n₀为坝体材料孔隙比；q_b为冲刷过程中尾矿砂流单宽流量，m²/s；

(5)溃口迅速扩展：随着时间的推移，坝体内浸润线不断升高和表面溢出水流向坝体内的渗透作用，使漫顶事故处的坝体处于完全饱和状态，此时水流的侵蚀速度增大，坝顶也正在迅速降低，溃口处水流流量也将迅速增加，之后溃口正逐渐变宽变深，溃口宽度根据水流侵蚀作用引起的溃口变化来计算，即：

式中Δw表示在Δt时间段内水流侧向冲刷引起的溃口宽度变化，单位m；τ为坝体侧壁边坡的剪应力，单位kN/m²；τ_c为坝体侧壁边坡临界的剪应力，单位kN/m²；γ为土体容重，单位kN/m³；

(6)坝体完全溃决：随着溃口深度的加深和水流对侧壁的不断侵蚀，溃口侧壁的临空面加大，当达到一个临界深度H_L后即发生失稳破坏，这个临界深度与坝体材料的性质有关，

式中F为坝体材料内聚力，单位kN/m²；为坝体材料内摩擦角；β为临界滑裂面角度；δ为坝体材料单位重度，kN/m³；当溃口深度H_K＞H_L时，坝体完全溃决，溃决后溃口深度基本保持不变，溃口发展主要为横向扩展，溃后溃口呈现扇形状。