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尾矿坝的溃坝分析目前在很大程度上依赖于蓄水坝的关系和方法，尽管在设计、施工、坝体材料和几何形状方面存在重大差异;特别是大坝的上游面。来自坝顶的常规尾矿泥浆沉积通常在蓄水池内形成低角度上游海滩（1-2% 的倾斜度）。在本文中，我们使用物理和数值建模分离了溢流时尾矿坝滩几何形状对决口特征的影响。五座 1 m 高的均质细沙坝，海滩高度为 0.5 至 0.9 m，海滩坡度为 5%，因 V 型缺口覆盖而失效。实验室数据显示，存在一个阈值海滩高度，超过该阈值，峰值流量会逐渐受到储层几何形状的限制。在 XBeach 中执行的数值模拟在流出过程图中捕获了这种影响，物理和数值模型峰值流出之间的差异通常在 25% 以内。尾矿坝决口分析中的另一个关键模型参数是决堤期间因侵蚀而损失的尾矿固体量。穿过物理模型中心线的地面激光扫描高程剖面与 XBeach 模拟的比较表明，当存在尾矿式海滩时，XBeach 可以复制侵蚀的体量特征。这些发现表明，尾矿坝溢流破坏的危害分析应考虑尾矿坝海滩几何形状对流出过程线的影响，并形成越来越多的证据来支持使用 XBeach 模拟溃坝。图 1.a） 使用下游施工方法建造的尾矿坝的典型配置，b） 溃坝后尾矿坝决口的简化图。图 2.物理模型的典型测试设置和仪器配置。请注意上游和下游水库水平尺度的中断，以允许扩大大坝的几何形状图 3.突破期间实验室测试的平面图，显示下游工作面、波峰、上游波峰和尾矿滩。虚线从左到右表示下游波峰边界、上游波峰边界和近似海滩交点线。蓝线突出显示了裂口宽度 B*，黑线表示在整个裂口过程中观察到的半椭圆形侵蚀堰。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者可参考本文的网络版本。图 4.数字配置表示上游储层（蓝色）和尾矿坝（棕色），位于 y = 1.05 m（水槽中心线），大坝特征和模型边界与物理模型水槽相对应。初始条件显示在 a） 模型域的平面图中，白色虚线表示以下图的横截面位置，以及 b） 剖面图。结果显示在 c） 当储层内容物从右向左流动并且大坝被侵蚀时，满足峰值流量条件，以及 d） 形态变化停止，流体从上游储层向下游盆地的转移停止。请注意，纵轴被夸大了 2×在 b）、c） 和 d） 中。图 5.数值模型结果的剖面图，显示上游储层（蓝色）和尾矿坝（棕色），位于 y = 1.05 m，即水槽中心，探头位置（黑色垂直线）和标签反映了物理模型设置。a） 代表初始条件，b） t = 0 s，其中从储层释放的水量开始增加，c） 达到峰值流出，d） 呈现峰后条件，以及 e） 形态变化停止，流体从上游储层和下游盆地转移停止。请注意，垂直轴放大了 2×。图 6.a） 至 e） 海滩高度从 0.50 m 到 0.90 m 不等的五种不同测试的物理模型观测值（黑色）和数值模型结果（红色）的流出过程图。虚线表示 XBeach 值的 +/− 25% 的边界。图 7.对于海滩高度从 0.50 m 到 0.90 m 不等的五种不同测试，物理模型观察（黑色）和数值模型模拟（红色）的缺口宽度 （B*） 随时间的增长。图 8.XBeach 模拟中大坝决口期间的平面图（左列）和来自实验室记录的航拍视频静止图像（右列），适用于海滩高度为 0.80 m 的大坝。面板 a、c、e 和 g 中的垂直虚线从左到右表示下游波峰、上游波峰和海滩交叉线。图 9.作为建筑条件和失效后计划视图，LiDAR 扫描研究了所有海滩高度。每次实验后约 24 小时，在水槽排水后获得失败后扫描。图 10.所研究的所有海滩高度的初始输入数值模型条件（左列）和稳定模拟的最终几何形状（右列）的平面图。右列中记录的失效后数据为：b） t = 186 s，d） t = 194 s，f） t = 204 s，h） t = 295 s，以及 j） t = 501 s。图 11.实验室观察（黑色）的 X 型模型运行（红色）和实验室观测的 XBeach 模型运行（红色）的破坏前（虚线）和后（实线）形态的比较。失效前物理测试数据显示了每种情况的竣工条件。图 12.在所研究的所有海滩高度交叉点的数值模拟中，决口过程中平均侵蚀坡度角 （MESA） 的演变。每个配置都由图例中的相应形状标识。尾矿坝的溃坝分析目前在很大程度上依赖于蓄水坝的关系和方法，尽管在设计、坝体材料和几何形状方面存在显著差异;特别是大坝的上游面。在尾矿坝中，滞留材料的泥浆沉积通常在蓄水池内形成低角度海滩（1-2% 的倾斜度）。本研究对上游海滩高度为 0.5 m 至 0.9 m 的 1.0 m 高坝进行了 5 次大规模物理模型测试，以探究海滩高度对决口峰值泄洪的影响。这些测试的结果表明，大坝水库中尾矿式海滩的存在会影响峰值流量，但前提是决口波峰与海滩斜坡相交，而排放速率位于流出过程线的上升边缘。使用 XBeach 对溃坝的数值模拟成功地捕获了这个阈值，在大多数情况下，峰值流量的估计值在实验观察值的 ±25% 范围内。
尾矿坝决口分析的另一个重点领域是估计决堤期间从蓄水池中释放的尾矿量。突破深度与尾矿滩相交点的排放决定了水力环境对尾矿滩随后的侵蚀并输送到下游环境的能量。因此，流出过程线的下降枝条至关重要，因为它直接影响通过裂口侵蚀而损失的尾矿量。在这里，XBeach 模拟提供了一种数值方法，用于定义流出过程线和量化侵蚀的物质量。虽然尾矿坝通常使用上游、中心线或下游方法分阶段加高，但在本研究中，我们通过对大坝结构和海滩使用相同的沙子来简化大坝的几何形状，以允许我们隔离海滩的存在对决口行为的几何影响。未来对 XBeach 模型在野外案例中的使用进行探索时，应对各个大坝区域进行建模，以包括与所使用的大坝施工方法相对应的不同特性和可腐蚀性。
应该注意的是，这项工作的重点是通过超额破坏。其他破坏模式（例如地基剪切破坏）可能会导致不同的排放关系，具体取决于大坝和/或尾矿材料在破坏期间是否经历液化。在这项工作中，对蓄水池中损失的尾矿的体积估计只是侵蚀的结果。因此，本研究中观察到的排放关系代表了尾矿坝溃坝过程，其中没有发生液化，尾矿损失主要是侵蚀性的（例如 Mt. Polley 案例研究），而不是发生静态液化的情况（例如 Fejão 案例研究）（Adria 等人，2023 年）。
这些发现表明，尾矿坝溢流破坏的危害分析应考虑海滩几何形状的影响，并提出另一组支持证据，证明开发大型海滩区域是尾矿坝设计和运营的良好做法。总体而言，XBeach 模型针对大规模物理模型测试的验证表明，对于上游坡度角度不同的大坝存在尾矿滩的情况，它会产生合理的结果（例如，缺口流出过程线、影响排放的阈值海滩高度以及尾矿的侵蚀量）。
