尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警體系及預(yù)警方法研究

吳宗之 梅國(guó)棟

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012)

尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警體系及預(yù)警方法研究

吳宗之1,2梅國(guó)棟1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012)

尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警信息的辨識(shí)、獲取和分析，是有效防止尾礦庫(kù)潰壩的關(guān)鍵技術(shù)。在對(duì)121起尾礦庫(kù)潰壩事故統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，基于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警原理，對(duì)尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系和預(yù)警方法進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：潰壩主要類型是滲透破壞和洪水漫頂；滲透破壞的警素指標(biāo)包括滲透水質(zhì)和堆積壩沼澤化，洪水漫頂?shù)木刂笜?biāo)包括降雨、調(diào)洪庫(kù)容和泄水能力，地震液化的警素指標(biāo)包括地震烈度和滑坡；警源指標(biāo)體系包括自然警源、固有警源和人為警源3類；潰壩風(fēng)險(xiǎn)綜合預(yù)警法包括調(diào)洪庫(kù)容現(xiàn)狀的獲取、入庫(kù)洪水總量分析、泄流能力分析、調(diào)洪演算、滲流分析和抗滑穩(wěn)定性分析等流程，以確定壩體穩(wěn)定狀況，作為尾礦庫(kù)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，確保尾礦庫(kù)安全運(yùn)行。

尾礦庫(kù) 潰壩風(fēng)險(xiǎn) 預(yù)警體系 綜合預(yù)警方法

尾礦庫(kù)作為具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生潰壩，將嚴(yán)重威脅下游居民和重要工農(nóng)業(yè)、交通設(shè)施及環(huán)境安全，造成嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和惡劣的社會(huì)影響[1]。例如2008年9月8日，襄汾新塔礦業(yè)有限公司980溝尾礦庫(kù)，因違規(guī)超量蓄水，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)水位過(guò)高、干灘長(zhǎng)度過(guò)短、浸潤(rùn)線抬升，發(fā)生滲透破壞最終潰壩，事故造成281人遇難，33人受傷[2]。又如1962年9月26日，云南錫業(yè)公司新冠采選廠火谷都尾礦庫(kù)，由于壩體邊坡過(guò)陡、浸潤(rùn)線過(guò)高而導(dǎo)致潰壩，事故致使13 970人受災(zāi)，其中死亡171人，受傷92人[3]。再如1966年5月1日，保加利亞米爾礦尾礦庫(kù)，因暴雨后庫(kù)內(nèi)水位上升且導(dǎo)流明渠失效，致使洪水漫頂潰壩，導(dǎo)致下游8 km的村莊完全被摧毀，488人死亡[4]。

尾礦庫(kù)安全狀態(tài)不掌握，位移、浸潤(rùn)線、庫(kù)水位等反映尾礦庫(kù)安全狀態(tài)的參數(shù)不了解，以至于事故發(fā)生前無(wú)法對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警，是所有尾礦庫(kù)潰壩事故給我們的共同教訓(xùn)。“9.8”潰壩事故，是在干灘幾乎為零、子壩處于擋水狀態(tài)時(shí)，未對(duì)庫(kù)水位進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的?；鸸榷嘉驳V庫(kù)潰壩事故，是在浸潤(rùn)線抬已從土壩下游坡逸出，未對(duì)浸潤(rùn)線埋深進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的。米爾礦尾礦庫(kù)洪水漫頂事故，是在暴雨后庫(kù)水位急劇上升時(shí)，未對(duì)降雨量及庫(kù)水位進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的。

筆者對(duì)尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警體系進(jìn)行研究，建立警情、警素、警源和警兆的4類預(yù)警指標(biāo)體系，并提出預(yù)警方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潰壩前兆信息進(jìn)行預(yù)警，確保尾礦庫(kù)安全運(yùn)行。

1 潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警原理分析

1.1 預(yù)警原理分析

基于A.D.Hall在1969年提出的系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)圖，得到預(yù)警系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖[5-6]，如圖1所示。從圖1中可以看出，預(yù)警由以下5個(gè)部分組成：①明確警義，即明確預(yù)警對(duì)象，才能有的放矢；②尋找警源，即出現(xiàn)異常情況的原因；③分析警兆，即伴隨異常情況發(fā)生的先兆指標(biāo)；④預(yù)報(bào)警度，即預(yù)報(bào)危險(xiǎn)程度；⑤發(fā)布警情，即對(duì)外發(fā)布異常情況及處理措施，以針對(duì)性進(jìn)行治理隱患，或在緊急情況下對(duì)下游居民進(jìn)行疏散。

圖1 尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警三維結(jié)構(gòu)

1.2 尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警組成

結(jié)合預(yù)警三維結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)尾礦庫(kù)潰壩特點(diǎn)，可得尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警系統(tǒng)的4個(gè)要素，分別是警情、警義、警源、以及警兆。

(1)警情。警情就是指尾礦庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的不正常或異常情況，即曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的險(xiǎn)情，或是已經(jīng)存在的隱患，還有就是將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

(2)警義。警義就是該警的內(nèi)涵，包含2個(gè)子要素：警素、警度。警素就是尾礦庫(kù)表現(xiàn)出的各種與其安全相關(guān)的指標(biāo)，如降雨量就是洪水漫頂?shù)囊粋€(gè)警素，烈度就是地震液化的一個(gè)警素。警度就是警情的嚴(yán)重程度，類似于隱患中的一般隱患和重大隱患。明確警義是尾礦庫(kù)潰壩預(yù)警的前提。尾礦庫(kù)的警素是多樣的，既包括曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的，又包括現(xiàn)在的，還包括未來(lái)可能出現(xiàn)的。警度按照其性質(zhì)、影響程度和是否可控等分為3個(gè)等級(jí)，即安全警限、輕警和重警。

(3)警源。警源就是指產(chǎn)生尾礦庫(kù)各種警情的根源，也即尾礦庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中已經(jīng)存在的或是潛在的隱患。根據(jù)警源產(chǎn)生的原因，可將警源分為以下3類:①自然警源，指的是尾礦庫(kù)周邊環(huán)境對(duì)尾礦庫(kù)的影響因素，如斷層構(gòu)造、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)條件，以及匯水面積、降雨等水文氣象環(huán)境；②固有警源，指的是尾礦庫(kù)因自身的缺陷，如筑壩材料的物理力學(xué)性質(zhì)、尾砂粒徑大小及級(jí)配情況、尾砂滲透性等，固有警源是引起尾礦庫(kù)各種警情的根源；③人為警源，即人的參與過(guò)程中的缺陷，如設(shè)計(jì)不嚴(yán)、施工質(zhì)量不高、管理水平不高、應(yīng)急處置失誤等。

(4)警兆。警兆就是指發(fā)生各種潰壩警情的前兆。從警源開(kāi)始，到警情的出現(xiàn)，即事故的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，這一過(guò)程必有警兆的出現(xiàn)。比如洪水漫頂警情，從降雨到引發(fā)漫頂過(guò)程，必然伴有降雨量增多、庫(kù)水位升高和干灘長(zhǎng)度變短等警兆的產(chǎn)生?？梢钥闯觯资蔷吹陌l(fā)生和擴(kuò)散過(guò)程的外在表現(xiàn)，同時(shí)，警兆也可能是警源發(fā)展過(guò)程中的伴隨現(xiàn)象。警情發(fā)生，其前比如有警兆的出現(xiàn)，警兆的出現(xiàn)方式，可以是顯性的，如庫(kù)水位升高引起的干灘長(zhǎng)度過(guò)短，也可能是隱性的，如庫(kù)水位升高引起的壩坡穩(wěn)定性下降等。

2 潰壩預(yù)警體系

2.1 警情指標(biāo)體系

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1960年以來(lái)，美國(guó)、智利、南非、加拿大、保加利亞、秘魯、菲律賓、贊比亞等國(guó)共發(fā)生了56起尾礦庫(kù)潰壩事故[4]，我國(guó)有記錄的是65起尾礦庫(kù)潰壩事故[7-9]。在這121起潰壩事故中，按事故原因劃分，如圖2所示。

圖2 尾礦庫(kù)潰壩事故按原因統(tǒng)計(jì)

從圖2中可以看出，滲透破壞超過(guò)50%，洪水漫頂接近30%，地震液化為10%，三者占90.9%。因此，將尾礦庫(kù)潰壩警情分為滲透破壞、洪水漫頂和地震液化。

2.2 警素指標(biāo)體系

根據(jù)尾礦庫(kù)潰壩事故案例分析成果，結(jié)合安全預(yù)警理論，構(gòu)建尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)警素指標(biāo)體系，見(jiàn)表1所示。

表1 尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)警素指標(biāo)體系

2.3 警源指標(biāo)體系

從自然警源、固有警源和人為警源3個(gè)方面分析滲透破壞、洪水漫頂、和地震液化3種警情的警源指標(biāo)，見(jiàn)表2至表4所示。

表2 滲透破壞警源指標(biāo)體系

2.4 警兆指標(biāo)體系

滲透水質(zhì)和堆積壩壩面沼澤化2個(gè)警素的警兆指標(biāo)體系如圖3所示,其中，滲透水質(zhì)中有3個(gè)量化指標(biāo)，以及1個(gè)定性指標(biāo)，滲透水的渾濁情況可以通過(guò)直觀觀察進(jìn)行判斷；堆積壩壩面沼澤化4個(gè)指標(biāo)均為量化指標(biāo)，當(dāng)然，沼澤化面積變化可以通過(guò)直觀觀察進(jìn)行判斷。

表3 洪水漫頂警源指標(biāo)體系

表4 地震液化警源指標(biāo)體系

圖3 滲透破壞警兆指標(biāo)體系

降雨、調(diào)洪庫(kù)容和泄水能力等3個(gè)警素的警兆指標(biāo)體系如圖4所示。其中，降雨有3個(gè)警兆指標(biāo)，調(diào)洪庫(kù)容有4個(gè)警兆指標(biāo)，泄水能力有3個(gè)警兆指標(biāo)。

圖4 洪水漫頂警兆指標(biāo)體系

烈度和滑坡2個(gè)警素的警兆指標(biāo)體系如圖5所示。其中，烈度警素有震級(jí)、震源深度和地震持續(xù)時(shí)間3個(gè)警兆指標(biāo)。滑坡有位移變化速率、壩體出現(xiàn)放射狀裂縫、滑坡厚度和滑坡體大小4個(gè)警兆指標(biāo)。

圖5 地震液化警兆指標(biāo)體系

3 潰壩路徑斷環(huán)對(duì)策分析

尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)警兆指標(biāo)體系已確定，如何利用這些警兆指標(biāo)來(lái)對(duì)大壩風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，就顯得尤為重要。

筆者采用的是綜合預(yù)警法，流程圖如圖6所示，共分為調(diào)洪演算、滲流計(jì)算和抗滑穩(wěn)定性分析3部分、6個(gè)步驟，具體意義如下。

(1)調(diào)洪演算。根據(jù)調(diào)洪庫(kù)容現(xiàn)狀，在接到氣象預(yù)報(bào)或是雨量計(jì)監(jiān)測(cè)到降雨數(shù)據(jù)后，對(duì)入庫(kù)洪水總量進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合泄水曲線或是泄流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)洪演算，得到本次降雨后尾礦庫(kù)最高庫(kù)水位等相關(guān)參數(shù)。下面具體說(shuō)明：①調(diào)洪庫(kù)容現(xiàn)狀。預(yù)警前的現(xiàn)狀庫(kù)水位、現(xiàn)狀干灘長(zhǎng)度、灘頂高程和沉積灘坡比是整個(gè)預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可通過(guò)人工觀測(cè)得到，并事先輸入到預(yù)警系統(tǒng)中，其中庫(kù)水位可以直接由監(jiān)測(cè)傳感器提供，其他數(shù)據(jù)需要人工錄入。②入庫(kù)洪水總量分析。根據(jù)氣象局預(yù)報(bào)或是來(lái)自雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在得到未來(lái)某個(gè)時(shí)段的降雨強(qiáng)度及歷時(shí)后，分析進(jìn)入尾礦庫(kù)的洪峰流量和洪水總量。③泄流能力分析。根據(jù)泄水構(gòu)筑物的泄水能力曲線，結(jié)合各洪水過(guò)程線，計(jì)算出各水位標(biāo)高的泄流量，或是直接用泄流量監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)。④調(diào)洪演算。根據(jù)上面3個(gè)步驟的數(shù)據(jù)，利用水量平衡法進(jìn)行調(diào)洪演算。調(diào)洪演算應(yīng)該給出本次降雨過(guò)程中，能達(dá)到的最高庫(kù)水水位及其出現(xiàn)時(shí)間，對(duì)應(yīng)最高洪水水位時(shí)的干灘長(zhǎng)度、安全超高，以及最大泄流量。經(jīng)調(diào)洪演算得到的干灘長(zhǎng)度、安全超高，可以與指標(biāo)預(yù)警方法得到的警限直接比較，若小于警限值，進(jìn)行預(yù)警。最大泄流量應(yīng)與泄水能力曲線對(duì)比，并確定排洪構(gòu)筑物對(duì)應(yīng)最大泄流量時(shí)處于自由泄流或半壓力流工作狀態(tài)，若處于壓力流狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

圖6 綜合預(yù)警方法流程圖

(2)滲流計(jì)算。根據(jù)調(diào)洪演算獲得的最高庫(kù)水水位時(shí)的干灘長(zhǎng)度利用滲流分析方法對(duì)壩體進(jìn)行滲流分析，得到滲流的壓力場(chǎng)、浸潤(rùn)線，以及滲透坡降和滲透流量。浸潤(rùn)線、滲透坡降可與指標(biāo)預(yù)警方法得到的上限值進(jìn)行比較，若超出，則進(jìn)行預(yù)警。

(3)抗滑穩(wěn)定性分析。根據(jù)滲流分析結(jié)果，尤其是浸潤(rùn)線埋深，采用瑞典圓弧法或簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)計(jì)或規(guī)程對(duì)比，若小于設(shè)計(jì)或規(guī)程規(guī)定的數(shù)值，則進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié) 論

(1)國(guó)內(nèi)外尾礦庫(kù)潰壩事故表明，潰壩事故主要有滲透破壞、洪水漫頂、地震液化和壩坡失穩(wěn)等類型，其中，以滲透破壞和洪水漫頂為主要類型，兩者比例超過(guò)80%。

(2)根據(jù)預(yù)警原理，結(jié)合尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的特點(diǎn)，將尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分為明確警義、尋找警源、分析警兆、預(yù)報(bào)警度和發(fā)布警情5個(gè)部分，并根據(jù)事故案例分析結(jié)果，建立了滲透破壞、洪水漫頂和地震液化3種警情、7個(gè)警素指標(biāo)體系和警兆指標(biāo)體系。

(3)提出了尾礦庫(kù)潰壩綜合預(yù)警技術(shù)。根據(jù)降雨量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)洪演算，預(yù)測(cè)未來(lái)某時(shí)段實(shí)際庫(kù)水位，并根據(jù)建立的滲流和抗滑計(jì)算預(yù)警模型，進(jìn)行浸潤(rùn)線滲流計(jì)算，根據(jù)預(yù)測(cè)的浸潤(rùn)線埋深，再計(jì)算壩體穩(wěn)定性，最終確定壩體穩(wěn)定狀況，以此依據(jù)作為尾礦庫(kù)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)精確、超前預(yù)警。

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(責(zé)任編輯 石海林)

StudyonEarly-warningSystemandMethodforTailingsDamFailure

Wu Zongzhi1,2Mei Guodong1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2.ChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology，Beijing100012，China)

Early warning information of identification，acquisition and analysis are the key techniques to prevent tailings dam failure.Based on the domestic and foreign 121 tailings dam failure accidents，the early-warning system and method is analyzed by means of the principle of risk early warning.The results show that the typical tailings dam failure modes consist of seepage failure and dam overtopping；the warning factor index of seepage failure include water infiltration and dam swamp；the warning factor index of dam overtopping include rainfall，flood storage and discharge capacity of warning indicators；the warning factor index of seismic liquefaction include the earthquake intensity and earthquake liquefaction landslide；the source index system include natural sources warning，inherent sources and anthropogenic sources；the steps of comprehensive early-warning method to tailings dam failure include the acquisition of the flood storage capacity，analysis of the total amount of flood in reservoir，discharging capacity analysis，flood regulating calculation，seepage analysis and anti-slide stability analysis to ensure the stability condition of the dam.These indexes can be as the warning criterions to keep the safe operation of tailings pond.

Tailings pond，Dam failure，Early-warning system，Comprehensive early-warning method

2014-09-20

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAK09B01)，國(guó)家科技重大專項(xiàng)(編號(hào)：2011ZX05040-001)。

吳宗之(1963—)，男，研究員，博士研究生導(dǎo)師。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-12-198-05