基于無(wú)人機(jī)建模的尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害推演與評(píng)估

王 瑄 ，袁友翠，胡少華，吳 浩，昝 軍，楊文東，周 琳

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.湖北省安全生產(chǎn)應(yīng)急救援中心，湖北 武漢 430070)

尾礦庫(kù)作為高勢(shì)能人造泥石流危險(xiǎn)源之一，一旦潰壩將在短期內(nèi)給下游造成人員及財(cái)產(chǎn)損失[1-2]，長(zhǎng)期有毒的金屬、非金屬礦砂將會(huì)對(duì)環(huán)境造成持續(xù)性影響[3]。2010年4月15日，河北平泉市平泉富有鐵選有限公司尾礦庫(kù)坍塌，尾礦砂沖出公路將一輛行駛中的皮卡車掩埋，造成車內(nèi)3人死亡；2015年11月16日，湖南省郴州市北湖區(qū)屋場(chǎng)坪錫礦尾礦庫(kù)坍塌，4人失聯(lián)；巴西淡水河谷公司尾礦庫(kù)于2019年1月25日發(fā)生潰壩事故，造成大量人員死亡。研究尾礦庫(kù)潰壩中水砂演進(jìn)，對(duì)潰壩事故災(zāi)害推演、指導(dǎo)安全生產(chǎn)生活及制定應(yīng)急處置方案具有重要意義。

潰壩水砂演進(jìn)的研究方法主要有理論分析法、模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法[4-6]。理論分析法對(duì)潰壩過(guò)程中沖擊力、流速、總泄沙量等規(guī)律進(jìn)行研究。姜永豐等[7]運(yùn)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)理論(Smoothed Particle Hydrodynamics)，以Herschel-Bulkley為計(jì)算模型進(jìn)行三維潰壩數(shù)值模擬，得到了潰壩尾砂演進(jìn)動(dòng)力特征及空間堆積特征。但是該法較難處理復(fù)雜三維地形條件下的水砂運(yùn)動(dòng)。模型試驗(yàn)法采用相似準(zhǔn)則原理，依照原物搭建起模型進(jìn)行研究。胡書林等[8]對(duì)某尾礦庫(kù)的激光掃描三維建模技術(shù)進(jìn)行了分析,構(gòu)建出三維實(shí)物模型，分析了尾礦庫(kù)在潰壩的尾礦運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程。許志發(fā)等[9]用四川某尾礦庫(kù)建立室內(nèi)潰壩模型,研究3種下游河道坡降情況下尾砂流的演進(jìn)和沉積規(guī)律。但該法成本昂貴、試驗(yàn)結(jié)果可能不具有普適性和可重復(fù)性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的崛起，數(shù)值模擬法可以模擬水流中泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且模型可重復(fù)使用，高巍等[10]用云南某尾礦壩建立模型，分析沖擊壓力、掩埋深度及尾砂運(yùn)移速度,得到規(guī)律表明潰壩尾砂的運(yùn)移會(huì)對(duì)下游鐵路高架和村落造成巨大的沖擊。楊蓉等[11]模擬了尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程,研究尾礦砂漿的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際地形會(huì)對(duì)尾礦砂漿分布形狀、淹沒(méi)范圍擴(kuò)散規(guī)律、潰壩波兩側(cè)運(yùn)動(dòng)能力、鋒面速度變化等影響明顯。但這些研究對(duì)模型做了簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮地形環(huán)境對(duì)水砂演進(jìn)的影響。

筆者采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，以其靈活性強(qiáng)、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，高效、準(zhǔn)確地獲取尾礦庫(kù)三維數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到尾礦庫(kù)的數(shù)字高程模型，并將其設(shè)置成尾礦庫(kù)潰壩模型進(jìn)行事故模擬，得到潰壩后水砂演進(jìn)過(guò)程及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)尾砂淤積厚度和水位高程隨時(shí)間變化圖像，推演分析事故影響的范圍和程度。

1 尾礦庫(kù)三維數(shù)據(jù)獲取

1.1 尾礦庫(kù)基本工況

銅山口銅礦尾礦庫(kù)位于湖北省大冶市陳貴鎮(zhèn)洋塘村，庫(kù)址三面環(huán)山，為傍山型尾礦庫(kù)如圖1所示。庫(kù)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較完整，屬于區(qū)域性穩(wěn)定地塊內(nèi)的地段，匯水面積為3.0 km2，庫(kù)容為1 609.32×104 m3，為三等庫(kù)。尾礦壩庫(kù)區(qū)下游1公里以內(nèi)有陳席珍、陳攻進(jìn)、陳庭階等村莊和S78蘄嘉高速。

圖1 銅山口尾礦庫(kù)、附近村莊及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布衛(wèi)星圖

1.2 尾礦庫(kù)影像數(shù)據(jù)獲取與處理

對(duì)銅山口尾礦庫(kù)實(shí)地勘測(cè)并結(jié)合下游重要設(shè)施建筑與居民聚集點(diǎn)圈定了飛行區(qū)域即尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)及其下游溝谷，覆蓋面積3.0 km2。在此基礎(chǔ)上對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了航空攝影測(cè)量工作,選擇哈瓦無(wú)人機(jī)(MEGA V8III)執(zhí)行航攝任務(wù),分辨率為6 000像元×4 000像元，鏡頭焦距為35mm,兼具高精度成圖和支持PPK-RTK功能。又可設(shè)置融合作業(yè)模式，具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。航攝任務(wù)前，可由像片比例尺及攝影機(jī)的主距計(jì)算來(lái)確定攝影高度，即：

(1)

式中：m為像片比例尺分母；H為攝影行高；f為攝影機(jī)主距。

航測(cè)得到的航拍影像為方便室內(nèi)立體觀察及相片連接，要求航拍像片要有重疊部分，包括旁向重疊和航向重疊。根據(jù)任務(wù)情況選取不同的重疊模式，旁向重疊是指兩相鄰航帶航拍照片對(duì)所攝地面重疊部分，航向重疊指航拍照片在航路方向上相鄰兩張航拍照片在被攝地的重合部分。如圖2所示，像片重疊度以像幅邊長(zhǎng)的百分比表示，即：

圖2 航向重疊和旁向重疊

(2)

式中：Px、Py是旁向與航向重合的影像部分；lx、ly為像幅的邊長(zhǎng)。

在進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)需綜合考慮作業(yè)區(qū)域內(nèi)地形，地勢(shì)等環(huán)境要素對(duì)飛行計(jì)劃制定的影響。尾礦庫(kù)的壩坡較為陡峭，取旁向重疊度70%，航向重疊度80%，由式(1)可得無(wú)人機(jī)攝影高度為100 m。尾礦壩庫(kù)區(qū)的無(wú)人機(jī)航線如圖3所示。

圖3 尾礦庫(kù)航線規(guī)劃

在飛行作業(yè)結(jié)束之后，影像成果需進(jìn)行畸變差校正，空三加密等處理?；冃Ｕ菫榱讼上到y(tǒng)性因素引起的各種幾何畸變?nèi)鏑CD陣列可能存在的排列誤差和攝影鏡頭錯(cuò)誤引起的非線性畸變[12-13]。為消除影像的畸變差和像主點(diǎn)偏移量，可運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件的影像畸變差校正模塊對(duì)原始航攝影像處理?？杖用苁菫榱饲蠼廨敵鲇跋穸ㄏ螯c(diǎn)大地坐標(biāo)和影像外方位元素[14-16]。依據(jù)影像的像點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)和少量控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，來(lái)進(jìn)行相對(duì)定向、絕對(duì)定向解算和光束法區(qū)域網(wǎng)平差等步驟，最終完成處理。處理后，獲取的尾礦庫(kù)三維空間數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 銅山口尾礦庫(kù)三維空間數(shù)據(jù)

2 尾礦庫(kù)災(zāi)害推演

2.1 尾礦庫(kù)潰壩數(shù)學(xué)模型

利用Flow-3D軟件對(duì)銅山口尾礦庫(kù)漫頂潰壩進(jìn)行了模擬，在重整化群k-ε湍流模型(re-normalization group, RNG)及泥沙沖刷模型的基礎(chǔ)上，利用比較完善的Tru-VOF函數(shù)對(duì)自由液面及其位置進(jìn)行捕捉，采用面積與體積分?jǐn)?shù)比(fractional area-volume ratios ，F(xiàn)AVOR)技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，準(zhǔn)確地計(jì)算出泥沙在尾礦庫(kù)內(nèi)的沉積，侵蝕及運(yùn)動(dòng)過(guò)程。湍流模型的連續(xù)性方程見式(3)，動(dòng)量方程見式(4)。

(3)

(4)

式中：P為作用于流體微元上的壓強(qiáng)；ρ為流體密度；x、y、z方向的速度分量分別為u、v、w；x、y、z3個(gè)方向的可流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)分別為Ax、Ay、Az；重力加速度沿x、y、z坐標(biāo)軸的上的分量依次為Gx、Gy、Gz；粘滯力加速度在x、y、z坐標(biāo)軸上的分量分別為fx、fy、fz。

控制方程如公式(5)所示：

(5)

2.2 模型參數(shù)

將數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入攝影測(cè)量三維重構(gòu)軟件中，獲得重構(gòu)尾礦庫(kù)的三維模型并將其轉(zhuǎn)化為stl格式導(dǎo)入到Flow-3D軟件得到漫頂潰壩初始模型，并將其按照4 m×4 m×4 m網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 銅山口礦庫(kù)漫頂潰壩模型圖與網(wǎng)格圖

對(duì)模型的邊界條件、初始條件設(shè)定后進(jìn)行工況模擬。為避免有可能出現(xiàn)的潰口情況，在考慮安全裕度的前提下，為了避免可能發(fā)生的潰口，該模型會(huì)建立在最危險(xiǎn)工況即潰壩水流完全撞擊壩體下游地區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，計(jì)算給居民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的最大損失，在壩頂正中位置預(yù)設(shè)2 m深、30 m寬潰口，將水砂沿預(yù)制潰口疏導(dǎo)出去，保證計(jì)算結(jié)果精度。泥沙模型添加尾砂的性質(zhì)如表1所示。表1中所涉及的臨界希爾茲數(shù)被設(shè)定在Flow-3D軟件中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算。

表1 尾砂特性參數(shù)

2.3 推演結(jié)果

尾礦庫(kù)漫頂潰壩后，水砂所積蓄的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，潰壩時(shí)水砂會(huì)沿著下游方向運(yùn)動(dòng)并具有一定的流速。在漫頂3 min后，水流情況如圖6所示，此時(shí)已經(jīng)形成主壩潰口，因?yàn)橥ㄟ^(guò)潰口的水流流量較小，水流較為散亂，但是部分區(qū)域水流深度已經(jīng)達(dá)到2 m，水流來(lái)勢(shì)兇猛。而且由于此時(shí)水速較快，沖刷壩體的情況較為嚴(yán)重，水流中尾砂含量較高。

圖6 水流漫頂3 min后水深、流速及淤砂厚度云圖

在正式形成潰口后，由于壩體上游水流對(duì)壩體的不斷沖刷，使?jié)⒖诘膶挾炔粩嘣龃?，下泄流量也持續(xù)變大，如圖7所示。在潰壩6 min后，主壩就已經(jīng)完全被潰壩水流沖垮，導(dǎo)致有大量水流淤積在壩體下游溝谷中，平均水深高達(dá)6 m，水流前端淤積影響到陳攻進(jìn)村，陳攻進(jìn)村地區(qū)局部地區(qū)受到影響水深達(dá)2 m；由于地勢(shì)原因，目前未有水流對(duì)壩體左側(cè)溝谷造成影響；此時(shí)潰口處流速最大，且溝谷中地形較為復(fù)雜，大量尾砂被水流沖刷帶出庫(kù)區(qū)，沉積在下游溝谷中，溝谷兩側(cè)邊緣尾砂淤積厚度部分達(dá)1.5 m。

圖7 水流漫頂6 min后水深、流速及淤砂厚度云圖

潰壩發(fā)生20 min后，水流基本消退，除了溝谷地勢(shì)較低處，大部分的房屋建筑脫離潰壩水流的影響，如S78蘄嘉高速公路溝谷中的部分低洼處。如圖8所示，水流沿溝谷走向退去，其余部分主要受尾砂的影響，尾砂大量淤積在溝谷中，受尾砂影響最大的村莊是陳庭階村，平均淤積深度達(dá)3 m。

圖8 水流漫頂20 min后水深、流速及淤砂厚度云圖

2.4 結(jié)果分析

為更直觀監(jiān)測(cè)和分析尾礦庫(kù)漫頂潰壩時(shí)水砂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及對(duì)下游村莊的作用范圍，在下游各受影響的村莊布置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)村莊是否受到潰壩水流影響以及影響程度，其位置分布如圖1所示。

陳庭階村西部4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在潰壩發(fā)生后7 min時(shí)，開始受到潰壩水流影響，如圖9所示?？芍? min內(nèi)，水位上升至4 m，說(shuō)明西部居民建筑區(qū)域在潰壩發(fā)生后首先受到影響，且在隨后的2 min內(nèi)，水流深度達(dá)到峰值5.3 m，隨后深度開始劇烈變化，在潰壩14 min后，因?yàn)闈芜^(guò)程接近結(jié)束，水流基本退去，水深區(qū)域趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在1.5 m處；但同一村莊的3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在潰壩開始8 min后才開始受到水流影響，說(shuō)明在潰壩水流自西向東下流的時(shí)候，居民建筑對(duì)水流起到了一定的阻礙效果，在潰壩發(fā)生10 min后，水流深度達(dá)到峰值2.2 m，隨后開始下降，大致反映了陳庭階村東部的居民建筑直接受到水流影響的時(shí)間，最后水流退去，水深穩(wěn)定在1 m處。1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)也在潰壩發(fā)生8 min時(shí)，幾乎同時(shí)受到水流影響，與3#、4#兩個(gè)點(diǎn)位反饋的水深變化情況相吻合。位于S78蘄嘉高速公路溝谷段的2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位一直在0.7 m左右波動(dòng)，因?yàn)楦咚俟仿范蔚孛嫫秸灰子俜e，水位較低，至潰壩發(fā)生18 min后，水流基本完全退去，高速路面水位下降至0 m；位于陳席珍村的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在8 min受到水流影響后，水位一直在進(jìn)行較勻速的上升，說(shuō)明此地地形有利于水流淤積，位于該村的建筑在潰壩事故中受影響較為嚴(yán)重，需要有及時(shí)的事故預(yù)警和建筑修整，水深至潰壩發(fā)生約15 min時(shí)達(dá)到峰值，約為5.3 m，之后稍微下降，水位穩(wěn)定在5 m水平，直至潰壩模擬結(jié)束，說(shuō)明在其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位退去之時(shí)，陳席珍村水災(zāi)依然嚴(yán)重；位于湖泊內(nèi)的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在潰壩模擬期間監(jiān)測(cè)到微小數(shù)據(jù)變化，表明該位置未受到主水砂流影響，或表明水流主要方向不在這一條線上。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位高程變化曲線圖

位于陳庭階村西側(cè)的3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、位于陳席珍村的1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和位于S78蘄嘉高速公路的6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在潰壩后8 min到9 min這段時(shí)間內(nèi)3個(gè)點(diǎn)的尾砂開始沉積，如圖10所示?？芍?#監(jiān)測(cè)點(diǎn)尾砂沉積量較小，因其高速路面較為平整不易淤積，所有尾砂沉積最終被水流沖走；3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)尾砂沉積較為穩(wěn)定，至潰壩發(fā)生15 min后趨于最終沉積厚度為1 m；1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于地勢(shì)較低，一直受到水流影響，尾砂沉積厚度不斷變化，在9 min左右開始淤積，至10 min逐漸趨于平緩，但在模擬末期，尾砂淤積厚度持續(xù)上升，上游各地沉積的尾砂隨著水流退去匯聚到此處，最終測(cè)量值為2.7 m，此處地勢(shì)為最低，利于尾砂大量沉積；位于陳庭階村東側(cè)的8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在潰壩發(fā)生11 min時(shí)，尾砂開始沉積，可以推斷出此處一直到潰壩發(fā)生11 min之前，水流流速都處于較大值，無(wú)法滿足尾砂沉積的條件，在11 min之后，因?yàn)樗髦饾u變緩，開始有尾砂沉積，因?yàn)榫用窠ㄖ奶攸c(diǎn)便于尾砂淤積，尾砂厚度不斷上升，最終在潰壩發(fā)生14 min后，水流基本退去，沉積的尾砂厚度趨于穩(wěn)定，值為2.5 m。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)尾砂沉積變化曲線圖

由5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位高程與尾砂資料得知，水位高程和尾砂淤積厚度的變化總的規(guī)律是先快速增大，然后趨向于某一個(gè)值左右，再慢慢減小。同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)尾砂沉積的改變相對(duì)于水位高程的改變是緩慢的，符合尾砂流速低于水流速度的規(guī)律。4#、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)地處的上游溝谷水位最高可達(dá)5 m，因此應(yīng)該對(duì)該范圍處分布的居民聚集點(diǎn)采取潰壩預(yù)防措施[17]。1#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)地處的下游溝谷尾砂最大淤積高度為3 m,如采取防治措施還能有效緩解下游居民聚集點(diǎn)的災(zāi)情。

2.5 災(zāi)害評(píng)估

結(jié)合推演結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，銅山口尾礦庫(kù)潰壩巨災(zāi)引發(fā)的水流和尾砂主要會(huì)影響下游陳攻進(jìn)村莊、陳席珍村莊和陳庭階村莊東部，受災(zāi)人口達(dá)850人，受影響田地700畝左右。

下游風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)主要地形為丘陵、平地，且農(nóng)田、池塘分布較多，受影響建筑主要為居民居住建筑，無(wú)工業(yè)化廠房建筑和國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)景區(qū)，無(wú)商業(yè)及廠礦業(yè)等工業(yè)活動(dòng)。潰壩后，西北方向1 km左右處S78公路將會(huì)有2 800 m左右長(zhǎng)的路段被流砂沖毀掩埋。下游受災(zāi)區(qū)域有湖泊2處和重要水源地，無(wú)國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)景區(qū)。下游3處村莊：①陳攻進(jìn)村，位于尾礦壩下游正北230 m，有40棟居民樓200人；②陳席珍村，位于尾礦壩下游北偏西800 m，有建筑物80棟500余人；③陳庭階村，位于尾礦庫(kù)下游北偏東950 m，有120棟居民樓270人。3個(gè)村房屋均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)。潰壩發(fā)生后，將對(duì)下游人員生命造成巨大威脅。

潰壩洪水和尾砂將會(huì)影響下游約2 800 m的公路，約200間民房及室內(nèi)財(cái)務(wù)，和3個(gè)村莊的主要通訊設(shè)施、輸電設(shè)施，將對(duì)下游財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。而且尾砂主要由銅礦砂組成，受尾砂影響最大的村莊是陳攻進(jìn)和陳庭階村，淤積深度達(dá)3 m，且下游環(huán)境敏感，將對(duì)下游環(huán)境造成巨大威脅。

3 結(jié)論

(1)以銅山口尾礦庫(kù)為研究對(duì)象，采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲得尾礦庫(kù)的影像數(shù)據(jù)，處理修正后得到尾礦庫(kù)三維空間數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Flow-3D軟件后生成實(shí)景三維模型，較為真實(shí)的還原實(shí)地原貌。

(2)Flow-3D軟件基于重整化群k-ε湍流模型和泥沙沖刷模型建立尾礦庫(kù)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合尾砂特性參數(shù)，模擬出潰壩云圖，推演潰壩水流全部沖出壩體西側(cè)后，以3 min、6 min、20 min時(shí)間點(diǎn)為例分析潰壩水砂的水深、流速和淤砂。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，潰壩后下游溝谷最高水深達(dá)6 m，受尾砂影響最大的陳庭階村最高淤積深度達(dá)3 m。布置了5個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析不同位置的水位高程和尾砂沉積變化，結(jié)果表明該尾礦庫(kù)一旦潰壩，將使下游溝谷內(nèi)房屋村落直接被淹，高速公路被沖毀。結(jié)合推演結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估受災(zāi)范圍和人口，表明潰壩后將會(huì)對(duì)下游人員生命、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境造成巨大威脅。

(3)結(jié)合水流演進(jìn)和尾砂淤積推演數(shù)據(jù)，應(yīng)該對(duì)尾礦庫(kù)下游1公里以內(nèi)的3個(gè)村鎮(zhèn)建設(shè)攔擋工程，避免人員傷亡并減小財(cái)產(chǎn)損失。研究結(jié)果有利于風(fēng)險(xiǎn)防控，為下游居民安全生產(chǎn)生活提供更具針對(duì)性的意見。