基于三維激光掃描的尾礦庫變化監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析

穆梟寒, 吳彩燕,2,3, 易柏成, 廖 軍

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 四川 綿陽 621010; 2.國家遙感中心綿陽科技城分部, 四川 綿陽 621010;3.西南科大四川天府新區(qū)創(chuàng)新研究院, 四川 成都 610299; 4.四川安信科技有限公司, 四川 成都 610041)

1 前言

礦產(chǎn)資源是中國重要的國家戰(zhàn)略性資源,在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)高速發(fā)展的過程中發(fā)揮著很大作用,比如釩鈦磁鐵礦、稀有金屬礦等。尾礦庫是整個(gè)礦產(chǎn)資源開發(fā)的過程中的組成部分,也是重要的一環(huán)[1]。尾礦庫通常是在利用筑壩法攔截谷口以及周圍地產(chǎn)生的,用來對(duì)堆貯金和非金屬礦山進(jìn)行礦物選別,并清除尾礦和其他工業(yè)廢棄物的主要場(chǎng)所。尾礦庫具有較強(qiáng)的能量釋放能力,但也是一個(gè)潛在的泥石流威脅源,如果施工管理不當(dāng),就有可能導(dǎo)致潰壩災(zāi)害的發(fā)生,而一旦發(fā)生潰壩事故,將會(huì)帶來極其嚴(yán)重的后果[2]。三維激光掃描技術(shù)是GPS發(fā)展之后測(cè)量行業(yè)的一場(chǎng)科技變革,因?yàn)樗臒o接觸式、快捷性、測(cè)量的高密度性、穿透力等優(yōu)勢(shì),三維激光掃描技術(shù)有著實(shí)景復(fù)制技術(shù)的美稱。三維激光掃描技術(shù)在使用過程中無需實(shí)體接觸,適應(yīng)了各種各樣復(fù)雜的環(huán)境[3]。因此利用該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于尾礦庫的安全監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性分析,對(duì)礦山的安全、可持續(xù)生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

隨著國家的快速經(jīng)濟(jì)增長,必須滿足日益增長的對(duì)自然資源的需求。但是,在這個(gè)過程中,必須承擔(dān)巨額的工作、生活成本,這與現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)的礦業(yè)的可持續(xù)性相悖。因此不少的尾礦庫面臨著堆排速率和筑壩速率增加,庫容量大的現(xiàn)狀[5]。研究表明,灘面表層的礫石類型以及它們的凝膠化作用對(duì)河床的穩(wěn)定性有重大的影響。當(dāng)灘面中的礫石的流動(dòng)速度提升時(shí),它們的凝膠化作用也會(huì)提升,這會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面的影響。此外,灘面中礫石的凝膠化作用會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面的影響,例如,當(dāng)灘面中礫石的流動(dòng)速度提升時(shí),它們的凝膠化作用會(huì)減弱,這會(huì)對(duì)壩體的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面的影響,這樣會(huì)導(dǎo)致尾礦壩的不穩(wěn)定[8-14]。尾礦庫壩體的穩(wěn)定性分析可以理解為一個(gè)斜坡的穩(wěn)定性分析,目前定性、定量和非確定性分析法是斜坡穩(wěn)定性分析的主要方法[15]。其中定性分析方法無法顧及考慮變形和變形能力之間的關(guān)系,也沒有考慮應(yīng)力和強(qiáng)度之間的關(guān)系,因此很少被使用[16];而非確定性分析方法在工程實(shí)例的問題中難以運(yùn)用,因?yàn)樵谑褂么朔椒ǖ倪^程中需要統(tǒng)計(jì)大量因子,并要求各因子的賦值比較精確[17];定量分析方法中被廣泛使用的是以數(shù)學(xué)和力學(xué)為基礎(chǔ)的極限平衡法,包括了簡化畢肖普法、瑞典圓弧法和Morgenstern-Price法等[18-19]。瑞典條分法不考慮土條之間的相互作用力,不滿足每一土條的力及力矩平衡條件,僅滿足整體力矩平衡條件,計(jì)算中運(yùn)用了土條的法向靜力平衡條件、庫侖強(qiáng)度理論、整體對(duì)滑弧圓心的力矩平衡。簡化的畢肖普法在公式推導(dǎo)過程中使用了豎向力平衡的原理和力矩平衡原理,但公式推導(dǎo)后,又忽略豎向力,這是畢肖普法與瑞典條分法最本質(zhì)的區(qū)別。Morgenstern-price法給出了條間合力的作用位置,但改變條間合力的作用方向以求得最佳解[20-22]。

據(jù)收集的設(shè)計(jì)等資料,萬年溝尾礦庫最終堆積標(biāo)高1 720 m,總壩高325 m,總庫容3.26億m3,屬壩體高、總庫容大的尾礦庫。目前尾礦庫堆積壩高1 589.09 m,總壩高185.09 m,目前屬二等庫。

2 工程概況

1) 地形地貌

庫區(qū)屬中高山切割構(gòu)造剝蝕地貌單元,整個(gè)呈“V”字形西高東低態(tài)勢(shì),溝底縱坡坡度10°～30°,兩側(cè)斜坡坡度25°～45°。位于庫區(qū)的地貌呈現(xiàn)出一種類似蒲扇的狀態(tài),東部的壩基處的溝壑較淺,但長度超過1 km,而從北到南,5條自然溝道構(gòu)筑了一個(gè)巨大的扇狀結(jié)構(gòu),這里就是一個(gè)巨型的尾礦庫。

2) 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)收集的相關(guān)資料,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以北東向、南北向兩組為主,地質(zhì)構(gòu)造比較簡單,斷裂較少,節(jié)理裂隙不發(fā)育,且較均勻,屬剝蝕穩(wěn)定區(qū);區(qū)內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象,絕大部分地層屬弱透水-微透水性。

3) 地層巖性

根據(jù)收集的信息,該區(qū)域的地層從上到下依次是第四紀(jì)殘坡積粉質(zhì)黏土、第四紀(jì)沖洪積漂卵石夾砂和震旦系寶山組千枚巖。這些巖石屬于中度變質(zhì)巖和軟質(zhì)巖。

4) 水文地質(zhì)

庫區(qū)屬裂隙充水水文地質(zhì)條件簡單類型,主要為大氣降水、次為溪溝水及構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙水。上層滯水:雨季時(shí)有短暫的上層滯水,孔隙潛水:主要賦存于第四系沖、洪積層中,其中含漂礫卵石、漂石、細(xì)砂層中水量較大,地下水還包含熔巖水、基巖裂隙水等。地形對(duì)于排出地表水和地下水都非常有利。

5) 氣象水文

根據(jù)氣象站的數(shù)據(jù),該地區(qū)屬于亞熱帶氣候區(qū)。根據(jù)1956—2001年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),該地區(qū)的年平均降水量為1 104.0 mm,其中5～10月份是雨季,這段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大暴雨,占全年降水量的94.4%。此外,該地區(qū)的日平均降水量為8.24 mm。本月的降水量最多可達(dá)514.99 mm,而月平均降水量則達(dá)到91.5 mm。日最大降雨量為136.1 mm,日平均降雨量為3.0 mm。

3 尾礦庫安全監(jiān)測(cè)

3.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取與處理

萬年溝尾礦庫是四川省最大的尾礦庫,由于萬年溝尾礦庫的庫區(qū)面積較大,采用V100飛馬無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。V100飛馬無人機(jī)續(xù)航能力強(qiáng),傳感器模塊均采用多路冗余設(shè)計(jì),憑借著其簡單易用和高效可靠的優(yōu)點(diǎn)適用于多種場(chǎng)景。本次采用的V100飛馬無人機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)件參數(shù)

經(jīng)過2022年12月的實(shí)地考察,完成了2架次的飛行,飛行面積達(dá)到了23.758 km2。為了確保飛行的準(zhǔn)確性,在尾礦庫庫區(qū)設(shè)置了像控點(diǎn)(GCP),并使用Pix4Dmapper對(duì)其進(jìn)行了坐標(biāo)校正。并結(jié)合2021年1月的飛行數(shù)據(jù),最終得到了尾礦庫的數(shù)字正射影像,具體如圖1所示。

圖1 萬年溝尾礦庫DOM與DEM

3.2 參數(shù)提取及數(shù)據(jù)對(duì)比

基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),由于尾礦庫庫區(qū)面積大,堆積壩高,本次參數(shù)提取共布置了三條平行的提取壩體關(guān)鍵參數(shù)信息的剖面,并獲取現(xiàn)狀最小干灘長度測(cè)量數(shù)據(jù),得到尾礦庫壩體各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),剖面布置如圖2所示。

圖2 壩體關(guān)鍵參數(shù)提取剖面布置圖

初期壩和堆積壩的總外坡比(1∶3.3、1∶4.8)均小設(shè)計(jì)中初期壩和堆積壩的總外坡比(1∶1.8、1∶5.0)。除正在堆筑的1 590 m平臺(tái)和堆積壩設(shè)計(jì)標(biāo)高1 450 m、1 455 m、1 465 m、1 475 m、1 510 m、1 545～1 560 m、1 575～1 585 m平臺(tái)外,其他臺(tái)階外坡比均大于對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值。目前,萬年溝尾礦庫的干灘長度已經(jīng)達(dá)到了524.555 m,這個(gè)數(shù)字大大超過了二等庫的最低要求100 m,具體如圖3、圖4所示。

圖3 堆積壩高變化

圖4 最小干灘長度

通過對(duì)2021年1月和2022年12月兩期無人機(jī)收集的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精心的預(yù)處理,并使用MapTek I-Site Studio進(jìn)行綜合的地質(zhì)建模,以及對(duì)其中的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到尾礦庫壩體及周邊范圍內(nèi)一些特定要素的變化情況和尾礦庫的安全運(yùn)營狀況。主要對(duì)比方法是在兩期無人機(jī)正射影像圖上進(jìn)行篩查與辨識(shí),得到尾礦庫排洪設(shè)施、堆積壩高、壩體缺陷、庫區(qū)上下游建筑物等要素的變化情況。經(jīng)過對(duì)比具體變化結(jié)果如下:萬年溝庫區(qū)面積增加14.5萬m2,堆積壩高由1 579.249 m增加至1 589.09 m共增加9.841 m,筑壩速率為4.920 5 m/a;新增堆排尾砂約1 265.7萬m3,堆排速率為660.365萬m3/a,具體如圖5所示。

圖5 萬年溝尾礦庫新增堆排尾砂

3.3 逃生路線圖設(shè)計(jì)

出于節(jié)省工程資金的角度考慮,一般情況下尾礦庫都建立在距離廠區(qū)較近的范圍內(nèi),在這種情況下,尾礦庫的位置有的靠近公路或鐵路,有的靠近河流,還有的尾礦庫庫區(qū)下游存在居民點(diǎn)。對(duì)于萬年溝這樣的大型尾礦庫而言,壩體一旦失事發(fā)生潰壩,會(huì)給下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性的損失。因此,據(jù)萬年溝尾礦庫周邊三維數(shù)據(jù)反饋信息,結(jié)合尾礦庫周邊居民和道路分布情況,繪制尾礦庫逃生路線圖,萬年溝尾礦庫上游人員沿公路朝庫區(qū)左右兩邊進(jìn)行撤離,庫區(qū)下游民眾沿公路朝左右兩邊撤離,具體撤離路線和方向如圖6所示。

圖6 逃生路線圖

3.4 地質(zhì)災(zāi)害分布情況

2023年2月22日13時(shí)許,內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗新井煤業(yè)有限公司一露天煤礦發(fā)生大面積坍塌,有工作人員和車輛被埋。事故發(fā)生后造成2人死亡6人受傷,并有51人失聯(lián)。在庫區(qū)內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)通常造成嚴(yán)重的后果,對(duì)庫區(qū)的周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,監(jiān)測(cè)可能存在的隱患是有必要的。因此,本文對(duì)比了2021年2月至2022年11月的高分影像圖,具體如圖7所示。在新一期的影像圖中發(fā)現(xiàn)該處植被明顯減少,在強(qiáng)工況降雨條件下可能發(fā)生滑坡和泥石流物源。

圖7 庫區(qū)上游隱患點(diǎn)

庫區(qū)在夏季易出現(xiàn)強(qiáng)暴雨,容易造成山地滑坡,引發(fā)潰壩,應(yīng)該對(duì)植被明顯減少區(qū)域進(jìn)行復(fù)墾,預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

4 穩(wěn)定性分析

萬年溝尾礦庫筑壩速率較快(4.920 5 m/a),堆排速率快(660.365萬m3/a),庫容量大。目前尾礦庫堆積壩高1 589.09 m,總壩高185.09 m,是二等庫,在尾礦庫處于穩(wěn)定狀態(tài)下繼續(xù)堆排作業(yè),尾礦庫最終堆積標(biāo)高預(yù)計(jì)將達(dá)到1 720 m,總庫容3.26億m3,壩體總高度325 m。大型尾礦庫的穩(wěn)定性分析將有利于礦山企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)。庫區(qū)下居民點(diǎn)多處,其中集中的居民點(diǎn)兩處,若發(fā)生潰壩事故將產(chǎn)生嚴(yán)重后果,因此對(duì)萬年溝尾礦庫進(jìn)行穩(wěn)定性分析是有必要的。

4.1 DEM疊加分析、剖面的選擇與概化

將萬年溝尾礦庫2021年1月與2022年12月兩期DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,具體如圖8所示。從圖中可以看出,除了尾礦庫新增加的尾礦堆排部分,尾礦庫壩體顏色統(tǒng)一,表明在這段時(shí)間之內(nèi)尾礦庫沒有發(fā)生明顯的變形[22]。

圖8 尾礦庫DEM疊加分析結(jié)果

根據(jù)尾礦庫地下水滲流場(chǎng)和最不穩(wěn)定剖面特征,并結(jié)合本次尾礦壩穩(wěn)定性分析的目的,選取通過堆積壩、初期壩壩底、并順沖溝延展的剖面作為本次的計(jì)算剖面,具體如圖9所示。

圖9 計(jì)算剖面選擇

2022年12月,四川省安全科學(xué)技術(shù)研究所完成的三維激光掃描和無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù),以及《巖土工程勘察報(bào)告》(2015年2月),為尾礦庫初期壩、堆積壩的坡度、高程、干灘等提供了重要的參考依據(jù),同時(shí),根據(jù)周邊尾礦庫資料及區(qū)域地質(zhì)資料,對(duì)原始地形、地層劃分進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。圖10所示為選取計(jì)算剖面的地層概化圖。

圖10 計(jì)算剖面概化

4.2 參數(shù)及邊界條件

1) 參數(shù)選取

根據(jù)《攀鋼集團(tuán)萬年溝尾礦庫壩體穩(wěn)定性試驗(yàn)研究堆積壩工程地質(zhì)勘察報(bào)告》《攀鋼集團(tuán)攀枝花新白馬礦業(yè)有限責(zé)任公司白馬選礦萬年溝尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析研究報(bào)告》《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)中附錄B壩體尾礦的平均物理力學(xué)指標(biāo)、《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)中附錄C 壩體尾礦平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和《工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)》中土的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),以及其他類似項(xiàng)目巖土體參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn),綜合確定了尾礦壩飽和滲流和穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù),具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 尾礦壩計(jì)算參數(shù)選取

2) 邊界條件選取

根據(jù)本項(xiàng)目研究目標(biāo)及工程實(shí)際情況,建立滲流有限元計(jì)算模型,計(jì)算得到壩體浸潤線。計(jì)算中取尾礦壩上下游水位以下的坡面為第一類邊界(定水頭邊界)。上游邊界設(shè)置分兩種情況,分別為①正常運(yùn)行:現(xiàn)狀干灘長度為524.555 m,故設(shè)置正常運(yùn)行水位為現(xiàn)狀最小干灘長度時(shí)水位,即1 584.421 8 m;②洪水運(yùn)行:尾礦庫現(xiàn)狀尾礦壩堆積高度為149 m,根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)中二等尾礦庫等別和最小干灘長度的規(guī)定,設(shè)置洪水運(yùn)行水位最小干灘長度為100 m時(shí)水位,即1 591.049 m。具體如圖11所示。

圖11 邊界條件選取

3) 滑面形狀

本次穩(wěn)定性分析中采用剪入剪出口方法定義滑面,計(jì)算獲得合理的滑面和安全系數(shù)。在指定出入口之后,SLOPE/W將出入口線上的各一點(diǎn)連成一條直線,在通過這條直線中點(diǎn)的垂線建立一個(gè)半徑點(diǎn),這就形通過這個(gè)圓的圓心和半徑,就可試算出最不穩(wěn)定滑面、穩(wěn)定性系數(shù)等。本次分析剪入剪出口設(shè)置如圖12所示。

圖12 剪入剪出口設(shè)置示意

4) 地震影響

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)表C.23和《白馬鐵礦尾礦場(chǎng)地地震地質(zhì)調(diào)查及場(chǎng)地地震基本烈度復(fù)核鑒定報(bào)告》,萬年溝尾礦庫所屬區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度,基本地震動(dòng)峰值加速度a=0.15 g。根據(jù)根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50863—2013)第4.4.1條條文說明和《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203—1997)第4.3.2條,豎向設(shè)計(jì)地震加速度取為水平向設(shè)計(jì)地震加速度的2/3,即av=0.10 g。

4.3 浸潤線計(jì)算

1) 模型的驗(yàn)證

滲流分析必須獲得收斂解,計(jì)算浸潤線才可靠可信。檢查方式為完成滲流計(jì)算后,繪制參數(shù)設(shè)置中輸入的滲透函數(shù)曲線和軟件計(jì)算滲透函數(shù)曲線,當(dāng)這兩條曲線重合時(shí),說明計(jì)算結(jié)果為收斂解。

圖13所示為計(jì)算收斂性,輸入和計(jì)算滲透函數(shù)曲線重疊度較高,說明模型參數(shù)選擇適當(dāng)、邊界條件設(shè)置正確,計(jì)算浸潤線結(jié)果可信可靠。

圖13 計(jì)算收斂性

2) 計(jì)算結(jié)果

通過建立尾礦壩二維模型,可以計(jì)算出在①正常運(yùn)行和②洪水運(yùn)行條件下尾礦浸潤線的分布情況,并將其結(jié)果展示在圖14和圖15中。統(tǒng)計(jì)各級(jí)子壩距浸潤線距離(即浸潤線埋深),結(jié)果見表3。

圖14 正常運(yùn)行浸潤線計(jì)算結(jié)果

圖15 洪水運(yùn)行浸潤線計(jì)算結(jié)果

表3 計(jì)算浸潤線埋深結(jié)果

經(jīng)過重新測(cè)量,目前的尾礦庫堆積壩的頂部海拔1 589 m,初期海拔1 440 m,因此可以得到壩高149 m。按照《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)的要求,堆積壩的壩高為100 m

4.4 穩(wěn)定性計(jì)算

通過綜合考慮初期壩與堆積子壩的3種不同情形,即①正常運(yùn)行;②洪水運(yùn)行;③特殊運(yùn)行,可以使用簡化畢肖普法、瑞典圓弧法以及Morgenstern-Price法來評(píng)估尾礦庫的穩(wěn)定性。

目前尾礦庫現(xiàn)狀總壩高為149 m,根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)中表3.3.1,參照壩高將目前尾礦庫等級(jí)定為二等尾礦庫。

通過研究各種不同的工作條件下的穩(wěn)定性,將其結(jié)果與《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)的4.4.1-2的最低要求進(jìn)行了比較,具體情況可參見表4。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

采用簡化畢肖普法計(jì)算出①正常運(yùn)行;②洪水運(yùn)行;③特殊運(yùn)行工況條件下,安全系數(shù)大于規(guī)范要求,且有一定的安全余量。采用瑞典圓弧法計(jì)算出①正常運(yùn)行;②洪水運(yùn)行;③特殊運(yùn)行工況條件下,安全系數(shù)大于規(guī)范要求,但安全余量較小。Morgenstern-Price法計(jì)算安全系數(shù),沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定穩(wěn)定性判定依據(jù),結(jié)果供相關(guān)單位參考。綜上所述,判定在此模型設(shè)置條件下萬年溝尾礦庫在①正常運(yùn)行;②洪水運(yùn)行;③特殊運(yùn)行工況屬于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

此次對(duì)萬年溝尾礦庫進(jìn)行了三維激光掃描分析,得出結(jié)論:萬年溝庫區(qū)面積增加14.5萬m2,堆積壩高由1 579.249 m增加至1 589.09 m共增加9.841 m,筑壩速率為4.920 5 m/a;新增堆排尾砂約1 265.7萬m3,堆排速率為660.365萬m3/a。相比之下,萬年溝尾礦庫筑壩速率較快,堆排速率快,庫容量大。庫區(qū)上游識(shí)別出一處滑坡隱患點(diǎn),建議企業(yè)加強(qiáng)此處的監(jiān)測(cè)與管控;壩體表觀變形較小,利用滲流場(chǎng)模擬萬年溝尾礦庫浸潤線分布情況,模擬結(jié)果表明其埋深大于規(guī)范要求。最后利用了畢肖普法、瑞典圓弧法和Morgenstern-Price法計(jì)算了壩體的穩(wěn)定性系數(shù),結(jié)果表明萬年溝尾礦庫在正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行、特殊運(yùn)行條件下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。