排土場災(zāi)害四色預(yù)警判據(jù)研究

欒婷婷 呂則愷 謝振華 胡守濤 幸貞雄 成朝正

（1.北京石油化工學院安全工程學院，北京102617；2.北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京102617；3.中國勞動關(guān)系學院安全工程系，北京100048；4.貴州省安全生產(chǎn)科學研究院，貴州遵義563000；5.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州貴陽550001）

排土場的災(zāi)害形式由于地質(zhì)、地理、氣候等自然條件的不同而存在一定差異，按照其對環(huán)境危害的表現(xiàn)形式大體上可分為排土場滑坡、泥石流和環(huán)境污染［1］。其中，排土場滑坡和泥石流最為常見，時常伴隨發(fā)生，具有一些相同的災(zāi)害影響因素。露天礦因排土范圍和排土工藝所限，其排土環(huán)節(jié)往往不受重視，容易導(dǎo)致事故發(fā)生，造成生命財產(chǎn)的重大損失。近年來，我國排土場滑坡、泥石流災(zāi)害事故多發(fā)，說明現(xiàn)有一些排土場的安全風險較高，監(jiān)測預(yù)警能力不足。由于邊坡的失穩(wěn)破壞，是一個從漸變到突變的累進發(fā)展過程，并伴隨著一定的破壞前兆。因此，加強邊坡安全監(jiān)控，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學統(tǒng)計以及數(shù)值模擬計算的成果進行預(yù)測，判斷邊坡所處安全等級，進而提出邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的綜合預(yù)警模型和安全管理體系，這一工作無疑具有十分重要的科學意義與工程現(xiàn)實意義［2］。由于邊坡變形破壞具有復(fù)雜性、隨機性和不確定性，想要準確地預(yù)報滑坡是非常困難的。為了對邊坡的變形演化行為作出較為準確的判斷，必須建立一些具有一定適用性的滑坡預(yù)報判據(jù)。根據(jù)排土場災(zāi)害事故案例的統(tǒng)計分析，降雨因素是導(dǎo)致排土場災(zāi)害的最主要因素，占到排土場災(zāi)害事故總數(shù)的65%以上［3］，在降雨與滑坡關(guān)系的研究中，很多學者致力于找出與某一區(qū)域相適應(yīng)的降雨量臨界值來對不同類型的災(zāi)害進行監(jiān)測預(yù)警，詹良通、劉小川等人［4］研究降雨誘發(fā)土質(zhì)滑坡的失穩(wěn)模式和機理，對該類滑坡預(yù)警預(yù)報及防治具有重要意義；楊攀、楊軍［5］在經(jīng)驗性降雨閾值和邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析兩大類研究的基礎(chǔ)上，考慮了降雨入滲和非飽和土性質(zhì)，使用巖土有限元軟件對滑坡預(yù)警降雨閾值進行了研究分析；基于FLAC3D軟件的模擬功能，很多學者研究降雨入滲條件的三維邊坡滲流場的變化過程，對邊坡穩(wěn)定性進行了分析和預(yù)測［6-7］；考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性影響的研究主要因素有降雨強度和降雨持續(xù)時間［8-9］，Brand［10］等人對香港地區(qū)的滑坡與降雨關(guān)系進行研究，得出小時降雨量75 mm為災(zāi)難性滑坡的臨界降雨量。日本在20世紀70年代就開始研究地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報，近年來，通過對降雨量的均衡試驗研究，制定了由降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警判據(jù)和預(yù)警系統(tǒng)［11］。美國進行面向公眾的區(qū)域性滑坡實時預(yù)報，預(yù)報精度有的可以達到以小時衡量。美國在舊金山灣地區(qū)滑坡、泥石流的成功預(yù)報后，夏威夷州、俄勒岡州和弗吉尼亞州分別于1992、1997和2000年在滑坡、泥石流頻發(fā)區(qū)建立了類似的預(yù)報模型，并進行了數(shù)次實時預(yù)報［12］?？傮w來說，滑坡預(yù)警判據(jù)種類較多，其中，以位移和降雨量研究較為突出，因為位移是邊坡穩(wěn)定狀態(tài)最直觀反映，且位移和降雨的量測方法相對簡便，在工程實踐中越來越引起重視；然而給出的指標閾值標準通常是邊坡臨滑狀態(tài)的臨界量，對降雨量與邊坡穩(wěn)定性分級的研究相對較少，不能很好地起到事故預(yù)防關(guān)口前移的作用。以往的判據(jù)大多通過經(jīng)驗給出，未見采用系統(tǒng)的理論方法來研究滑坡預(yù)警判據(jù)，缺乏統(tǒng)一的分類標準和方法，目前還處于探索階段。

排土場災(zāi)害在線監(jiān)測預(yù)警作為礦山安全管理的重要措施越來越受到重視，國家安全監(jiān)管總局下發(fā)制定的《非煤礦山領(lǐng)域遏制重特大事故工作方案》中，明確要求堆置高度200 m以上的排土場必須進行在線監(jiān)測，定期進行穩(wěn)定性專項分析。排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素較為復(fù)雜，歸納起來主要分內(nèi)外2方面因素：內(nèi)在因素有排土場災(zāi)害產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)，例如地表和內(nèi)部位移的變化量；排土場外在因素只有通過內(nèi)在因素才能對排土場的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞作用，例如降雨地震等因素，每次排土場災(zāi)害事故都離不開外部因素的作用。在線監(jiān)測離不開軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)備，目前國內(nèi)礦山排土場通過使用GPS監(jiān)測設(shè)備成功監(jiān)測邊坡體位移變化的典型礦山有：紫金山金銅礦排土場［13］，鞍千礦業(yè)有限責任公司排土場［14］，新疆哈密磁海鐵礦排土場［15］等等。利用GPS監(jiān)測技術(shù)對大型礦山排土場邊坡監(jiān)測，能及時提供邊坡的變化動向及更詳細準確的測量數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度、可移動定位、即使氣候不佳仍能保持相當?shù)挠嵦柎┩感缘葍?yōu)點。

貴州省礦產(chǎn)資源豐富，存在較多不同類型的排土場。貴州省地質(zhì)條件復(fù)雜，山區(qū)、丘陵地帶比較多，巖溶現(xiàn)象比較普遍，地下水及降雨活動頻繁。因此，貴州省的排土場安全狀況堪憂，發(fā)生排土場滑坡、泥石流等災(zāi)害事故的概率較大。本項目根據(jù)貴州省錦豐礦業(yè)有限公司的排土場實際狀況，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，基于FLAC3D軟件程序?qū)ξ灰坪徒涤炅颗c排土場邊坡穩(wěn)定性關(guān)系進行探索性研究，給出錦豐排土場災(zāi)害預(yù)警指標的閾值劃分標準，實現(xiàn)四級預(yù)警功能，把排土場災(zāi)害風險的控制關(guān)口前移，提高了貴州省排土場災(zāi)害風險預(yù)警管控水平，也為我國科學制定排土場災(zāi)害預(yù)警標準提供參考。

1 排土場概況

貴州錦豐礦業(yè)有限公司錦豐金礦位于黔西南州貞豐縣境內(nèi)，距省會城市貴陽市304 km。排土場位于露天采坑南側(cè)的磺廠溝，排土場占地面積為67.85 ha，設(shè)計有效容積4 650×104m3，根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》（ZB50421—2007），本排土場等級為一級。按照設(shè)計分7個排土臺階排放，分別為411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m臺階，其中411 m平臺寬為20 m，其他平臺寬度均為24 m，各平臺坡度為36°（堆放安息角為36～38°）。排土方式使用運礦卡車和推土機自下而上依次排放。如圖1所示，排土場最終堆積坡腳設(shè)置攔渣壩，攔渣壩下游修建有滲水池，排土場底部寬度30～40 m，縱向攔渣壩上游長約1 200 m。排土場溝底縱向地形自然坡度為3～10°，較為平緩。本地區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，年平均溫度16.6°，年平均降雨量1 357 mm，雨季多集中在5—8月份，年最大1 h暴雨均值47.0 mm，年最大6 h暴雨均值75.0 mm，年最大24 h暴雨均值102 mm，年最大3 d暴雨均值125 mm。

2 排土場災(zāi)害在線監(jiān)測

貴州礦山排土場災(zāi)害在線監(jiān)測預(yù)警軟件系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)采用B/S模式，系統(tǒng)的主要功能模塊包括系統(tǒng)維護模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、預(yù)警管理模塊、報表管理模塊等。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊每半個小時要采集一次監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測對象包括：表面位移監(jiān)測（GPS）、內(nèi)部位移監(jiān)測（測斜儀）、孔隙水壓力監(jiān)測（滲壓計）、土壤含水率監(jiān)測（土壤含水率計）、內(nèi)部土壓力監(jiān)測（土壓力計）、降雨量監(jiān)測（雨量計）、大氣溫度監(jiān)測（溫度計）、大氣濕度監(jiān)測（濕度計）。在軟件界面中以曲線圖的形式清楚展現(xiàn)出每一個預(yù)警指標的變化趨勢。預(yù)警管理模塊中當單一預(yù)警指標超過給定的閾值時，能以聲音和亮燈的形式發(fā)出系統(tǒng)警報，紅、橙、黃、藍4種顏色來對應(yīng)相應(yīng)級別的報警，并以短信形式發(fā)給企業(yè)管理者。用戶可根據(jù)測點選擇報警等級、時間范圍等進行數(shù)據(jù)查詢。報表管理模塊主要實現(xiàn)報表功能，針對監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，選擇數(shù)據(jù)的時間段，設(shè)置報表文檔的格式，生成和導(dǎo)出報表。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備如圖3所示。GPS監(jiān)測的位移變化矢量如圖4所示。

考慮到監(jiān)測指標的變化對排土場穩(wěn)定性的影響程度不同，選取的單一預(yù)警指標要能直觀反應(yīng)邊坡穩(wěn)定性變化，針對性強，易于監(jiān)測，且每一個監(jiān)測指標的變化值對排土場穩(wěn)定性的影響都比較大，當這個指標監(jiān)測值達到預(yù)警閾值時，可以作為判定排土場進行災(zāi)害預(yù)警的條件。綜合歷史事故案例和調(diào)研資料，選取地表位移、內(nèi)部位移、降雨量3個指標作為貴州錦豐礦山排土場災(zāi)害的單一預(yù)警指標，即這3個指標中，只要有1個指標的監(jiān)測值達到了預(yù)警閾值，就可對整個排土場災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)進行預(yù)警。而對于單一預(yù)警指標的預(yù)警判據(jù)研究是本項目的重點，本研究擬通過實際工程中地表及坡體內(nèi)部位移監(jiān)測點的位置和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，與所建立數(shù)值模型的模擬結(jié)果進行相互驗證（無降雨條件下）。利用該數(shù)值計算模型，模擬降雨量變化對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，參考相關(guān)邊坡設(shè)計規(guī)范，把排土場邊坡失穩(wěn)風險劃分為4個等級，提出四色預(yù)警機制，把排土場邊坡穩(wěn)定性的風險等級與預(yù)警指標的預(yù)警閾值相關(guān)聯(lián)，進而得出3個單一指標（地表位移、內(nèi)部位移、降雨量）影響的預(yù)警判據(jù)結(jié)果。

3 排土場災(zāi)害四色預(yù)警機制

四色預(yù)警機制的內(nèi)容是指用紅、橙、黃、藍4種顏色對礦山排土場災(zāi)害風險的嚴重程度發(fā)出不同級別的警報，不同顏色代表了排土場災(zāi)害風險預(yù)警的級別和風險程度，其中，紅色預(yù)警級別最高，代表風險最大、最嚴重，藍色預(yù)警級別最低，代表風險最小、最不嚴重［16］。

（1）藍色預(yù)警。藍色預(yù)警為常態(tài)性預(yù)警，屬于事前預(yù)防環(huán)節(jié)，是排土場災(zāi)害發(fā)生的一般階段，滑坡體位移有異常變化，滑坡發(fā)生可能性一般。加強排土場的監(jiān)測和巡查次數(shù)。

（2）黃色預(yù)警。黃色預(yù)警為動態(tài)性預(yù)警，屬于事前控制環(huán)節(jié)，是排土場災(zāi)害發(fā)生的較重階段，滑坡體的位移明顯變化，滑坡發(fā)生可能性較大。通知監(jiān)測人員查看排土場失穩(wěn)的隱患點情況，采取防御措施，提醒排土場下游的居民、廠礦、學校、企事業(yè)等單位密切關(guān)注天氣預(yù)報。

（3）橙色預(yù)警。橙色預(yù)警為過程性預(yù)警，屬于過程控制必要環(huán)節(jié)，是排土場災(zāi)害發(fā)生的嚴重階段，邊坡局部的位移顯著增大，滑坡發(fā)生可能性大。暫停排土場附近的戶外作業(yè)，轉(zhuǎn)移危險地帶居民，各級領(lǐng)導(dǎo)到崗準備應(yīng)急措施。視企業(yè)情況準備搶險隊伍，密切注意雨情變化。根據(jù)實際情況，及時調(diào)整或提前啟動紅色預(yù)警。

（4）紅色預(yù)警。紅色預(yù)警為強制性保護預(yù)警，屬于過程控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是排土場災(zāi)害發(fā)生的特別嚴重階段，滑坡體的位移急劇增大，滑坡發(fā)生可能性非常大。需采取的應(yīng)急措施為無條件緊急疏散排土場附近的居民和礦山作業(yè)人員，關(guān)閉相關(guān)道路，組織人員準備搶險，加強監(jiān)測，密切關(guān)注排土場臨滑跡象。

通常情況下，安全系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性預(yù)警中的常用判據(jù)，不同標準對邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)要求各不相同，基于事故預(yù)防關(guān)口前移的管理理念，本研究參考了對邊坡穩(wěn)定性要求較高且比較詳細的《水力水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386—2007）［17］，根據(jù)邊坡安全系數(shù)對邊坡進行分級，如表1所示，為便于不同預(yù)警等級預(yù)警判據(jù)的研究把邊坡安全系數(shù)與四色預(yù)警機制有機地結(jié)合起來，不同的安全系數(shù)對應(yīng)不同的預(yù)警顏色和等級，形成的對照表如表2所示。

4 排土場災(zāi)害預(yù)警判據(jù)研究

4.1 排土場模型

如圖5所示，參考錦豐礦業(yè)排土場介紹、排土場初步設(shè)計說明、排土場設(shè)計圖及相關(guān)國家標準，依托FLAC3D軟件構(gòu)建錦豐礦山排土場假三維計算模型。模型前后及左右邊界設(shè)置水平位移約束，底部設(shè)置垂直方向約束。計算過程中主要考慮自重應(yīng)力作用。結(jié)合貴州省安科院實驗室試驗結(jié)果，此次數(shù)值模擬的排土場土體力學參數(shù)如表3所示。

4.2 無降雨條件下的邊坡安全穩(wěn)定性分析

根據(jù)相關(guān)設(shè)計資料，模擬并分析在僅受重力作用下現(xiàn)狀排土場邊坡體的安全穩(wěn)定性情況，使用FLAC3D軟件自帶的強度折減計算命令流模擬現(xiàn)狀條件下的邊坡安全系數(shù)。如圖6所示，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點布設(shè)位置在FLAC3D中設(shè)置相應(yīng)測點，數(shù)值計算結(jié)果表明現(xiàn)狀下排土場最大工后變形量為1.01 cm，位于最上層土體靠近臨空面位置，此時邊坡安全系數(shù)為1.30，處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如表4所示。

依據(jù)《水力水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》和FLAC3D中的強度折減原理，對邊坡體的黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)進行折減，得到邊坡安全系數(shù)與相關(guān)測點位移的關(guān)系曲線（如圖7所示）。模擬結(jié)果表明：①現(xiàn)狀邊坡條件下數(shù)值模擬所得位移變形量與邊坡實測結(jié)果吻合度較高；②對于不同埋深的測點，位移量與測點埋深呈現(xiàn)反比關(guān)系；③安全系數(shù)小于1.15時測點變形幅度整體較為緩慢，當超過1.15時位移量增速明顯變大。

根據(jù)圖5所示，選取1-6號臺階安全平臺中心位置、7號臺階計算所得位移變形最大位置作為坡體表面位移監(jiān)測位置；坡體內(nèi)部變形監(jiān)測以計算所得滑動帶邊界位移數(shù)值進行標定，不設(shè)置特殊的監(jiān)測點。數(shù)值模擬結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明：隨著排土場高度的增加，堆排土體的位移變形量越大，且位移變形峰值出現(xiàn)在排土場頂部位置；隨著邊坡高度上升，不同閾值下測點位移變形量變化幅度逐漸減小，表明隨邊坡高度增加，測點對位移量變化的敏感度呈下降趨勢。

4.3 強降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)貴州錦豐排土場所在地區(qū)氣象簡報，該區(qū)域歷年最大日暴雨量為146 mm，連續(xù)暴雨最大為200.6 mm，最大月降雨量為346.6 mm。本次模擬中涉及的降雨量是根據(jù)氣象部門劃分的降雨強度為準，詳見表6。因此，最終降雨量設(shè)定為15 mm、30 mm、60 mm、90 mm、105 mm、120 mm、135 mm、150 mm。

如圖8所示，在邊坡表面位置施加滲流邊界，將降雨施加于邊坡表面，各監(jiān)測點位移變化量如表7所示。降雨—安全系數(shù)曲線如圖9所示，降雨—最大位移曲線如圖10所示。

根據(jù)表2標準和數(shù)值模擬計算所得結(jié)果，可知在中到大雨情況下邊坡可保持穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨情況下可保持基本穩(wěn)定，大暴雨情況下邊坡發(fā)生明顯破壞甚至直接滑坡。降雨條件下邊坡安全穩(wěn)定性匯總?cè)绫?所示。

5 結(jié)論

（1）針對我國典型礦山排土場進行了深入調(diào)研，分析礦山排土場災(zāi)害特點，確定排土場災(zāi)害預(yù)警指標。以貴州省錦豐礦業(yè)公司礦山排土場為例，研究礦山排土場災(zāi)害在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，構(gòu)建排土場災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在預(yù)警指標閾值的研究中，結(jié)合風險預(yù)防關(guān)口前移的管理理念，實現(xiàn)排土場災(zāi)害的分級預(yù)警管理，提出基于紅、橙、黃、藍4個預(yù)警級別的預(yù)警指標的四色預(yù)警機制。

（2）在預(yù)警指標的四色預(yù)警判據(jù)研究中，把排土場邊坡失穩(wěn)的預(yù)警等級與邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)相結(jié)合，基于FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了地表位移和內(nèi)部位移預(yù)警指標的四色預(yù)警判據(jù)的確定方法，并應(yīng)用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬模型的可靠性，進而應(yīng)用此模型模擬不同降雨條件下，不同預(yù)警等級下降雨量指標對應(yīng)的預(yù)警閾值，為排土場災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的實現(xiàn)提供了理論保障，實現(xiàn)了礦山排土場在線監(jiān)測預(yù)警管理。

（3）提出的在線監(jiān)測技術(shù)已成功應(yīng)用于貴州省部分礦山排土場，給出相應(yīng)指標的監(jiān)測設(shè)備及設(shè)備參數(shù)，結(jié)合預(yù)警指標的特點和企業(yè)生產(chǎn)實際，劃分不同級別的預(yù)警標準，實現(xiàn)排土場災(zāi)害的實時監(jiān)測和及時預(yù)警，具有一定的創(chuàng)新性和很強的實用性，前景廣闊，有助于礦山企業(yè)提前管控排土場邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，采取相應(yīng)措施，有利于提升貴州省的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)能力，將為我國礦山排土場災(zāi)害的預(yù)防和控制方法提供借鑒。