尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析

尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析

作為一個(gè)高度可持續(xù)的人工泥石流估算源，尾礦庫將嚴(yán)重威脅下游居民和重要工農(nóng)業(yè)、交通和環(huán)境安全，造成嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。例如2008年9月8日,襄汾新塔礦業(yè)有限公司980溝尾礦庫,因違規(guī)超量蓄水,導(dǎo)致庫內(nèi)水位過高、干灘長度過短、浸潤線抬升,發(fā)生滲透破壞最終潰壩,事故造成281人遇難,33人受傷。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,由于壩體邊坡過陡、浸潤線過高而導(dǎo)致潰壩,事故致使13970人受災(zāi),其中死亡171人,受傷92人。再如1966年5月1日,保加利亞米爾礦尾礦庫,因暴雨后庫內(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8km的村莊完全被摧毀,488人死亡。尾礦庫安全狀態(tài)不掌握,位移、浸潤線、庫水位等反映尾礦庫安全狀態(tài)的參數(shù)不了解,以至于事故發(fā)生前無法對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警,是所有尾礦庫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)庫水位進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的?；鸸榷嘉驳V庫潰壩事故,是在浸潤線抬已從土壩下游坡逸出,未對(duì)浸潤線埋深進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的。米爾礦尾礦庫洪水漫頂事故,是在暴雨后庫水位急劇上升時(shí),未對(duì)降雨量及庫水位進(jìn)行預(yù)警的情況下發(fā)生的。筆者對(duì)尾礦庫潰壩預(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,確保尾礦庫安全運(yùn)行。1坍塌風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的原理1.1預(yù)警的組成及警務(wù)性規(guī)定基于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,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。1.2尾礦庫完善的警度、警源和警跡結(jié)合預(yù)警三維結(jié)構(gòu)圖,根據(jù)尾礦庫潰壩特點(diǎn),可得尾礦庫潰壩預(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。警情就是指尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不正?；虍惓Ｇ闆r,即曾經(jīng)發(fā)生過的險(xiǎn)情,或是已經(jīng)存在的隱患,還有就是將來可能出現(xiàn)的問題。(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。明確警義是尾礦庫潰壩預(yù)警的前提。尾礦庫的警素是多樣的,既包括曾經(jīng)出現(xiàn)過的,又包括現(xiàn)在的,還包括未來可能出現(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)生尾礦庫各種警情的根源,也即尾礦庫生產(chǎn)運(yùn)行過程中已經(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,指的是尾礦庫周邊環(huán)境對(duì)尾礦庫的影響因素,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各種警情的根源;(3)人為警源,即人的參與過程中的缺陷,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。從警源開始,到警情的出現(xiàn),即事故的發(fā)生、發(fā)展過程,這一過程必有警兆的出現(xiàn)。比如洪水漫頂警情,從降雨到引發(fā)漫頂過程,必然伴有降雨量增多、庫水位升高和干灘長度變短等警兆的產(chǎn)生?？梢钥闯?警兆是警源的發(fā)生和擴(kuò)散過程的外在表現(xiàn),同時(shí),警兆也可能是警源發(fā)展過程中的伴隨現(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,如庫水位升高引起的干灘長度過短,也可能是隱性的,如庫水位升高引起的壩坡穩(wěn)定性下降等。2獨(dú)立于崩潰的警報(bào)系統(tǒng)2.1滅壩事故原因分析據(jù)統(tǒng)計(jì),自1960年以來,美國、智利、南非、加拿大、保加利亞、秘魯、菲律賓、贊比亞等國共發(fā)生了56起尾礦庫潰壩事故,我國有記錄的是65起尾礦庫潰壩事故。在這121起潰壩事故中,按事故原因劃分,如圖2所示。從圖2中可以看出,滲透破壞超過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)建尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)警素指標(biāo)體系,見表1所示。2.3警源管理系統(tǒng)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),見表2至表4所示。2.4壩壩面沼澤化滲透水質(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直觀觀察進(jìn)行判斷。降雨、調(diào)洪庫容和泄水能力等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)洪庫容有4個(gè)警兆指標(biāo),泄水能力有3個(gè)警兆指標(biāo)。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)?；掠形灰谱兓俾?、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)。3數(shù)據(jù)分析方法尾礦庫潰壩風(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最高庫水位等相關(guān)參數(shù)。下面具體說明:(1)調(diào)洪庫容現(xiàn)狀。預(yù)警前的現(xiàn)狀庫水位、現(xiàn)狀干灘長度、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)可通過人工觀測(cè)得到,并事先輸入到預(yù)警系統(tǒng)中,其中庫水位可以直接由監(jiān)測(cè)傳感器提供,其他數(shù)據(jù)需要人工錄入。(2)入庫洪水總量分析。根據(jù)氣象局預(yù)報(bào)或是來自雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在得到未來某個(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)該給出本次降雨過程中,能達(dá)到的最高庫水水位及其出現(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。(2)滲流計(jì)算。根據(jù)調(diào)洪演算獲得的最高庫水水位時(shí)的干灘長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)、浸潤線,以及滲透坡降和滲透流量。浸潤線、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,尤其是浸潤線埋深,采用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法對(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尾礦庫噬壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)(1)國內(nèi)外尾礦庫潰壩事故表明,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80%。(2)根據(jù)預(yù)警原理,結(jié)合尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的特點(diǎn),將尾礦庫潰壩風(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