尾矿库溃坝预警体系及预警方法研究

吴宗之 梅国栋

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.中国安全生产科学研究院,北京 100012)

尾矿库溃坝预警体系及预警方法研究

吴宗之1,2梅国栋1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2.中国安全生产科学研究院,北京 100012)

尾矿库溃坝预警信息的辨识、获取和分析，是有效防止尾矿库溃坝的关键技术。在对121起尾矿库溃坝事故统计分析的基础上，基于风险预警原理，对尾矿库溃坝风险预警体系和预警方法进行了分析。研究结果表明：溃坝主要类型是渗透破坏和洪水漫顶；渗透破坏的警素指标包括渗透水质和堆积坝沼泽化，洪水漫顶的警素指标包括降雨、调洪库容和泄水能力，地震液化的警素指标包括地震烈度和滑坡；警源指标体系包括自然警源、固有警源和人为警源3类；溃坝风险综合预警法包括调洪库容现状的获取、入库洪水总量分析、泄流能力分析、调洪演算、渗流分析和抗滑稳定性分析等流程，以确定坝体稳定状况，作为尾矿库预警标准，确保尾矿库安全运行。

尾矿库 溃坝风险 预警体系 综合预警方法

尾矿库作为具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生溃坝，将严重威胁下游居民和重要工农业、交通设施及环境安全，造成严重的人员伤亡、财产损失和恶劣的社会影响[1]。例如2008年9月8日，襄汾新塔矿业有限公司980沟尾矿库，因违规超量蓄水，导致库内水位过高、干滩长度过短、浸润线抬升，发生渗透破坏最终溃坝，事故造成281人遇难，33人受伤[2]。又如1962年9月26日，云南锡业公司新冠采选厂火谷都尾矿库，由于坝体边坡过陡、浸润线过高而导致溃坝，事故致使13 970人受灾，其中死亡171人，受伤92人[3]。再如1966年5月1日，保加利亚米尔矿尾矿库，因暴雨后库内水位上升且导流明渠失效，致使洪水漫顶溃坝，导致下游8 km的村庄完全被摧毁，488人死亡[4]。

尾矿库安全状态不掌握，位移、浸润线、库水位等反映尾矿库安全状态的参数不了解，以至于事故发生前无法对险情进行预警，是所有尾矿库溃坝事故给我们的共同教训。“9.8”溃坝事故，是在干滩几乎为零、子坝处于挡水状态时，未对库水位进行预警的情况下发生的。火谷都尾矿库溃坝事故，是在浸润线抬已从土坝下游坡逸出，未对浸润线埋深进行预警的情况下发生的。米尔矿尾矿库洪水漫顶事故，是在暴雨后库水位急剧上升时，未对降雨量及库水位进行预警的情况下发生的。

笔者对尾矿库溃坝预警体系进行研究，建立警情、警素、警源和警兆的4类预警指标体系，并提出预警方法，以实现对溃坝前兆信息进行预警，确保尾矿库安全运行。

1 溃坝风险预警原理分析

1.1 预警原理分析

基于A.D.Hall在1969年提出的系统工程三维结构图，得到预警系统三维结构图[5-6]，如图1所示。从图1中可以看出，预警由以下5个部分组成：①明确警义，即明确预警对象，才能有的放矢；②寻找警源，即出现异常情况的原因；③分析警兆，即伴随异常情况发生的先兆指标；④预报警度，即预报危险程度；⑤发布警情，即对外发布异常情况及处理措施，以针对性进行治理隐患，或在紧急情况下对下游居民进行疏散。

图1 尾矿库溃坝预警三维结构

1.2 尾矿库溃坝预警组成

结合预警三维结构图，根据尾矿库溃坝特点，可得尾矿库溃坝预警系统的4个要素，分别是警情、警义、警源、以及警兆。

(1)警情。警情就是指尾矿库生产运行过程中出现的不正常或异常情况，即曾经发生过的险情，或是已经存在的隐患，还有就是将来可能出现的问题。

(2)警义。警义就是该警的内涵，包含2个子要素：警素、警度。警素就是尾矿库表现出的各种与其安全相关的指标，如降雨量就是洪水漫顶的一个警素，烈度就是地震液化的一个警素。警度就是警情的严重程度，类似于隐患中的一般隐患和重大隐患。明确警义是尾矿库溃坝预警的前提。尾矿库的警素是多样的，既包括曾经出现过的，又包括现在的，还包括未来可能出现的。警度按照其性质、影响程度和是否可控等分为3个等级，即安全警限、轻警和重警。

(3)警源。警源就是指产生尾矿库各种警情的根源，也即尾矿库生产运行过程中已经存在的或是潜在的隐患。根据警源产生的原因，可将警源分为以下3类:①自然警源，指的是尾矿库周边环境对尾矿库的影响因素，如断层构造、滑坡、泥石流等不良地质条件，以及汇水面积、降雨等水文气象环境；②固有警源，指的是尾矿库因自身的缺陷，如筑坝材料的物理力学性质、尾砂粒径大小及级配情况、尾砂渗透性等，固有警源是引起尾矿库各种警情的根源；③人为警源，即人的参与过程中的缺陷，如设计不严、施工质量不高、管理水平不高、应急处置失误等。

(4)警兆。警兆就是指发生各种溃坝警情的前兆。从警源开始，到警情的出现，即事故的发生、发展过程，这一过程必有警兆的出现。比如洪水漫顶警情，从降雨到引发漫顶过程，必然伴有降雨量增多、库水位升高和干滩长度变短等警兆的产生。可以看出，警兆是警源的发生和扩散过程的外在表现，同时，警兆也可能是警源发展过程中的伴随现象。警情发生，其前比如有警兆的出现，警兆的出现方式，可以是显性的，如库水位升高引起的干滩长度过短，也可能是隐性的，如库水位升高引起的坝坡稳定性下降等。

2 溃坝预警体系

2.1 警情指标体系

据统计，自1960年以来，美国、智利、南非、加拿大、保加利亚、秘鲁、菲律宾、赞比亚等国共发生了56起尾矿库溃坝事故[4]，我国有记录的是65起尾矿库溃坝事故[7-9]。在这121起溃坝事故中，按事故原因划分，如图2所示。

图2 尾矿库溃坝事故按原因统计

从图2中可以看出，渗透破坏超过50%，洪水漫顶接近30%，地震液化为10%，三者占90.9%。因此，将尾矿库溃坝警情分为渗透破坏、洪水漫顶和地震液化。

2.2 警素指标体系

根据尾矿库溃坝事故案例分析成果，结合安全预警理论，构建尾矿库溃坝风险警素指标体系，见表1所示。

表1 尾矿库溃坝风险警素指标体系

2.3 警源指标体系

从自然警源、固有警源和人为警源3个方面分析渗透破坏、洪水漫顶、和地震液化3种警情的警源指标，见表2至表4所示。

表2 渗透破坏警源指标体系

2.4 警兆指标体系

渗透水质和堆积坝坝面沼泽化2个警素的警兆指标体系如图3所示,其中，渗透水质中有3个量化指标，以及1个定性指标，渗透水的浑浊情况可以通过直观观察进行判断；堆积坝坝面沼泽化4个指标均为量化指标，当然，沼泽化面积变化可以通过直观观察进行判断。

表3 洪水漫顶警源指标体系

表4 地震液化警源指标体系

图3 渗透破坏警兆指标体系

降雨、调洪库容和泄水能力等3个警素的警兆指标体系如图4所示。其中，降雨有3个警兆指标，调洪库容有4个警兆指标，泄水能力有3个警兆指标。

图4 洪水漫顶警兆指标体系

烈度和滑坡2个警素的警兆指标体系如图5所示。其中，烈度警素有震级、震源深度和地震持续时间3个警兆指标。滑坡有位移变化速率、坝体出现放射状裂缝、滑坡厚度和滑坡体大小4个警兆指标。

图5 地震液化警兆指标体系

3 溃坝路径断环对策分析

尾矿库溃坝风险警兆指标体系已确定，如何利用这些警兆指标来对大坝风险水平进行预测，就显得尤为重要。

笔者采用的是综合预警法，流程图如图6所示，共分为调洪演算、渗流计算和抗滑稳定性分析3部分、6个步骤，具体意义如下。

(1)调洪演算。根据调洪库容现状，在接到气象预报或是雨量计监测到降雨数据后，对入库洪水总量进行计算，再结合泄水曲线或是泄流量监测数据，进行调洪演算，得到本次降雨后尾矿库最高库水位等相关参数。下面具体说明：①调洪库容现状。预警前的现状库水位、现状干滩长度、滩顶高程和沉积滩坡比是整个预警的基础数据，该数据可通过人工观测得到，并事先输入到预警系统中，其中库水位可以直接由监测传感器提供，其他数据需要人工录入。②入库洪水总量分析。根据气象局预报或是来自雨量计监测数据，在得到未来某个时段的降雨强度及历时后，分析进入尾矿库的洪峰流量和洪水总量。③泄流能力分析。根据泄水构筑物的泄水能力曲线，结合各洪水过程线，计算出各水位标高的泄流量，或是直接用泄流量监测传感器的数据。④调洪演算。根据上面3个步骤的数据，利用水量平衡法进行调洪演算。调洪演算应该给出本次降雨过程中，能达到的最高库水水位及其出现时间，对应最高洪水水位时的干滩长度、安全超高，以及最大泄流量。经调洪演算得到的干滩长度、安全超高，可以与指标预警方法得到的警限直接比较，若小于警限值，进行预警。最大泄流量应与泄水能力曲线对比，并确定排洪构筑物对应最大泄流量时处于自由泄流或半压力流工作状态，若处于压力流状态，同时进行预警。

图6 综合预警方法流程图

(2)渗流计算。根据调洪演算获得的最高库水水位时的干滩长度利用渗流分析方法对坝体进行渗流分析，得到渗流的压力场、浸润线，以及渗透坡降和渗透流量。浸润线、渗透坡降可与指标预警方法得到的上限值进行比较，若超出，则进行预警。

(3)抗滑稳定性分析。根据渗流分析结果，尤其是浸润线埋深，采用瑞典圆弧法或简化毕肖普法对坝体稳定性进行分析，计算抗滑稳定系数，与设计或规程对比，若小于设计或规程规定的数值，则进行预警。

4 结 论

(1)国内外尾矿库溃坝事故表明，溃坝事故主要有渗透破坏、洪水漫顶、地震液化和坝坡失稳等类型，其中，以渗透破坏和洪水漫顶为主要类型，两者比例超过80%。

(2)根据预警原理，结合尾矿库溃坝风险预警的特点，将尾矿库溃坝风险预警分为明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和发布警情5个部分，并根据事故案例分析结果，建立了渗透破坏、洪水漫顶和地震液化3种警情、7个警素指标体系和警兆指标体系。

(3)提出了尾矿库溃坝综合预警技术。根据降雨量实测数据，进行调洪演算，预测未来某时段实际库水位，并根据建立的渗流和抗滑计算预警模型，进行浸润线渗流计算，根据预测的浸润线埋深，再计算坝体稳定性，最终确定坝体稳定状况，以此依据作为尾矿库预警标准，进行分级预警，实现尾矿库精确、超前预警。

[1] 田文旗，谢旭阳.我国尾矿库现状及安全对策的建议[J].中国矿山工程，2009，38(6):42-49. Tian Wenqi，Xie Xuyang.Tailings pond situation in China and safety countermeasures suggestion[J].China Mine Engineering，2009，38(6):42-49.

[2] 闪淳昌，张振东，钟开斌，等.襄汾“9·8”特别重大尾矿库溃坝事故处置过程回顾与总结[J].中国应急管理，2011(10):13-18. Shan Chunchang，Zhang Zhendong，Zhong Kaibin，et al.Review and summary of accident disposal process of particular major tailings dam break accident in Xiangfen [J].China Emergency Management，2011(10):13-18.

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[4] Chronology of major tailings dam failures(from 1960) [J/OL].Tailings Dam Safety.[2014-03-04].http:∥www.wise-uranium.org.

[5] Hall A D.A Methodology for Systems Engineering [M].Princeton:Van Nostrand，1962.

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[8] Azam S.Tailings dam failure:a review of the last one hundred years [J].Geotechnical News，2010，28(4):50-53.

[9] 柴建设，王 姝，门永生.尾矿库事故案例分析与事故预测[M].北京：化学工业出版社，2011：3-32. Chai Jianshe，Wang Shu，Men Yongsheng.Analysis and Prediction of Tailings Dam Accident Case [M].Beijing:Chemical Industry Press，2011:3-32.

(责任编辑 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”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAK09B01)，国家科技重大专项(编号：2011ZX05040-001)。

吴宗之(1963—)，男，研究员，博士研究生导师。

TD926.4

A

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