生产建设项目弃渣场安全选址方案研究
2018-02-13袁普金高旭彪
袁普金， 姚 赫， 张 勇， 高旭彪
(1.水利部 水土保持监测中心， 100055, 北京; 2.长江水利委员会 长江流域水土保持监测中心站， 湖北 武汉 430010)
弃渣场选址是水土保持方案中的重要内容，如果选址不当，可能造成重大的灾害，深圳市光明新区红坳渣土受纳场“12·20”滑坡事故，造成73人死亡，4人下落不明，17人受伤，90家企业生产受影响，直接经济损失为8.81亿元。国外发达经济体常将弃渣场纳入堆积体灾害风险评价中进行管理[1-5]，因缺乏参照和基础研究，目前国内对弃渣场渣体失稳后运移距离的研究尚不成熟[6]。有关机构在滑坡碎屑流、泥石流运动规律上作了一些相关的研究，但涉及运移距离方面的研究尚无定论。滑坡规模和影响范围是决定滑坡致灾强度的两个重要方面，滑坡滑动速度和滑动距离计算对防灾减灾工作意义重大[7]。弃渣场作为一种松散堆积体，是一种具有不连续性、非均质性和各向异性等复杂特性的力学介质[8]，在一定诱发因素下易产生滑坡灾害，通常的诱发因素有降雨、地震、人类活动等，表现形式根据滑坡时地形条件和含水量的不同，可分为崩塌、滑坡、滑坡碎屑流、泥石流等。对于弃渣场滑坡来讲，其失稳破坏常形式常表现为滑坡和滑坡碎屑流，其滑坡规模一般不会超过堆渣量，因此，弃渣场滑坡运动距离预测是弃渣场选址的核心内容。近几十年来，国内外学者为预测各种类型滑坡的滑距进行了大量研究，建立了一系列经典模型，如基于多元回归模型建立的黄土滑坡滑距预测模型[9]、基覆型边坡滑坡模型[10]、岩质修正地震致滑坡预测模型[11]等，基于理论修正的经验模型，如Scheidegger预测模型[12]、黄土地震滑坡预测模型[13]、地震致无阻碍滑坡预测模型[14]、松散堆积体滑坡修正模型[6]等，由于多元回归模型的数据量受限，因此基于理论修正的经验模型具备更好的操作性和推广性，其中基于理论修正的经验模型中最为经典的是Scheidegger在1973年提出的Scheidegger经验模型，其模型理论性好，重复精度高，随后大量学者在此模型上进行修正。Corominas[15]，Inokuchi[16]，Kokusho[17-18]，Finlay[19]，Budetta[20]，Hunter[21]，Li[22]，Yang[23]，Chen[24]等学者分别提出了沟谷类、山坡类、有阻碍、无阻碍等地形修正经验模型，地震致、降雨致等诱发因素修正型，碎屑流、泥石流、火山泥流等发生形态修正模型。基于已有的滑体数据和不同滑体滑距预测模型，研究弃渣场滑坡滑距的分布情况，寻找弃渣场滑坡的运动规律，探讨其渣场安全选址的要求，不仅具有较强的可行性，也具有迫切的现实意义。本研究对于弃渣场滑坡规律研究总结和弃渣场选址具有重要的理论价值与指导意义。
1 数据与方法
1.1 数据采集
为量化评价弃渣场选址的安全范围，并考虑地形因素的影响，引入定量指标是必不可少的，引入滑坡的移动性指标有助于评价弃渣场滑坡的动态特征，滑坡移动性的一个著名指标是垂直落差H与水平距L的比值常被称为等效摩擦系数(H/L)，这一比例的倒数也可称为流动性指数(L/H，如图1所示)。
图1 滑坡运动图示
通过统计整理1 032组国内外堆积体、滑坡体、火山流体数据[6]，数据来源于期刊论文、书籍文献及国内外滑坡灾害数据库。共得到含有堆积体/滑体体积V，垂直落差H，滑距L的有效数据882组，有效数据中体积V分布区间150 m3～2.00×1010m3，垂直落差H分布区间0.01～4.4 km，滑距L分布区间3 m～18.9 km，等效摩擦系数H/L分布区间0.02～20。其中等效摩擦系数H/L小于1的共计783组，占比88.76%，H/L的平均数是0.75，中位数是0.58，数据分布较为离散。
1.2 处理模型
本研究模型回归的误差算法使用为：对线性回归模型和一般曲线回归模型使用最小二乘法估计参数，对对数线性回归模型使用极大似然估计法估计参数。
1.3 数据处理
试验数据整理和显著性检验使用SPSS 18.0进行分析，模型建立算法控制和拟合使用Matlab 12，数据体采用Origin8.0绘制。
2 结果与分析
2.1 弃渣场失稳滑坡特征值分布
2.1.1 滑距L的分布区间分析 统计滑坡滑距L，滑坡落差H，滑坡体体积V等特征值观测资料，按照其出现的稀有程度，来衡量它的大小和等级，即该特征值等于或超过某定量的可能出现次数，可折合成其可能出现的概率，即为发生频率。统计882组滑坡有效数据，其滑距L不超过某已发生值的发生概率分布如图2所示。
图2 滑距L发生概率图
其中，滑距L≤500 m的共计465组，概率52.72%；滑距L≤1 000 m的共计692组，概率78.46%；滑距L≤1 500 m的共计772组，概率87.53%；滑距L≤2 000 m的共计808组，概率91.61%；滑距L≤2 500 m的共计826组，概率93.65%；滑距L≤3 000 m的共计836组，概率94.78%；最大观测距离为Saidmarreh[25]的泥石流运动数据，滑距为18.9 km。90%概率以下发生的事件已很难发生，p=0.1时，滑距L为1.829 km，即90%的滑距L小于1.829 km。根据统计结果，95%的滑距L小于3.257 km，即通常认为不可能发生滑距L大于3.257 km的滑坡事件。进一步的从滑体体积V划分滑距区间，可得不同体积的滑距L特征值详见表1。
表1 不同体积滑体的滑距L(km)特征值
注：由于被统计的滑体运动数据V超过1.00×107m3的过于分散，而弃渣场绝大多数不可能超过5.00×107m3，故在>1.00×107m3的区间重点统计了1.00～5.00×107m3的数据。下同。
2.1.2 等效摩擦系数H/L的分布区间分析 仅统计不同体积滑体的滑距L，而不考虑其地形影响情况显然是不合适的，统计882组滑坡有效数据，其等效摩擦系数H/L超过某已发生值的发生概率分布如图3所示。
图3 等效摩擦系数H/L发生概率图
其中，等效摩擦系数H/L≥1的共计99组，概率11.33%；等效摩擦系数H/L≥0.5的共计539组，概率61.11%；等效摩擦系数H/L≥0.4的共计663组，概率75.17%；等效摩擦系数H/L≥0.3的共计747组，概率84.69%；等效摩擦系数H/L≥0.2的共计828组，概率93.88%；等效摩擦系数H/L≥0.18的共计839组，概率95.12%；最小观测H/L为Pandemonium[26]的泥石流运动数据，H/L为0.023。90%概率以下发生的事件已很难发生，p=0.1时，H/L为0.25，即90%的滑坡H/L大于0.25。根据统计结果，95%的滑坡H/L大于0.18，即通常认为不可能发生H/L大于0.18(L/H=5.56)的滑坡事件。等效摩擦系数(H/L)利于解释滑体运动机理，而流动性指数(L/H)则更利于评价选址合理性，不同体积的等效摩擦系数和流动性指数特征值(表2)。制定不同的H/L参考标准，根据收集数据统计，结果详见表2。
通过统计可知，V≤5.00×105m3，L/H平均值为1.01，变异系数1.61，90%概率L/H在2.17以下，95%概率L/H在2.78以下，极值为16.67，可以认为V≤5.00×105m3的滑体滑距一般不超过2.78H；同样的，可以认为5.00×105
由于收集的V数据过大，部分体积V达到数1.00×109m3，对误差的贡献过大，数据分布离散度大，代表性不强，对弃渣场运动规律的统计典型性不强，建议以1.00×107m3～5.00×107m3之间的运动作为统计区间，当1.00×107 表2 不同体积滑体的等效摩擦系数和流动性指数征值 2.1.3 不同滑体体积V的滑动特征值的典型性分析 从统计数据的总体分布规律上来看，基本符合滑体体积V越大，滑距L越大，等效摩擦系数H/L越小，流动性系数L/H越大的规律。但按照不同体积提取特征值的典型性仍需讨论。将不同体积区段的滑体运动特征值进行显著性检验，结果如图4所示。由图4可知，根据不同体积V进行滑距L的划分具有较强的依据：除第3组1.00×106 注：数据采用DUNCAN检验，标有完全不同小写字母代表差异显著(p=0.01)。 图4不同组别L与H/L值显著性检验 通过大量不同类型松散堆积体、滑坡体、固液两项流体的数据拟合可知，大量类似运动符合提出的经验公式，即可用c值来模拟松散堆积体、滑坡体、固液两项流体等的基本性质，即通过c确定c值的区间来预测弃渣场失稳发生位移的大小是可行的。 为更精确的预测不同类型弃渣场失稳发生位移大小的可行性，可通过更进一步优化c值代表区间，引入对滑距有显著影响的岩质[11]和水分因素[24]，使其更适宜于不同弃渣场选址，可将模型中c值优化为： c=c0·RT·AL 式中：L估——预测距离(m)；H——垂直落差(m)，V——滑体体积(104m3)； RT——岩质类型； AL——弃渣场等级；a——体积修正常数；b——落差修正常数；c0——根据岩质、渣量修正的c值。考虑到式中对体积V已经考虑，故AL仅作区分，不作计算。根据大量相关研究和行业内区分标准，可以区分RT，AL的等级标准详见表3—4。 表3 弃渣场岩土划分等级 注：岩质划分参考自Guo(2014)等的研究[15]。 表4 弃渣场等级划分 注：渣场级别区分取自GB51018。 2.2.2 弃渣场失稳模型验证 提取的失稳预测模型可由松散堆积体相关数据进行验证，固定常规运动a，b值，即a=-0.182，b=1.107[6]，基于以上区分标准和收集相关数据，对修正c值的经验模型进行拟合，推荐c0值取值详见表5。由表5可知，模型适宜于不同岩质和渣量的松散堆积体，拟合优度均表现出适宜性。其中对3级岩质、4级渣场的拟合优度高达0.88。 表5 不同岩质不同等级弃渣场c0值取值矩阵 本文提出了两种渣场选址参考方法：第一种是根据散体运动的特征值的分布概率，确定弃渣场安全失稳运动距离的发生可能性，这种方法可被成为历史发生频率选址法；第二种基于理论模型的修正、检验，利用修正模型来预测不同类型不同大小弃渣场滑坡的运动距离，这种方法可被称为模型预测法。 弃渣场选址与评价是一个复杂的问题，当前国内外暂无成熟方法参考。本文提出的方法是参考类似滑体运动数据进行统计分析所得，具有重要的参考价值，适宜于各类型的弃渣场。考虑到弃渣场独特的松散结构特征，在选址和评价时，应在预测安全距离上适当进行放大，如放大至1.3倍预测值，以确保一定的安全冗余度，保证弃渣场周边对象的安全。 方法操作较简单，考虑了不同渣场的大小和地形条件，容易推广和实施，然而仅根据不同滑体体积进行滑距估计缺乏理论依据，容易造成选址困难或土地资源浪费；而根据不同滑体体积进行等效摩擦系数估计则缺乏体积划分的典型性，需进行综合考量。本文推荐对于V≤5.0×105m3的弃渣场(5级弃渣场)宜取2.78倍的落差(2.78H)的安全距离，对于50
2.2 弃渣场失稳预测模型
3 讨 论
4 结 论
4.1 历史发生频率选址法
4.2 模型预测选址法
