排土场灾害四色预警判据研究

栾婷婷 吕则恺 谢振华 胡守涛 幸贞雄 成朝正

（1.北京石油化工学院安全工程学院，北京102617；2.北京市安全生产工程技术研究院，北京102617；3.中国劳动关系学院安全工程系，北京100048；4.贵州省安全生产科学研究院，贵州遵义563000；5.贵州锦丰矿业有限公司，贵州贵阳550001）

排土场的灾害形式由于地质、地理、气候等自然条件的不同而存在一定差异，按照其对环境危害的表现形式大体上可分为排土场滑坡、泥石流和环境污染［1］。其中，排土场滑坡和泥石流最为常见，时常伴随发生，具有一些相同的灾害影响因素。露天矿因排土范围和排土工艺所限，其排土环节往往不受重视，容易导致事故发生，造成生命财产的重大损失。近年来，我国排土场滑坡、泥石流灾害事故多发，说明现有一些排土场的安全风险较高，监测预警能力不足。由于边坡的失稳破坏，是一个从渐变到突变的累进发展过程，并伴随着一定的破坏前兆。因此，加强边坡安全监控，结合监测数据的数学统计以及数值模拟计算的成果进行预测，判断边坡所处安全等级，进而提出边坡稳定状态的综合预警模型和安全管理体系，这一工作无疑具有十分重要的科学意义与工程现实意义［2］。由于边坡变形破坏具有复杂性、随机性和不确定性，想要准确地预报滑坡是非常困难的。为了对边坡的变形演化行为作出较为准确的判断，必须建立一些具有一定适用性的滑坡预报判据。根据排土场灾害事故案例的统计分析，降雨因素是导致排土场灾害的最主要因素，占到排土场灾害事故总数的65%以上［3］，在降雨与滑坡关系的研究中，很多学者致力于找出与某一区域相适应的降雨量临界值来对不同类型的灾害进行监测预警，詹良通、刘小川等人［4］研究降雨诱发土质滑坡的失稳模式和机理，对该类滑坡预警预报及防治具有重要意义；杨攀、杨军［5］在经验性降雨阈值和边坡稳定性数值分析两大类研究的基础上，考虑了降雨入渗和非饱和土性质，使用岩土有限元软件对滑坡预警降雨阈值进行了研究分析；基于FLAC3D软件的模拟功能，很多学者研究降雨入渗条件的三维边坡渗流场的变化过程，对边坡稳定性进行了分析和预测［6-7］；考虑降雨入渗对边坡稳定性影响的研究主要因素有降雨强度和降雨持续时间［8-9］，Brand［10］等人对香港地区的滑坡与降雨关系进行研究，得出小时降雨量75 mm为灾难性滑坡的临界降雨量。日本在20世纪70年代就开始研究地质灾害的预警预报，近年来，通过对降雨量的均衡试验研究，制定了由降雨引发的地质灾害的预警判据和预警系统［11］。美国进行面向公众的区域性滑坡实时预报，预报精度有的可以达到以小时衡量。美国在旧金山湾地区滑坡、泥石流的成功预报后，夏威夷州、俄勒冈州和弗吉尼亚州分别于1992、1997和2000年在滑坡、泥石流频发区建立了类似的预报模型，并进行了数次实时预报［12］。总体来说，滑坡预警判据种类较多，其中，以位移和降雨量研究较为突出，因为位移是边坡稳定状态最直观反映，且位移和降雨的量测方法相对简便，在工程实践中越来越引起重视；然而给出的指标阈值标准通常是边坡临滑状态的临界量，对降雨量与边坡稳定性分级的研究相对较少，不能很好地起到事故预防关口前移的作用。以往的判据大多通过经验给出，未见采用系统的理论方法来研究滑坡预警判据，缺乏统一的分类标准和方法，目前还处于探索阶段。

排土场灾害在线监测预警作为矿山安全管理的重要措施越来越受到重视，国家安全监管总局下发制定的《非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案》中，明确要求堆置高度200 m以上的排土场必须进行在线监测，定期进行稳定性专项分析。排土场边坡稳定性影响因素较为复杂，归纳起来主要分内外2方面因素：内在因素有排土场灾害产生的前提和基础，例如地表和内部位移的变化量；排土场外在因素只有通过内在因素才能对排土场的稳定性产生破坏作用，例如降雨地震等因素，每次排土场灾害事故都离不开外部因素的作用。在线监测离不开软件系统与硬件设备，目前国内矿山排土场通过使用GPS监测设备成功监测边坡体位移变化的典型矿山有：紫金山金铜矿排土场［13］，鞍千矿业有限责任公司排土场［14］，新疆哈密磁海铁矿排土场［15］等等。利用GPS监测技术对大型矿山排土场边坡监测，能及时提供边坡的变化动向及更详细准确的测量数据，具有高效率、高精度、可移动定位、即使气候不佳仍能保持相当的讯号穿透性等优点。

贵州省矿产资源丰富，存在较多不同类型的排土场。贵州省地质条件复杂，山区、丘陵地带比较多，岩溶现象比较普遍，地下水及降雨活动频繁。因此，贵州省的排土场安全状况堪忧，发生排土场滑坡、泥石流等灾害事故的概率较大。本项目根据贵州省锦丰矿业有限公司的排土场实际状况，结合现场监测数据和FLAC3D数值模拟技术，基于FLAC3D软件程序对位移和降雨量与排土场边坡稳定性关系进行探索性研究，给出锦丰排土场灾害预警指标的阈值划分标准，实现四级预警功能，把排土场灾害风险的控制关口前移，提高了贵州省排土场灾害风险预警管控水平，也为我国科学制定排土场灾害预警标准提供参考。

1 排土场概况

贵州锦丰矿业有限公司锦丰金矿位于黔西南州贞丰县境内，距省会城市贵阳市304 km。排土场位于露天采坑南侧的磺厂沟，排土场占地面积为67.85 ha，设计有效容积4 650×104m3，根据《有色金属矿山排土场设计规范》（ZB50421—2007），本排土场等级为一级。按照设计分7个排土台阶排放，分别为411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m台阶，其中411 m平台宽为20 m，其他平台宽度均为24 m，各平台坡度为36°（堆放安息角为36～38°）。排土方式使用运矿卡车和推土机自下而上依次排放。如图1所示，排土场最终堆积坡脚设置拦渣坝，拦渣坝下游修建有渗水池，排土场底部宽度30～40 m，纵向拦渣坝上游长约1 200 m。排土场沟底纵向地形自然坡度为3～10°，较为平缓。本地区属亚热带湿润气候，年平均温度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 排土场灾害在线监测

贵州矿山排土场灾害在线监测预警软件系统如图2所示，该系统采用B/S模式，系统的主要功能模块包括系统维护模块、用户管理模块、数据监测模块、预警管理模块、报表管理模块等。数据监测模块每半个小时要采集一次监测设备的数据信息，监测对象包括：表面位移监测（GPS）、内部位移监测（测斜仪）、孔隙水压力监测（渗压计）、土壤含水率监测（土壤含水率计）、内部土压力监测（土压力计）、降雨量监测（雨量计）、大气温度监测（温度计）、大气湿度监测（湿度计）。在软件界面中以曲线图的形式清楚展现出每一个预警指标的变化趋势。预警管理模块中当单一预警指标超过给定的阈值时，能以声音和亮灯的形式发出系统警报，红、橙、黄、蓝4种颜色来对应相应级别的报警，并以短信形式发给企业管理者。用户可根据测点选择报警等级、时间范围等进行数据查询。报表管理模块主要实现报表功能，针对监测的数据信息，选择数据的时间段，设置报表文档的格式，生成和导出报表。现场监测设备如图3所示。GPS监测的位移变化矢量如图4所示。

考虑到监测指标的变化对排土场稳定性的影响程度不同，选取的单一预警指标要能直观反应边坡稳定性变化，针对性强，易于监测，且每一个监测指标的变化值对排土场稳定性的影响都比较大，当这个指标监测值达到预警阈值时，可以作为判定排土场进行灾害预警的条件。综合历史事故案例和调研资料，选取地表位移、内部位移、降雨量3个指标作为贵州锦丰矿山排土场灾害的单一预警指标，即这3个指标中，只要有1个指标的监测值达到了预警阈值，就可对整个排土场灾害预警系统进行预警。而对于单一预警指标的预警判据研究是本项目的重点，本研究拟通过实际工程中地表及坡体内部位移监测点的位置和现场监测数据，与所建立数值模型的模拟结果进行相互验证（无降雨条件下）。利用该数值计算模型，模拟降雨量变化对排土场边坡稳定性的影响，参考相关边坡设计规范，把排土场边坡失稳风险划分为4个等级，提出四色预警机制，把排土场边坡稳定性的风险等级与预警指标的预警阈值相关联，进而得出3个单一指标（地表位移、内部位移、降雨量）影响的预警判据结果。

3 排土场灾害四色预警机制

四色预警机制的内容是指用红、橙、黄、蓝4种颜色对矿山排土场灾害风险的严重程度发出不同级别的警报，不同颜色代表了排土场灾害风险预警的级别和风险程度，其中，红色预警级别最高，代表风险最大、最严重，蓝色预警级别最低，代表风险最小、最不严重［16］。

（1）蓝色预警。蓝色预警为常态性预警，属于事前预防环节，是排土场灾害发生的一般阶段，滑坡体位移有异常变化，滑坡发生可能性一般。加强排土场的监测和巡查次数。

（2）黄色预警。黄色预警为动态性预警，属于事前控制环节，是排土场灾害发生的较重阶段，滑坡体的位移明显变化，滑坡发生可能性较大。通知监测人员查看排土场失稳的隐患点情况，采取防御措施，提醒排土场下游的居民、厂矿、学校、企事业等单位密切关注天气预报。

（3）橙色预警。橙色预警为过程性预警，属于过程控制必要环节，是排土场灾害发生的严重阶段，边坡局部的位移显著增大，滑坡发生可能性大。暂停排土场附近的户外作业，转移危险地带居民，各级领导到岗准备应急措施。视企业情况准备抢险队伍，密切注意雨情变化。根据实际情况，及时调整或提前启动红色预警。

（4）红色预警。红色预警为强制性保护预警，属于过程控制关键环节，是排土场灾害发生的特别严重阶段，滑坡体的位移急剧增大，滑坡发生可能性非常大。需采取的应急措施为无条件紧急疏散排土场附近的居民和矿山作业人员，关闭相关道路，组织人员准备抢险，加强监测，密切关注排土场临滑迹象。

通常情况下，安全系数是边坡稳定性预警中的常用判据，不同标准对边坡稳定性的安全系数要求各不相同，基于事故预防关口前移的管理理念，本研究参考了对边坡稳定性要求较高且比较详细的《水力水电工程边坡设计规范》（SL386—2007）［17］，根据边坡安全系数对边坡进行分级，如表1所示，为便于不同预警等级预警判据的研究把边坡安全系数与四色预警机制有机地结合起来，不同的安全系数对应不同的预警颜色和等级，形成的对照表如表2所示。

4 排土场灾害预警判据研究

4.1 排土场模型

如图5所示，参考锦丰矿业排土场介绍、排土场初步设计说明、排土场设计图及相关国家标准，依托FLAC3D软件构建锦丰矿山排土场假三维计算模型。模型前后及左右边界设置水平位移约束，底部设置垂直方向约束。计算过程中主要考虑自重应力作用。结合贵州省安科院实验室试验结果，此次数值模拟的排土场土体力学参数如表3所示。

4.2 无降雨条件下的边坡安全稳定性分析

根据相关设计资料，模拟并分析在仅受重力作用下现状排土场边坡体的安全稳定性情况，使用FLAC3D软件自带的强度折减计算命令流模拟现状条件下的边坡安全系数。如图6所示，根据现场监测点布设位置在FLAC3D中设置相应测点，数值计算结果表明现状下排土场最大工后变形量为1.01 cm，位于最上层土体靠近临空面位置，此时边坡安全系数为1.30，处于稳定状态，数值模拟及现场实测数据如表4所示。

依据《水力水电工程边坡设计规范》和FLAC3D中的强度折减原理，对边坡体的黏聚力和内摩擦角参数进行折减，得到边坡安全系数与相关测点位移的关系曲线（如图7所示）。模拟结果表明：①现状边坡条件下数值模拟所得位移变形量与边坡实测结果吻合度较高；②对于不同埋深的测点，位移量与测点埋深呈现反比关系；③安全系数小于1.15时测点变形幅度整体较为缓慢，当超过1.15时位移量增速明显变大。

根据图5所示，选取1-6号台阶安全平台中心位置、7号台阶计算所得位移变形最大位置作为坡体表面位移监测位置；坡体内部变形监测以计算所得滑动带边界位移数值进行标定，不设置特殊的监测点。数值模拟结果如表5所示，结果表明：随着排土场高度的增加，堆排土体的位移变形量越大，且位移变形峰值出现在排土场顶部位置；随着边坡高度上升，不同阈值下测点位移变形量变化幅度逐渐减小，表明随边坡高度增加，测点对位移量变化的敏感度呈下降趋势。

4.3 强降雨条件下的边坡稳定性分析

根据贵州锦丰排土场所在地区气象简报，该区域历年最大日暴雨量为146 mm，连续暴雨最大为200.6 mm，最大月降雨量为346.6 mm。本次模拟中涉及的降雨量是根据气象部门划分的降雨强度为准，详见表6。因此，最终降雨量设定为15 mm、30 mm、60 mm、90 mm、105 mm、120 mm、135 mm、150 mm。

如图8所示，在边坡表面位置施加渗流边界，将降雨施加于边坡表面，各监测点位移变化量如表7所示。降雨—安全系数曲线如图9所示，降雨—最大位移曲线如图10所示。

根据表2标准和数值模拟计算所得结果，可知在中到大雨情况下边坡可保持稳定状态，暴雨情况下可保持基本稳定，大暴雨情况下边坡发生明显破坏甚至直接滑坡。降雨条件下边坡安全稳定性汇总如表8所示。

5 结论

（1）针对我国典型矿山排土场进行了深入调研，分析矿山排土场灾害特点，确定排土场灾害预警指标。以贵州省锦丰矿业公司矿山排土场为例，研究矿山排土场灾害在线监测预警技术，构建排土场灾害监测预警系统，在预警指标阈值的研究中，结合风险预防关口前移的管理理念，实现排土场灾害的分级预警管理，提出基于红、橙、黄、蓝4个预警级别的预警指标的四色预警机制。

（2）在预警指标的四色预警判据研究中，把排土场边坡失稳的预警等级与边坡稳定性安全系数相结合，基于FLAC3D数值模拟技术和现场监测数据，给出了地表位移和内部位移预警指标的四色预警判据的确定方法，并应用实际监测数据验证了数值模拟模型的可靠性，进而应用此模型模拟不同降雨条件下，不同预警等级下降雨量指标对应的预警阈值，为排土场灾害预警技术的实现提供了理论保障，实现了矿山排土场在线监测预警管理。

（3）提出的在线监测技术已成功应用于贵州省部分矿山排土场，给出相应指标的监测设备及设备参数，结合预警指标的特点和企业生产实际，划分不同级别的预警标准，实现排土场灾害的实时监测和及时预警，具有一定的创新性和很强的实用性，前景广阔，有助于矿山企业提前管控排土场边坡的稳定状态，采取相应措施，有利于提升贵州省的防灾减灾技术能力，将为我国矿山排土场灾害的预防和控制方法提供借鉴。