朱遠(yuǎn)樂(lè)，王 濤，孫 昱, 4

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基于SINMAP模型的尾礦庫(kù)降雨型滑坡災(zāi)害研究*

朱遠(yuǎn)樂(lè)1, 2，王 濤3，孫 昱3, 4

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；4.湖北省天門(mén)市水利局，湖北 天門(mén)市 431700)

尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受內(nèi)外動(dòng)力作用的綜合影響，根據(jù)研究區(qū)域1:1000地形圖生成DEM柵格圖件，利用GIS軟件將影響尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害的8種影響因子量化后得出各自的柵格等級(jí)分布圖，依據(jù)層次分析法得到各自然影響因子的權(quán)重值，運(yùn)用GIS強(qiáng)大的分析功能構(gòu)建研究區(qū)域內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡預(yù)測(cè)易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖，然后根據(jù)SINMAP模型考慮降雨條件，將其與基于DEM的水文分布模型以及自然條件下基于GIS技術(shù)得到的滑坡災(zāi)害等級(jí)分布圖進(jìn)行集成，得到研究區(qū)域地表穩(wěn)定性指數(shù)分布圖，為尾礦庫(kù)滑坡防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

GIS；SINMAP；尾礦庫(kù)；降雨；滑坡

0 引 言

尾礦庫(kù)作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域，近年來(lái)尾礦庫(kù)災(zāi)害造成的損失相當(dāng)嚴(yán)重，其中尾礦庫(kù)滑坡、潰壩在尾礦庫(kù)病害事故中起著至關(guān)重要的作用。楊麗紅[1]等通過(guò)辨識(shí)國(guó)內(nèi)外尾礦庫(kù)潰壩事故主要危險(xiǎn)因素提出了降低潰壩概率及減少潰壩損失的措施；李全民[2]等基于尾礦壩的潰壩模式和潰壩路徑建立了尾礦壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判模型，并應(yīng)應(yīng)于評(píng)估尾礦庫(kù)運(yùn)行期的安全等級(jí)；陳星[3]等利用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游的淹沒(méi)和撞擊的研究；林玉山[4]等總結(jié)了尾礦庫(kù)工程的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了尾礦庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行中地質(zhì)災(zāi)害的主要類型、致災(zāi)因素及其危害性；鄒智斌[5]通過(guò)傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)手段對(duì)江西省七寶山鉛鋅礦尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估；李海港[6]等通過(guò)總結(jié)尾礦庫(kù)事故資料，深入分析了尾礦庫(kù)事故和降雨持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度之間的相互關(guān)系。

目前將滑坡災(zāi)害與GIS技術(shù)相結(jié)合解決工程實(shí)際問(wèn)題屬于交叉學(xué)科研究中的熱點(diǎn)內(nèi)容，能夠較好的解決工程問(wèn)題，許沖[7]等將GIS技術(shù)與確定性系數(shù)分析方法、層次分析法相結(jié)合對(duì)汶川地震滑坡易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；朱良峰[8]等利用GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害分析系統(tǒng)，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性分析，康超[9]等基于DEM分布模型評(píng)價(jià)了SINMAP模型在黃土地區(qū)對(duì)淺層滑動(dòng)穩(wěn)定性分析的適用性和可靠性，武利[10]利用SINMAP模型對(duì)陜西省略陽(yáng)縣區(qū)域性滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

GIS具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及強(qiáng)大的空間分析能力，因此將GIS技術(shù)引入尾礦庫(kù)滑坡致災(zāi)體研究領(lǐng)域中能夠很好地解決尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)滑坡的時(shí)空系列分析、滑坡野外編錄、引起滑坡的靜態(tài)環(huán)境因素等之間的空間相關(guān)分析，同時(shí)SINMAP模型能夠較好地將降雨這一影響滑坡的動(dòng)態(tài)因子考慮進(jìn)來(lái)。結(jié)合尾礦庫(kù)工程實(shí)例，將GIS技術(shù)和SINMAP模型引入小區(qū)域的研究區(qū)域中分析尾礦庫(kù)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

1 工程概況

以云南某化工公司所屬尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)作為研究單元，研究區(qū)域包括一號(hào)、二號(hào)水池壩，一號(hào)、二號(hào)初期壩，堆渣庫(kù)區(qū)，水池庫(kù)區(qū)以及兩岸山體，研究區(qū)域面積為2.30 km2，利用GIS技術(shù)分析該區(qū)域內(nèi)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

該尾礦庫(kù)總共有2座初期壩，均為透水堆石壩，一號(hào)初期壩設(shè)計(jì)底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長(zhǎng)120 m，壩高30 m；二號(hào)初期壩設(shè)計(jì)底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長(zhǎng)80 m，壩高28 m(見(jiàn)圖1)。最上游為2號(hào)初期壩，中間為1號(hào)初期壩，下游設(shè)有2座水池壩。尾礦庫(kù)堆積高70 m，總庫(kù)容957.99萬(wàn)m3，為三等庫(kù)。一號(hào)水池壩設(shè)計(jì)底寬30 m，壩頂寬5 m，壩長(zhǎng)120 m，壩高28 m；二號(hào)水池壩設(shè)底寬15 m，壩頂寬4 m，壩長(zhǎng)30 m，壩高28 m。結(jié)合該尾礦庫(kù)自身特點(diǎn)以及研究區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況，滑坡災(zāi)害為研究區(qū)域內(nèi)的主要地質(zhì)災(zāi)害。將研究區(qū)域的DEM和數(shù)字正射影像圖進(jìn)行疊加，產(chǎn)生三維地形的可視化，通過(guò)可視化地形圖有助于判斷研究區(qū)域內(nèi)的滑坡災(zāi)害影響因子。

圖1 庫(kù)區(qū)工程布置

2 SINMAP模型

Packetal等[11]開(kāi)發(fā)出一種用于計(jì)算斜坡穩(wěn)定性的模型(SINMAP模型)，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，假定土體厚度薄且為不透水層。SINMAP模型理論依據(jù)為大范圍斜坡穩(wěn)定性模型，該模型基于常規(guī)狀態(tài)下水文模型獲得的地形濕度指數(shù)、研究范圍內(nèi)有效的匯水面積以及通過(guò)柵格DEM提取的坡度參數(shù)等，同時(shí)通過(guò)GIS軟件處理的各種專題圖件、野外地質(zhì)調(diào)查資料，運(yùn)用GIS平臺(tái)，構(gòu)建研究區(qū)域定量分析模型，獲取地表滑坡穩(wěn)定性等級(jí)分布，從而進(jìn)行區(qū)域內(nèi)滑坡穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。

在構(gòu)建SINMAP模型過(guò)程中，滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為淺層土體的抗滑力和滑動(dòng)力的比值，與傳統(tǒng)意義上的滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù)概念類似，尾礦庫(kù)滑坡穩(wěn)定性指數(shù)為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)()根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的方法獲得的尾礦庫(kù)滑坡在一定隨機(jī)分布參數(shù)區(qū)間內(nèi)滑坡體能夠保持穩(wěn)定(＞1)的可能性，即：

表1 穩(wěn)定性分級(jí)

圖2為滑坡穩(wěn)定性指數(shù)圖解圖，將研究區(qū)域分為飽和、可能飽和、非飽和3個(gè)區(qū)域，明確了滑坡飽和分界線。通過(guò)飽和區(qū)域的劃分在模型內(nèi)部構(gòu)建了尾礦庫(kù)降雨型滑坡在不同的穩(wěn)定性指數(shù)值時(shí)的滑坡體坡降比與區(qū)域內(nèi)比集水面積的相互關(guān)系[12]。

圖2 穩(wěn)定性指數(shù)圖解

3 尾礦庫(kù)降雨型滑坡應(yīng)用分析

結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、地形與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的資料，綜合考慮尾礦庫(kù)的自身特點(diǎn)去進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害影響因子的選擇。自然影響因子包括：地形坡度、高程、坡向、地層巖性、植被、滲透率；人為影響因子包括：人類活動(dòng)、壩體影響等。

根據(jù)研究區(qū)域1:1000地形圖生成DEM柵格圖件，利用GIS軟件得到影響尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害的8種影響因子的柵格等級(jí)分布圖，依據(jù)層次分析法得到各靜態(tài)影響因子的權(quán)重值，運(yùn)用GIS軟件空間分析模塊對(duì)各研究區(qū)域各統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行影響因子加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)域內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡預(yù)測(cè)易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖，得到自然條件下研究區(qū)域的滑坡災(zāi)害等級(jí)分布(見(jiàn)圖3)。

由于尾礦庫(kù)的特殊性降雨將是一種極其重要的動(dòng)態(tài)因素，降雨引起的地下水的不同分布，所造成的靜水壓力及地下水滲流過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)水壓力直接影響著尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害中的滑坡、泥石流等。

圖3 研究區(qū)域?yàn)?zāi)害等級(jí)分布

尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受內(nèi)外動(dòng)力作用的綜合影響，根據(jù)已有的SINMAP模型，將其與基于DEM的水文分布模型以及自然條件下基于GIS技術(shù)得到的滑坡災(zāi)害等級(jí)分布圖進(jìn)行耦合。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)取得的58個(gè)原狀試驗(yàn)樣品進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到巖土體的相關(guān)物理參數(shù)，同時(shí)考慮庫(kù)區(qū)附近內(nèi)的相關(guān)勘察資料，對(duì)SINMAP模型選取表2所示的巖土體參數(shù)。

依據(jù)該尾礦庫(kù)的實(shí)際特點(diǎn)以及研究區(qū)域各柵格點(diǎn)計(jì)算出的值的不同，將研究區(qū)域依照表1劃分為6個(gè)等級(jí)。一、二、三級(jí)為穩(wěn)定區(qū)，正常情況下(無(wú)外加不穩(wěn)定因素)，對(duì)應(yīng)的研究區(qū)域滑坡穩(wěn)定性情況較好；第六等級(jí)為極不穩(wěn)定區(qū)(Fmax＜l)，對(duì)應(yīng)的研究區(qū)域滑坡穩(wěn)定性情況較差，屬于重點(diǎn)治理和監(jiān)控區(qū)域；第四、五等級(jí)均存在不穩(wěn)定的可能(Fmin＜1，Fmax＞1)，其中第四等級(jí)對(duì)應(yīng)的研究區(qū)域?yàn)榛虏环€(wěn)定性概率小于50%的地區(qū)，第五等級(jí)對(duì)應(yīng)的研究區(qū)域?yàn)榛虏环€(wěn)定性概率大于50%的地區(qū)，該區(qū)域內(nèi)亦屬重點(diǎn)治理和監(jiān)控區(qū)域[13]。

表2 模型選取的參數(shù)值

在研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)選取了7個(gè)尾礦庫(kù)滑坡災(zāi)害控制點(diǎn)(4個(gè)為滑坡點(diǎn)，3個(gè)為非滑坡點(diǎn))用于驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。在SINMAP模型中輸入?yún)?shù)后模擬得到的結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明，不穩(wěn)定到極不穩(wěn)定的面積為0.85 km2，占研究區(qū)域總面積的36.9%，4個(gè)滑坡控制點(diǎn)全部位于該區(qū)域內(nèi)，占總滑坡數(shù)的100%，尾礦庫(kù)滑坡密度為1.74個(gè)/km2；極穩(wěn)定到基本穩(wěn)定的面積為1.45 km2，占總面積的63.1%，3個(gè)非滑坡控制點(diǎn)均位于該區(qū)域內(nèi)，這從側(cè)面反映了此次模擬的結(jié)果是可信的。同時(shí)根據(jù)區(qū)域滑坡發(fā)育程度分級(jí)指標(biāo)[12]，可以判斷出該區(qū)域尾礦庫(kù)滑坡屬于滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)(滑坡密度1.74個(gè)/km2＞0.2個(gè)/km2)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與治理。

圖4 坡度面積圖表

對(duì)比通過(guò)對(duì)SINMAP模型、基于DEM的水文分布模型以及自然條件下基于GIS技術(shù)得到的滑坡災(zāi)害等級(jí)圖的集成，得到了研究區(qū)域內(nèi)的土壤飽和指數(shù)分布圖(圖5)以及研究區(qū)域內(nèi)地表滑坡穩(wěn)定性指數(shù)分布圖(圖6)。

圖5 土壤飽和指數(shù)分布

(1) 滑坡極度易發(fā)區(qū)與區(qū)域內(nèi)土壤飽和區(qū)對(duì)應(yīng)良好，同時(shí)滑坡極度易發(fā)區(qū)與自然條件下基于GIS技術(shù)得到的滑坡災(zāi)害等級(jí)分布圖中的滑坡極高易發(fā)區(qū)基本一致，說(shuō)明影響此區(qū)域的尾礦庫(kù)滑坡安全性的除了靜態(tài)因子外，降雨對(duì)該區(qū)域也有一定程度的影響，所以無(wú)論是在靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)條件下，這一區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性都較大；

(2) 滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)主要發(fā)生在一號(hào)初期壩附近和一號(hào)初期壩與二號(hào)水池壩附近，在尾礦庫(kù)右岸部分區(qū)域位于滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，但是這些區(qū)域離尾礦庫(kù)區(qū)有一點(diǎn)距離，故在這些區(qū)域發(fā)生滑坡對(duì)尾礦庫(kù)影響不大；

圖6 尾礦庫(kù)地表穩(wěn)定性指數(shù)分布

(3) 一號(hào)初期壩附近沿著壩軸線分布有一條滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，故在進(jìn)行尾礦壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意校核其壩體的穩(wěn)定性。

為了分析研究區(qū)域在不同降雨強(qiáng)度下的尾礦庫(kù)滑坡等級(jí)，在參數(shù)不變的條件下，通過(guò)改變降雨參數(shù)的上限值(2000~3000)進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同降雨參數(shù)下各個(gè)穩(wěn)定性等級(jí)所占面積

當(dāng)?shù)纳舷拗禐?000、2000時(shí)，各穩(wěn)定性等級(jí)中所占區(qū)域面積發(fā)生了明顯的變化，說(shuō)明SINMAP模型在研究區(qū)域內(nèi)較為靈敏，該區(qū)域?qū)儆诮涤晷突聟^(qū)域。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的成災(zāi)環(huán)境、發(fā)生現(xiàn)狀以及發(fā)生規(guī)律分析，得出了影響尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的8種靜態(tài)因子和降雨這一動(dòng)態(tài)因子；

(2) 依據(jù)層次分析法得到各自然影響因子的權(quán)重值，運(yùn)用GIS強(qiáng)大的分析功能構(gòu)建了研究區(qū)域內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡預(yù)測(cè)易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖；

(3) 利用SINMAP模型，在降雨條件下得到了研究區(qū)域尾礦庫(kù)地表穩(wěn)定性指數(shù)分布圖，研究區(qū)域尾礦庫(kù)滑坡屬于滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，同時(shí)亦屬于降雨型滑坡區(qū)域；

(4) 滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)主要發(fā)生在一號(hào)初期壩附近、一號(hào)初期壩與二號(hào)水池壩附近，此外尾礦庫(kù)右岸一些區(qū)域也位于滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，同時(shí)一號(hào)初期壩附近沿著壩軸線分布有一條滑坡強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，故在進(jìn)行下一步尾礦壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意校核其壩體的穩(wěn)定性。

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湖南省重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2011FJ1003)；國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(hunan-0010-2014AQ).

(2018?08?08)

朱遠(yuǎn)樂(lè)(1987—)，男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事尾礦庫(kù)安全技術(shù)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、論證等研究工作，Email：717732515@qq.com。