基于空天地三維數據的尾礦庫安全監管技術研究*

王自力，王立娟，尹 恒

(1.四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610045；2.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

0 引言

尾礦庫事故在國際災害事故中位列第18位，對下游居民及設施的安全構成重大威脅[1]。我國非煤礦山安全生產科技支撐能力不足，目前尾礦庫的監管主要依靠地面調查統計，存在難度大、代價高、易形成監管盲區等問題，同時，安全監管人數不足、專業人員更為缺乏[2]；我國尾礦庫數量大、小庫多、安全基礎薄弱，近年來發生的臨汾尾礦庫潰壩和紫金尾礦庫潰壩等事故造成極為惡劣的影響；為有效遏制尾礦庫發生重特大事故，處理好日常監管與應急管理的關系，必須加強前瞻性和關鍵性項目研究。

空天地一體化對地觀測網是具發展前途的高新技術，是保障國家安全、經濟社會發展的重要基礎設施[3]。該技術發展初期，多以遙感技術為核心，協同航空、無人機、浮空器等空間技術開展應急服務[4]；近期，有學者以空天地類技術的特征及適用范圍為基礎，根據不同工程類型要求，建立組合應用模式解決項目難題[5]。遙感技術具有速度快、范圍廣、動態連續、限制小、穩定等優勢，已成為環境監測[6]、地質學[7]、現代農業[8]、城市管理[9]等領域的重要監測手段；無人機技術具有機動靈活、地面分辨率高、數據精度好和多維數據集成等特點，隨著飛行控制等技術的發展，在公路規劃[10]、礦山監測[11]、應急測繪[12]、地災調查[13]等行業的應用開始爆發性的增長；三維激光因高速度、高密度、多信息和數字化采集方式[14]，已在工程地質、工程測量、水利水電等行業發揮著重要的作用。目前對如何協同利用3類數據服務尾礦庫安全監管的研究還較為少見，其中具有代表性的是：馬國超等[15]研究表明，三維激光和無人機點云數據在有效融合后，可輔助露天采場數據生成安全規劃；賈虎軍等[16]整合高分遙感、三維激光和設計規范，劃定了尾礦庫的4條安全紅線。尾礦庫及周邊環境復雜、地形變化劇烈、植被茂密、生產設施繁雜，極易對單一技術的數據采集造成干擾，形成測量盲區。安全管理對時效性、精確度、完整性有著特殊的要求，單一技術無法解決所有問題。空天地三維數據即是1種定量、精準和高效的安全監管技術手段。

本文以鹽邊縣小水井尾礦庫為對象，研究通過遙感、無人機、三維激光獲取的空天地三維數據，采用周邊關系分析、關鍵指標檢查、防排洪驗算、穩定性分析和潰壩模擬等理論分析與數值模擬方法，支撐尾礦庫安全監管。

1 尾礦庫概況

小水井尾礦庫位于攀枝花市鹽邊縣新九鄉，下游為九道溝河，初期壩下游距G5高速公路僅約150 m，下游1 km內有多個居民聚居區(見圖1)。庫區屬于高原型亞熱帶河谷氣候，年平均降雨量為900 mm，每年6-9月為雨季，降雨量占全年的88%以上，降雨具有歷時短、強度大等特點；庫區及周邊溝谷發育，主溝坡度大，場地最高點高程1 600 m，最低點高程1 320 m，地形起伏大，場地總體西高東低；周邊區域構造復雜，褶皺斷裂發育，場地內及附近未發生過7級以上地震。

圖1 尾礦庫周邊關系Fig.1 Relation diagram of tailings pond surrounding

尾礦庫現狀總壩高90.77 m，屬于三等庫。初期壩為透水碾壓堆石壩，壩高49.00 m，軸線長155.80 m，壩頂寬4.00 m，下游坡比1∶1.75；采用上游式筑壩，每級子壩高2.50 m，壩頂寬2.00 m，下游坡比1∶4.50，堆積壩每隔10 m設置一級5.00 m寬平臺。采用斜槽+排水管泄洪，斜槽斷面為內圓拱，寬1.20 m，最大深度1.20 m；排水管采用圓形斷面，半徑為1.20 m；斜槽與排水管采用結合井連接，結合井半徑1.50 m。從堆積壩開始每隔5.00 m高差在沉積灘內距灘頂60 m平行軸線埋設φ200 mm的濾水管盲溝，并以導水管將水引至壩坡排水溝。

2 數據獲取與處理

2.1 高分遙感

選擇空間分辨率為1 m的高分二號衛星影像數據，獲取時相為2015年2月24日。影像數據的預處理過程包括輻射定標、大氣校正、正射校正、影像配準、圖像融合、影像鑲嵌及影像融合等步驟，處理后尾礦庫色調鮮明、紋理清晰，庫區壩體、尾礦區域清楚可見。而后根據高分遙感進行周邊關系和水文信息提取，形成中間資料。

2.2 無人機航測

設計航向重疊度80%，旁向重疊度75%，飛行航高860 m，囊括面積13.1 km2，布置像片控制點7個。共拍攝影像337張，像片地面分辨率為0.15 m。數據處理流程則分為3個部分：數據預處理、自動空三加密和地理信息測繪產品生產，如圖2所示，主要中間數據成果為DOM和點云數據。

圖2 無人機數據處理流程Fig.2 UAV data processing flow

2.3 三維激光掃描

根據尾礦壩特征，在保證有效測程和對象信息完整的情況下，盡量減少測站數據，以降低點云拼接誤差，最終布設掃描測站2站。原始數據經過去噪、拼接、融合、著色和漏洞修復等處理步驟，形成初步點云數據如圖3所示。采用RTK測量點云中的特征點，驗證點云高程中誤差為0.027 m。

圖3 尾礦庫點云數據及測站分布Fig.3 Point cloud data and survey station distribution

2.4 技術協同方案

采用高分遙感完成米級精度大范圍的隱患篩查，提取周邊關系及水文信息等大場景數據，以供后續防排洪驗算和潰壩模擬分析提供數據；無人機航測開展分米級別的局部詳查，處理得到DOM和點云數據，以供后續潰壩模擬和點云融合分析；三維激光掃描技術主要負責高價值高風險對象的精準核查，以高精度的三維激光點云為基礎，通過同名點和迭代最鄰近點等配準方法，將三維激光和無人機點云高效融合，形成高精度尾礦庫及周邊環境完整點云，詳細過程及精度評價見文獻[15]。融合點云數據作為防排洪驗算、潰壩模擬、穩定性分析和現狀參數的基礎。收集的尾礦庫勘察、設計說明書及國家相關規范規程等資料，可提供設計規范標準參數和巖土層的力學參數，并服務于防排洪驗算、潰壩模擬、穩定性分析和關鍵指標對比。以高分遙感、無人機航測和三維激光提供的多范圍、多層次和多精度的三維數據為基礎，進行關鍵參數對比、防排洪驗算、穩定性分析、潰壩模擬等，實現對尾礦庫的安全監管。技術協同與數據流轉示意見圖4。

圖4 空天地三維數據協同流轉示意Fig.4 Schematic diagram of Space-Air-Ground 3D data cooperative flow

3 結果與討論

3.1 周邊關系分析

尾礦庫潰壩或有毒有害物質泄漏，首先就會對下游的人民群眾、生態環境、交通設施和生產設備造成重大損失，因此，提前獲知尾礦庫周邊，特別是下游的威脅對象，能有效提高尾礦庫安全管理、風險評價、事故預警、救援措施等水平?，F階段，周邊關系提取主要基于高分遙感數據，對象為居民點、耕地、道路、水系、非煤礦山等的分布，通過對小水井尾礦庫周邊1 km范圍內重點對象的辨識，提取居民地7處、耕地2片、尾礦庫2座和道路1條，威脅對象距壩底最近的是G5京昆高速，距離為133 m，詳見圖5。

圖5 尾礦庫周邊威脅對象關系Fig.5 Relation diagram of threatened objects around tailings pond

3.2 關鍵指標檢查

尾礦庫壩體的堆存是一個連續動態過程，其生產過程涉及到岸坡清理、尾礦排放、壩體堆筑、壩面維護和質量檢測等環節，受尾砂性質、放礦參數和員工素質影響，易形成安全隱患；干灘長度是尾礦庫對地表水控制效果的直觀指標，對壩體抗洪安全性影響極大，須時刻關注其變化；壩高和庫容是確定尾礦庫級別的指標，將為后續的排洪和穩定性分析提供基準。關鍵參數提取和對比，目的在于準確掌握尾礦庫動態信息，指導尾礦庫按設計要求生產。

基于無人機和三維激光融合處理的點云數據、尾礦庫幾何結構特征，布置3條剖面進行參數提取，獲取的關鍵指標見表1和表2?？梢钥闯觯涸撐驳V庫二、三級堆積壩的段高和馬道寬度與設計值差距較大，一、二級堆積壩的馬道寬度和外坡比差距較大；堆積壩總外坡比小于設計值；其他關鍵指標與設計值或規范值基本相符。

表1 堆積壩關鍵指標對比Table 1 Embankment key indicator comparison

注：加粗表示與設計值差距較大。

表2 小水井尾礦庫關鍵指標對比Table 2 Xiaoshuij Tailing dam key indicator comparison

注：加粗表示與設計值不符。

3.3 防排洪驗算

在世界范圍內，極端暴雨是尾礦庫事故的最主要原因[17]，因此有必要對尾礦庫的防排洪能力進行驗算。在以往的計算過程中，匯水面積、地形特征和植被覆蓋等信息不易量化，導致結果很難準確預測。

本次研究利用三維激光點云獲取截排洪設施的尺寸信息，高分遙感獲取尾礦庫的匯水面積、主溝長度等水文信息(見圖6)，輔助現場調研和相關規范資料，建立防排洪驗算精準數據；防洪標準取三等庫上限，即0.20%的洪水頻率；采用推理公式計算設計頻率下的洪峰流量和一次洪水總量，計算結果見表3。防排洪驗算具體計算過程參見文獻[18]。

圖6 尾礦庫水文信息Fig.6 Tailing pond hydrological information

洪水頻率/%降雨強度i/(mm·h-1)徑流系數K洪峰流量Q/(m3·s-1)一次洪水總量/(×104 m3)0.2086.10.699.263.33

尾礦庫所需最小干灘長度70 m，最小安全超高0.7 m。根據三維模型獲知調洪水深1.5 m，調洪庫容計算見表4。采用文獻[19]中推薦傳統水力學方法計算“斜槽-排水管”的過流能力。根據水頭的變化，斜槽和排水管泄流從自由泄流、孔口泄流、半壓力流向壓力流變化，代入數據計算結果見圖7。

表4 調洪庫容計算Table 4 Calculation table of flood regulating storage

由表3和表4可知，尾礦庫具備調洪庫容(3.35×104m3)大于一次洪水總量(3.33×104m3)；排洪工程的泄流量與水深關系滿足規范[20]的要求；故該尾礦庫防排洪系統滿足相應等級要求。

圖7 泄流量與水深關系曲線Fig.7 Relation curve of discharge flow and water depth

3.4 穩定性分析

對尾礦庫進行穩定性分析，掌握尾礦壩在不同時期、工況下的穩定性狀態，若出現極限平衡或不穩定的情況，則對尾礦庫壩進行加固、削坡的措施治理，對維持尾礦安全具有重要意義；三維激光技術可以獲取高精度點云數據，從而建立高精度尾礦穩定計算二維或三維模型，最終提高計算精度。

根據尾礦庫地下水滲流場和最不穩定特征，選取1條通過堆積壩、初期壩壩底、并順沖溝延展的剖面作為計算剖面，根據收集勘查資料、規范、手冊和其他類似項目，進行地層概化，確定壩體巖土參數如表5所示。

表5 尾礦壩穩定性計算參數選取Table 5 Stability calculation parameter of tailing dam

滲流計算的水頭、潛在滲流面和零壓力點等邊界條件來源于空天地三維數據和現場調查，洪水運行設置為規范[20]要求的干灘長度最小時壩頂水位，最終正常和洪水工況下浸潤線計算結果見表6，可知浸潤線埋深大于相關規范[20]要求。特殊運行根據規范[21]設置地震峰值加速度為0.20 g，采用簡化畢肖普和瑞典圓弧等2種極限平衡法計算正常、洪水和特殊工況下尾礦穩定性，計算結果如表7所示，可知在各種工況下安全系數均大于有關規程[20]的標準，表明該尾礦庫目前仍處于安全狀態。

表6 浸潤線埋深計算結果Table 6 Phreatic line buried depth simulation results m

注：規范值源自《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)中表4.3.3。

表7 穩定性計算結果Table 7 Stability calculation results m

注：規范值來自《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)表4.4.1-2。

3.5 潰壩數值模擬

目前尾礦庫潰壩后泥石流的演進主要包括模型試驗法、經驗公式法和數值模擬法[22]，尾礦庫潰壩泥石流演進計算中假設、限定、極端條件過多，潰口大小仍多借用水庫潰口經驗公式或假設全潰，對結果產生較大影響。

本研究采用FLO-2D二項式流變模型對尾礦庫潰決后形成的泥石流災害進行數值模擬分析，將強降雨作為尾礦庫潰壩泥石流災害的主導因素，大壩破壞選擇洪流漫頂破壞模型[23]，依據遙感和無人機數據對地表類型進行分類，再根據FLO-2D說明書進行地表參數取值[24]；流量過程線依據防排洪驗算結果與《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2006)[25]進行計算；泥石流出水點根據無人機數據選擇為壩體頂部；壩體參數和流體參數來源于歷史潰壩事故、經驗手冊選取[24]，最終模擬結果如圖8所示。

圖8 潰壩模擬結果示意Fig.8 Schematic diagram of dam break simulation results

數值計算結果顯示，流體最大過流厚度普遍在0～2 m范圍之間，約占整個模擬災害沖積區的90%；最大過流沖積厚度在3 m以上的區域僅占整個沖積區的10%，其中，最高泥深沖積厚度為6.9 m。僅有1棟居民建筑物邊緣部分受到波及；下游耕地和河道為主要受災對象，約90畝耕地被掩埋，約600 m河道被淤埋；流域溝口處的高速公路橋墩也會受到模擬災害流體的直接沖擊破壞，高速路存在中斷風險。鑒于潰壩破壞力巨大，建議加強尾礦庫安全監管、增加高速公路橋墩抗沖擊能力、設計影響居民的避災路線和編制事故應急救援方案，保障居民安全和社會穩定。

4 結論

1)高分遙感、無人機、三維激光等高新技術的發展為尾礦庫安全監管提供了高效、全面、高精度、多層次的數據獲取手段，有助于相關部門和企業加強尾礦庫的日常安全管理。

2)采用空天地一體化監測體系，彌補了單一技術的固有缺陷，形成的尾礦庫全方位、立體、可視化監測，建立的三維數據協同流轉模式，解決了宏觀與微觀數據的有效整合利用的問題。

3)基于三維數據，對尾礦庫安全事故最主要的關鍵指標、防排洪能力和穩定性等因素進行了分析，提供了尾礦庫定量風險評價的參數，通過潰壩數值模擬，計算了極端工況下尾礦庫泥石流可能的影響范圍，為尾礦庫運營方和政府管理部門提供了決策依據，促進建立尾礦壩監測-預警-避災-救援工作體系。

4)影響尾礦庫安全因素非常多，不同因素具有強制性、隨機性、概率性和模糊性等特征，同時各因素間還相互影響，增加了安全監測的難度。因此，下一步研究中，將重點對各因素的層次、權重、概率進行研究，探討空天地技術在不同層次的安全監測應用，進一步支撐我國應急管理事業。