基于SINMAP模型的尾礦庫降雨型滑坡災害研究*

朱遠樂，王 濤，孫 昱, 4

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基于SINMAP模型的尾礦庫降雨型滑坡災害研究*

朱遠樂1, 2，王 濤3，孫 昱3, 4

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；3.武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢 430072；4.湖北省天門市水利局，湖北 天門市 431700)

尾礦庫滑坡地質災害的發生受內外動力作用的綜合影響，根據研究區域1:1000地形圖生成DEM柵格圖件，利用GIS軟件將影響尾礦庫地質災害的8種影響因子量化后得出各自的柵格等級分布圖，依據層次分析法得到各自然影響因子的權重值，運用GIS強大的分析功能構建研究區域內尾礦庫滑坡預測易發性評價柵格圖，然后根據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技術得到的滑坡災害等級分布圖進行集成，得到研究區域地表穩定性指數分布圖，為尾礦庫滑坡防災減災提供技術支撐。

GIS；SINMAP；尾礦庫；降雨；滑坡

0 引 言

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發生高頻區域，近年來尾礦庫災害造成的損失相當嚴重，其中尾礦庫滑坡、潰壩在尾礦庫病害事故中起著至關重要的作用。楊麗紅[1]等通過辨識國內外尾礦庫潰壩事故主要危險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險評判模型，并應應于評估尾礦庫運行期的安全等級；陳星[3]等利用數值模擬的方法開展了尾礦庫潰壩對下游的淹沒和撞擊的研究；林玉山[4]等總結了尾礦庫工程的特點，系統分析了尾礦庫建設及運行中地質災害的主要類型、致災因素及其危害性；鄒智斌[5]通過傳統地質調查和監測手段對江西省七寶山鉛鋅礦尾礦庫地質災害危險性進行了評估；李海港[6]等通過總結尾礦庫事故資料，深入分析了尾礦庫事故和降雨持續時間、強度之間的相互關系。

目前將滑坡災害與GIS技術相結合解決工程實際問題屬于交叉學科研究中的熱點內容，能夠較好的解決工程問題，許沖[7]等將GIS技術與確定性系數分析方法、層次分析法相結合對汶川地震滑坡易發性進行了評價；朱良峰[8]等利用GIS系統開發出了區域地質災害分析系統，對全國范圍內的滑坡災害進行了危險性分析，康超[9]等基于DEM分布模型評價了SINMAP模型在黃土地區對淺層滑動穩定性分析的適用性和可靠性，武利[10]利用SINMAP模型對陜西省略陽縣區域性滑坡危險性進行了評估，并驗證了模型的準確性。

GIS具有較強的空間數據庫功能以及強大的空間分析能力，因此將GIS技術引入尾礦庫滑坡致災體研究領域中能夠很好地解決尾礦庫庫區范圍內滑坡的時空系列分析、滑坡野外編錄、引起滑坡的靜態環境因素等之間的空間相關分析，同時SINMAP模型能夠較好地將降雨這一影響滑坡的動態因子考慮進來。結合尾礦庫工程實例，將GIS技術和SINMAP模型引入小區域的研究區域中分析尾礦庫的滑坡地質災害。

1 工程概況

以云南某化工公司所屬尾礦庫庫區作為研究單元，研究區域包括一號、二號水池壩，一號、二號初期壩，堆渣庫區，水池庫區以及兩岸山體，研究區域面積為2.30 km2，利用GIS技術分析該區域內的滑坡地質災害。

該尾礦庫總共有2座初期壩，均為透水堆石壩，一號初期壩設計底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長120 m，壩高30 m；二號初期壩設計底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長80 m，壩高28 m(見圖1)。最上游為2號初期壩，中間為1號初期壩，下游設有2座水池壩。尾礦庫堆積高70 m，總庫容957.99萬m3，為三等庫。一號水池壩設計底寬30 m，壩頂寬5 m，壩長120 m，壩高28 m；二號水池壩設底寬15 m，壩頂寬4 m，壩長30 m，壩高28 m。結合該尾礦庫自身特點以及研究區域內的實際情況，滑坡災害為研究區域內的主要地質災害。將研究區域的DEM和數字正射影像圖進行疊加，產生三維地形的可視化，通過可視化地形圖有助于判斷研究區域內的滑坡災害影響因子。

圖1 庫區工程布置

2 SINMAP模型

Packetal等[11]開發出一種用于計算斜坡穩定性的模型(SINMAP模型)，在數值計算過程中，假定土體厚度薄且為不透水層。SINMAP模型理論依據為大范圍斜坡穩定性模型，該模型基于常規狀態下水文模型獲得的地形濕度指數、研究范圍內有效的匯水面積以及通過柵格DEM提取的坡度參數等，同時通過GIS軟件處理的各種專題圖件、野外地質調查資料，運用GIS平臺，構建研究區域定量分析模型，獲取地表滑坡穩定性等級分布，從而進行區域內滑坡穩定性分析和評價。

在構建SINMAP模型過程中，滑坡穩定性安全系數為淺層土體的抗滑力和滑動力的比值，與傳統意義上的滑坡穩定性安全系數概念類似，尾礦庫滑坡穩定性指數為滑坡穩定性系數()根據概率統計的方法獲得的尾礦庫滑坡在一定隨機分布參數區間內滑坡體能夠保持穩定(＞1)的可能性，即：

表1 穩定性分級

圖2為滑坡穩定性指數圖解圖，將研究區域分為飽和、可能飽和、非飽和3個區域，明確了滑坡飽和分界線。通過飽和區域的劃分在模型內部構建了尾礦庫降雨型滑坡在不同的穩定性指數值時的滑坡體坡降比與區域內比集水面積的相互關系[12]。

圖2 穩定性指數圖解

3 尾礦庫降雨型滑坡應用分析

結合研究區域內地質、地形與現場地質調查的資料，綜合考慮尾礦庫的自身特點去進行地質災害影響因子的選擇。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、壩體影響等。

根據研究區域1:1000地形圖生成DEM柵格圖件，利用GIS軟件得到影響尾礦庫地質災害的8種影響因子的柵格等級分布圖，依據層次分析法得到各靜態影響因子的權重值，運用GIS軟件空間分析模塊對各研究區域各統計單元進行影響因子加權疊加，構建研究區域內尾礦庫滑坡預測易發性評價柵格圖，得到自然條件下研究區域的滑坡災害等級分布(見圖3)。

由于尾礦庫的特殊性降雨將是一種極其重要的動態因素，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程中產生的動水壓力直接影響著尾礦庫地質災害中的滑坡、泥石流等。

圖3 研究區域災害等級分布

尾礦庫滑坡地質災害的發生受內外動力作用的綜合影響，根據已有的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技術得到的滑坡災害等級分布圖進行耦合。

在實驗室內對研究區域內取得的58個原狀試驗樣品進行土工試驗，得到巖土體的相關物理參數，同時考慮庫區附近內的相關勘察資料，對SINMAP模型選取表2所示的巖土體參數。

依據該尾礦庫的實際特點以及研究區域各柵格點計算出的值的不同，將研究區域依照表1劃分為6個等級。一、二、三級為穩定區，正常情況下(無外加不穩定因素)，對應的研究區域滑坡穩定性情況較好；第六等級為極不穩定區(Fmax＜l)，對應的研究區域滑坡穩定性情況較差，屬于重點治理和監控區域；第四、五等級均存在不穩定的可能(Fmin＜1，Fmax＞1)，其中第四等級對應的研究區域為滑坡不穩定性概率小于50%的地區，第五等級對應的研究區域為滑坡不穩定性概率大于50%的地區，該區域內亦屬重點治理和監控區域[13]。

表2 模型選取的參數值

在研究區域現場選取了7個尾礦庫滑坡災害控制點(4個為滑坡點，3個為非滑坡點)用于驗證模型計算的準確性。在SINMAP模型中輸入參數后模擬得到的結果如圖4所示，結果表明，不穩定到極不穩定的面積為0.85 km2，占研究區域總面積的36.9%，4個滑坡控制點全部位于該區域內，占總滑坡數的100%，尾礦庫滑坡密度為1.74個/km2；極穩定到基本穩定的面積為1.45 km2，占總面積的63.1%，3個非滑坡控制點均位于該區域內，這從側面反映了此次模擬的結果是可信的。同時根據區域滑坡發育程度分級指標[12]，可以判斷出該區域尾礦庫滑坡屬于滑坡強烈發育區(滑坡密度1.74個/km2＞0.2個/km2)，應加強監測與治理。

圖4 坡度面積圖表

對比通過對SINMAP模型、基于DEM的水文分布模型以及自然條件下基于GIS技術得到的滑坡災害等級圖的集成，得到了研究區域內的土壤飽和指數分布圖(圖5)以及研究區域內地表滑坡穩定性指數分布圖(圖6)。

圖5 土壤飽和指數分布

(1) 滑坡極度易發區與區域內土壤飽和區對應良好，同時滑坡極度易發區與自然條件下基于GIS技術得到的滑坡災害等級分布圖中的滑坡極高易發區基本一致，說明影響此區域的尾礦庫滑坡安全性的除了靜態因子外，降雨對該區域也有一定程度的影響，所以無論是在靜態還是動態條件下，這一區域發生地質災害的可能性都較大；

(2) 滑坡強烈發育區主要發生在一號初期壩附近和一號初期壩與二號水池壩附近，在尾礦庫右岸部分區域位于滑坡強烈發育區，但是這些區域離尾礦庫區有一點距離，故在這些區域發生滑坡對尾礦庫影響不大；

圖6 尾礦庫地表穩定性指數分布

(3) 一號初期壩附近沿著壩軸線分布有一條滑坡強烈發育區，故在進行尾礦壩設計時應特別注意校核其壩體的穩定性。

為了分析研究區域在不同降雨強度下的尾礦庫滑坡等級，在參數不變的條件下，通過改變降雨參數的上限值(2000~3000)進行模擬分析，分析結果見圖7。

圖7 不同降雨參數下各個穩定性等級所占面積

當的上限值為3000、2000時，各穩定性等級中所占區域面積發生了明顯的變化，說明SINMAP模型在研究區域內較為靈敏，該區域屬于降雨型滑坡區域。

4 結 論

(1) 通過對尾礦庫滑坡地質災害發生的成災環境、發生現狀以及發生規律分析，得出了影響尾礦庫滑坡地質災害的8種靜態因子和降雨這一動態因子；

(2) 依據層次分析法得到各自然影響因子的權重值，運用GIS強大的分析功能構建了研究區域內尾礦庫滑坡預測易發性評價柵格圖；

(3) 利用SINMAP模型，在降雨條件下得到了研究區域尾礦庫地表穩定性指數分布圖，研究區域尾礦庫滑坡屬于滑坡強烈發育區，同時亦屬于降雨型滑坡區域；

(4) 滑坡強烈發育區主要發生在一號初期壩附近、一號初期壩與二號水池壩附近，此外尾礦庫右岸一些區域也位于滑坡強烈發育區，同時一號初期壩附近沿著壩軸線分布有一條滑坡強烈發育區，故在進行下一步尾礦壩設計時應特別注意校核其壩體的穩定性。

[1] 楊麗紅,李全明,程五一,等.國內外尾礦壩事故主要危險因素的分析研究[J].中國安全生產科學技術,2008,4(5):28?31.

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[5] 鄒智斌.江西省七寶山鉛鋅礦尾礦庫地質災害危險性評估研究[D].贛州:江西理工大學,2010.

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[11] PACK R T, TARBOTON D G, GOODWIN C N. The SINMAP approach to terrain stability mapping[C]//8th Congress of the International Association of Engineering Geology, Vancouver: International Association of Engineering Geology, 1998: 51?59.

[12] 康 超.確定性模型在黃土溝壑區斜坡穩定性預測中的應用[D].蘭州:蘭州大學,2010.

[13] 朱遠樂.基于GIS的尾礦庫地質災害危險性分析[D].武漢:武漢大學,2012.

湖南省重大科技專項項目(2011FJ1003)；國家安全生產監督管理總局安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(hunan-0010-2014AQ).

(2018?08?08)

朱遠樂(1987—)，男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事尾礦庫安全技術的設計、評價、論證等研究工作，Email：717732515@qq.com。