基于三維激光掃描的尾礦庫變化監測及穩定性分析

穆梟寒, 吳彩燕,2,3, 易柏成, 廖 軍

(1.西南科技大學環境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 2.國家遙感中心綿陽科技城分部, 四川 綿陽 621010;3.西南科大四川天府新區創新研究院, 四川 成都 610299; 4.四川安信科技有限公司, 四川 成都 610041)

1 前言

礦產資源是中國重要的國家戰略性資源,在我國經濟社會建設高速發展的過程中發揮著很大作用,比如釩鈦磁鐵礦、稀有金屬礦等。尾礦庫是整個礦產資源開發的過程中的組成部分,也是重要的一環[1]。尾礦庫通常是在利用筑壩法攔截谷口以及周圍地產生的,用來對堆貯金和非金屬礦山進行礦物選別,并清除尾礦和其他工業廢棄物的主要場所。尾礦庫具有較強的能量釋放能力,但也是一個潛在的泥石流威脅源,如果施工管理不當,就有可能導致潰壩災害的發生,而一旦發生潰壩事故,將會帶來極其嚴重的后果[2]。三維激光掃描技術是GPS發展之后測量行業的一場科技變革,因為它的無接觸式、快捷性、測量的高密度性、穿透力等優勢,三維激光掃描技術有著實景復制技術的美稱。三維激光掃描技術在使用過程中無需實體接觸,適應了各種各樣復雜的環境[3]。因此利用該技術的優點,應用于尾礦庫的安全監測和穩定性分析,對礦山的安全、可持續生產有著重要的現實意義[4]。

隨著國家的快速經濟增長,必須滿足日益增長的對自然資源的需求。但是,在這個過程中,必須承擔巨額的工作、生活成本,這與現在強調的礦業的可持續性相悖。因此不少的尾礦庫面臨著堆排速率和筑壩速率增加,庫容量大的現狀[5]。研究表明,灘面表層的礫石類型以及它們的凝膠化作用對河床的穩定性有重大的影響。當灘面中的礫石的流動速度提升時,它們的凝膠化作用也會提升,這會對壩體的穩定性產生負面的影響。此外,灘面中礫石的凝膠化作用會對壩體的穩定性產生負面的影響,例如,當灘面中礫石的流動速度提升時,它們的凝膠化作用會減弱,這會對壩體的穩定性產生負面的影響,這樣會導致尾礦壩的不穩定[8-14]。尾礦庫壩體的穩定性分析可以理解為一個斜坡的穩定性分析,目前定性、定量和非確定性分析法是斜坡穩定性分析的主要方法[15]。其中定性分析方法無法顧及考慮變形和變形能力之間的關系,也沒有考慮應力和強度之間的關系,因此很少被使用[16];而非確定性分析方法在工程實例的問題中難以運用,因為在使用此方法的過程中需要統計大量因子,并要求各因子的賦值比較精確[17];定量分析方法中被廣泛使用的是以數學和力學為基礎的極限平衡法,包括了簡化畢肖普法、瑞典圓弧法和Morgenstern-Price法等[18-19]。瑞典條分法不考慮土條之間的相互作用力,不滿足每一土條的力及力矩平衡條件,僅滿足整體力矩平衡條件,計算中運用了土條的法向靜力平衡條件、庫侖強度理論、整體對滑弧圓心的力矩平衡。簡化的畢肖普法在公式推導過程中使用了豎向力平衡的原理和力矩平衡原理,但公式推導后,又忽略豎向力,這是畢肖普法與瑞典條分法最本質的區別。Morgenstern-price法給出了條間合力的作用位置,但改變條間合力的作用方向以求得最佳解[20-22]。

據收集的設計等資料,萬年溝尾礦庫最終堆積標高1 720 m,總壩高325 m,總庫容3.26億m3,屬壩體高、總庫容大的尾礦庫。目前尾礦庫堆積壩高1 589.09 m,總壩高185.09 m,目前屬二等庫。

2 工程概況

1) 地形地貌

庫區屬中高山切割構造剝蝕地貌單元,整個呈“V”字形西高東低態勢,溝底縱坡坡度10°～30°,兩側斜坡坡度25°～45°。位于庫區的地貌呈現出一種類似蒲扇的狀態,東部的壩基處的溝壑較淺,但長度超過1 km,而從北到南,5條自然溝道構筑了一個巨大的扇狀結構,這里就是一個巨型的尾礦庫。

2) 地質構造

據收集的相關資料,區內斷裂構造以北東向、南北向兩組為主,地質構造比較簡單,斷裂較少,節理裂隙不發育,且較均勻,屬剝蝕穩定區;區內無不良地質現象,絕大部分地層屬弱透水-微透水性。

3) 地層巖性

根據收集的信息,該區域的地層從上到下依次是第四紀殘坡積粉質黏土、第四紀沖洪積漂卵石夾砂和震旦系寶山組千枚巖。這些巖石屬于中度變質巖和軟質巖。

4) 水文地質

庫區屬裂隙充水水文地質條件簡單類型,主要為大氣降水、次為溪溝水及構造裂隙、風化裂隙水。上層滯水:雨季時有短暫的上層滯水,孔隙潛水:主要賦存于第四系沖、洪積層中,其中含漂礫卵石、漂石、細砂層中水量較大,地下水還包含熔巖水、基巖裂隙水等。地形對于排出地表水和地下水都非常有利。

5) 氣象水文

根據氣象站的數據,該地區屬于亞熱帶氣候區。根據1956—2001年的統計數據,該地區的年平均降水量為1 104.0 mm,其中5～10月份是雨季,這段時間內會出現大暴雨,占全年降水量的94.4%。此外,該地區的日平均降水量為8.24 mm。本月的降水量最多可達514.99 mm,而月平均降水量則達到91.5 mm。日最大降雨量為136.1 mm,日平均降雨量為3.0 mm。

3 尾礦庫安全監測

3.1 無人機數據獲取與處理

萬年溝尾礦庫是四川省最大的尾礦庫,由于萬年溝尾礦庫的庫區面積較大,采用V100飛馬無人機進行數據采集。V100飛馬無人機續航能力強,傳感器模塊均采用多路冗余設計,憑借著其簡單易用和高效可靠的優點適用于多種場景。本次采用的V100飛馬無人機相關參數見表1。

表1 機件參數

經過2022年12月的實地考察,完成了2架次的飛行,飛行面積達到了23.758 km2。為了確保飛行的準確性,在尾礦庫庫區設置了像控點(GCP),并使用Pix4Dmapper對其進行了坐標校正。并結合2021年1月的飛行數據,最終得到了尾礦庫的數字正射影像,具體如圖1所示。

圖1 萬年溝尾礦庫DOM與DEM

3.2 參數提取及數據對比

基于三維激光點云數據,由于尾礦庫庫區面積大,堆積壩高,本次參數提取共布置了三條平行的提取壩體關鍵參數信息的剖面,并獲取現狀最小干灘長度測量數據,得到尾礦庫壩體各項關鍵參數,剖面布置如圖2所示。

圖2 壩體關鍵參數提取剖面布置圖

初期壩和堆積壩的總外坡比(1∶3.3、1∶4.8)均小設計中初期壩和堆積壩的總外坡比(1∶1.8、1∶5.0)。除正在堆筑的1 590 m平臺和堆積壩設計標高1 450 m、1 455 m、1 465 m、1 475 m、1 510 m、1 545～1 560 m、1 575～1 585 m平臺外,其他臺階外坡比均大于對應的設計值。目前,萬年溝尾礦庫的干灘長度已經達到了524.555 m,這個數字大大超過了二等庫的最低要求100 m,具體如圖3、圖4所示。

圖3 堆積壩高變化

圖4 最小干灘長度

通過對2021年1月和2022年12月兩期無人機收集的DEM數據進行精心的預處理,并使用MapTek I-Site Studio進行綜合的地質建模,以及對其中的變化進行實時的監控。

通過數據對比分析得到尾礦庫壩體及周邊范圍內一些特定要素的變化情況和尾礦庫的安全運營狀況。主要對比方法是在兩期無人機正射影像圖上進行篩查與辨識,得到尾礦庫排洪設施、堆積壩高、壩體缺陷、庫區上下游建筑物等要素的變化情況。經過對比具體變化結果如下:萬年溝庫區面積增加14.5萬m2,堆積壩高由1 579.249 m增加至1 589.09 m共增加9.841 m,筑壩速率為4.920 5 m/a;新增堆排尾砂約1 265.7萬m3,堆排速率為660.365萬m3/a,具體如圖5所示。

圖5 萬年溝尾礦庫新增堆排尾砂

3.3 逃生路線圖設計

出于節省工程資金的角度考慮,一般情況下尾礦庫都建立在距離廠區較近的范圍內,在這種情況下,尾礦庫的位置有的靠近公路或鐵路,有的靠近河流,還有的尾礦庫庫區下游存在居民點。對于萬年溝這樣的大型尾礦庫而言,壩體一旦失事發生潰壩,會給下游人民的生命和財產造成災難性的損失。因此,據萬年溝尾礦庫周邊三維數據反饋信息,結合尾礦庫周邊居民和道路分布情況,繪制尾礦庫逃生路線圖,萬年溝尾礦庫上游人員沿公路朝庫區左右兩邊進行撤離,庫區下游民眾沿公路朝左右兩邊撤離,具體撤離路線和方向如圖6所示。

圖6 逃生路線圖

3.4 地質災害分布情況

2023年2月22日13時許,內蒙古阿拉善盟阿拉善左旗新井煤業有限公司一露天煤礦發生大面積坍塌,有工作人員和車輛被埋。事故發生后造成2人死亡6人受傷,并有51人失聯。在庫區內,地質災害的突發通常造成嚴重的后果,對庫區的周邊環境進行調查,監測可能存在的隱患是有必要的。因此,本文對比了2021年2月至2022年11月的高分影像圖,具體如圖7所示。在新一期的影像圖中發現該處植被明顯減少,在強工況降雨條件下可能發生滑坡和泥石流物源。

圖7 庫區上游隱患點

庫區在夏季易出現強暴雨,容易造成山地滑坡,引發潰壩,應該對植被明顯減少區域進行復墾,預防災害發生。

4 穩定性分析

萬年溝尾礦庫筑壩速率較快(4.920 5 m/a),堆排速率快(660.365萬m3/a),庫容量大。目前尾礦庫堆積壩高1 589.09 m,總壩高185.09 m,是二等庫,在尾礦庫處于穩定狀態下繼續堆排作業,尾礦庫最終堆積標高預計將達到1 720 m,總庫容3.26億m3,壩體總高度325 m。大型尾礦庫的穩定性分析將有利于礦山企業的穩定生產。庫區下居民點多處,其中集中的居民點兩處,若發生潰壩事故將產生嚴重后果,因此對萬年溝尾礦庫進行穩定性分析是有必要的。

4.1 DEM疊加分析、剖面的選擇與概化

將萬年溝尾礦庫2021年1月與2022年12月兩期DEM數據進行疊加分析,具體如圖8所示。從圖中可以看出,除了尾礦庫新增加的尾礦堆排部分,尾礦庫壩體顏色統一,表明在這段時間之內尾礦庫沒有發生明顯的變形[22]。

圖8 尾礦庫DEM疊加分析結果

根據尾礦庫地下水滲流場和最不穩定剖面特征,并結合本次尾礦壩穩定性分析的目的,選取通過堆積壩、初期壩壩底、并順沖溝延展的剖面作為本次的計算剖面,具體如圖9所示。

圖9 計算剖面選擇

2022年12月,四川省安全科學技術研究所完成的三維激光掃描和無人機航測數據,以及《巖土工程勘察報告》(2015年2月),為尾礦庫初期壩、堆積壩的坡度、高程、干灘等提供了重要的參考依據,同時,根據周邊尾礦庫資料及區域地質資料,對原始地形、地層劃分進行了相應的調整。圖10所示為選取計算剖面的地層概化圖。

圖10 計算剖面概化

4.2 參數及邊界條件

1) 參數選取

根據《攀鋼集團萬年溝尾礦庫壩體穩定性試驗研究堆積壩工程地質勘察報告》《攀鋼集團攀枝花新白馬礦業有限責任公司白馬選礦萬年溝尾礦庫壩體穩定性分析研究報告》《尾礦庫安全技術規程》(AQ 2006—2005)中附錄B壩體尾礦的平均物理力學指標、《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)中附錄C 壩體尾礦平均物理力學性質指標和《工程地質手冊(第四版)》中土的經驗數據,以及其他類似項目巖土體參數選取經驗,綜合確定了尾礦壩飽和滲流和穩定性計算的參數,具體數據見表2。

表2 尾礦壩計算參數選取

2) 邊界條件選取

根據本項目研究目標及工程實際情況,建立滲流有限元計算模型,計算得到壩體浸潤線。計算中取尾礦壩上下游水位以下的坡面為第一類邊界(定水頭邊界)。上游邊界設置分兩種情況,分別為①正常運行:現狀干灘長度為524.555 m,故設置正常運行水位為現狀最小干灘長度時水位,即1 584.421 8 m;②洪水運行:尾礦庫現狀尾礦壩堆積高度為149 m,根據《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)中二等尾礦庫等別和最小干灘長度的規定,設置洪水運行水位最小干灘長度為100 m時水位,即1 591.049 m。具體如圖11所示。

圖11 邊界條件選取

3) 滑面形狀

本次穩定性分析中采用剪入剪出口方法定義滑面,計算獲得合理的滑面和安全系數。在指定出入口之后,SLOPE/W將出入口線上的各一點連成一條直線,在通過這條直線中點的垂線建立一個半徑點,這就形通過這個圓的圓心和半徑,就可試算出最不穩定滑面、穩定性系數等。本次分析剪入剪出口設置如圖12所示。

圖12 剪入剪出口設置示意

4) 地震影響

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015)表C.23和《白馬鐵礦尾礦場地地震地質調查及場地地震基本烈度復核鑒定報告》,萬年溝尾礦庫所屬區域地震基本烈度為Ⅶ度,基本地震動峰值加速度a=0.15 g。根據根據《尾礦設施設計規范》(GB50863—2013)第4.4.1條條文說明和《水工建筑物抗震設計規范》(SL203—1997)第4.3.2條,豎向設計地震加速度取為水平向設計地震加速度的2/3,即av=0.10 g。

4.3 浸潤線計算

1) 模型的驗證

滲流分析必須獲得收斂解,計算浸潤線才可靠可信。檢查方式為完成滲流計算后,繪制參數設置中輸入的滲透函數曲線和軟件計算滲透函數曲線,當這兩條曲線重合時,說明計算結果為收斂解。

圖13所示為計算收斂性,輸入和計算滲透函數曲線重疊度較高,說明模型參數選擇適當、邊界條件設置正確,計算浸潤線結果可信可靠。

圖13 計算收斂性

2) 計算結果

通過建立尾礦壩二維模型,可以計算出在①正常運行和②洪水運行條件下尾礦浸潤線的分布情況,并將其結果展示在圖14和圖15中。統計各級子壩距浸潤線距離(即浸潤線埋深),結果見表3。

圖14 正常運行浸潤線計算結果

圖15 洪水運行浸潤線計算結果

表3 計算浸潤線埋深結果

經過重新測量,目前的尾礦庫堆積壩的頂部海拔1 589 m,初期海拔1 440 m,因此可以得到壩高149 m。按照《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)的要求,堆積壩的壩高為100 m

4.4 穩定性計算

通過綜合考慮初期壩與堆積子壩的3種不同情形,即①正常運行;②洪水運行;③特殊運行,可以使用簡化畢肖普法、瑞典圓弧法以及Morgenstern-Price法來評估尾礦庫的穩定性。

目前尾礦庫現狀總壩高為149 m,根據《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)中表3.3.1,參照壩高將目前尾礦庫等級定為二等尾礦庫。

通過研究各種不同的工作條件下的穩定性,將其結果與《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)的4.4.1-2的最低要求進行了比較,具體情況可參見表4。

表4 穩定性計算結果統計表

采用簡化畢肖普法計算出①正常運行;②洪水運行;③特殊運行工況條件下,安全系數大于規范要求,且有一定的安全余量。采用瑞典圓弧法計算出①正常運行;②洪水運行;③特殊運行工況條件下,安全系數大于規范要求,但安全余量較小。Morgenstern-Price法計算安全系數,沒有相關標準規定穩定性判定依據,結果供相關單位參考。綜上所述,判定在此模型設置條件下萬年溝尾礦庫在①正常運行;②洪水運行;③特殊運行工況屬于穩定狀態。

5 結論

此次對萬年溝尾礦庫進行了三維激光掃描分析,得出結論:萬年溝庫區面積增加14.5萬m2,堆積壩高由1 579.249 m增加至1 589.09 m共增加9.841 m,筑壩速率為4.920 5 m/a;新增堆排尾砂約1 265.7萬m3,堆排速率為660.365萬m3/a。相比之下,萬年溝尾礦庫筑壩速率較快,堆排速率快,庫容量大。庫區上游識別出一處滑坡隱患點,建議企業加強此處的監測與管控;壩體表觀變形較小,利用滲流場模擬萬年溝尾礦庫浸潤線分布情況,模擬結果表明其埋深大于規范要求。最后利用了畢肖普法、瑞典圓弧法和Morgenstern-Price法計算了壩體的穩定性系數,結果表明萬年溝尾礦庫在正常運行、洪水運行、特殊運行條件下的安全系數均滿足規范要求。