尾矿坝溃坝安全风险分析评价方法_王仪心.pdf

尾矿坝溃坝安全风险分析评价方法 王仪心 1 米占宽 1， 2 （1. 南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029； 2. 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室， 江苏 南京 210024） 摘要尾矿库作为潜在的泥石流危险源， 一旦溃坝会造成严重的人员伤亡、 财产损失和环境污染。基于蒙 特卡洛方法， 考虑尾矿库坝体材料参数的不确定性， 分析了尾矿坝的失效概率； 基于深度积分方法， 模拟了溃坝发 生后下泄尾砂流的影响范围及其冲击强度； 介绍了下游淹没范围内生命损失、 经济损失和环境损失的评估方法。 根据上述尾矿库风险评价的基本理论， 以9 8山西襄汾尾矿溃坝事故作为典型案例， 系统地介绍了尾矿坝溃坝的 风险评价方法， 并对其风险程度进行了定量评价， 上述研究对尾矿库的事故灾害防控和风险管理具有重要的实际 意义。 关键词尾矿坝失稳概率淹没模拟风险评价 中图分类号TD926.4文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-184-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906033 Safety Risk Analysis and uation for Tailings Dam Break Wang Yixin1Mi Zhankuan1， 22 （1. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China； 2. Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth-Rock Dam of the Ministry of Water Resources of P.R. China， Nanjing 210024， China） AbstractAs a potential source of debris flow hazards，tailings reservoir will cause serious casualties，property losses and environmental pollution once the dam breaks. Based on Monte Carlo and considering the uncertainty of material parameters of tailing dam， failure probability of tailings dam is analyzed. Based on the of depth-integrated equations， the impact range of discharged tailings flow after dam break is simulated by finite difference . The life loss，economic loss and environmental loss suffered downstream under this condition are considered comprehensively. Taking the dam break accident of Xiangfen tailings on September 8 as a case， and according to the basic theory of risk assessment， the risk level of tailings dam is uated quantitatively. It s of great significance to keep the prevention and control of accident， disasters and the risk management of tailings dam. KeywordsTailings dam， Failure probability， Inundation simulation， Risk uation 收稿日期2019-04-09 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0804605） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51539006） 。 作者简介王仪心 （1994） ， 女， 硕士研究生。通讯作者米占宽 （1973） ， 男， 教授级高级工程师， 硕士研究生导师。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 尾矿库是贮存矿山尾矿的场所， 尾矿坝则是尾 矿库外围的坝体构筑物。我国的尾矿库总数占世界 的一半以上， 大多修筑在居民聚居区或是生态脆弱 区的上游 ［1］。尾矿库作为一个具有高势能的人造泥 石流危险源， 一旦溃坝必将使下游人民的生命财产 安全遭受巨大损失。自建国以来尾矿库的溃坝灾害 频发， 发生的重特大溃坝灾害事故13起， 死亡人数达 700余人， 特别是2008年山西襄汾9 8溃坝事故， 造 成277人死亡， 造成了极其恶劣的社会影响 ［2-3］。 然而由于尾矿坝筑坝材料复杂、 筑坝方式特殊， 对其安全状况的评价和失效风险的计算变得格外困 难。目前对尾矿坝的安全评价仍以安全表法这一类 定性评价为主 ［4］， 而进行风险估算时， 一方面不能兼 顾溃坝对于下游的冲击； 另一方面也无法充分考虑 筑坝材料指标的变异性。 本项目针对目前我国尾矿溃坝风险评价方面的 不足， 依据风险评估的基本理论， 基于蒙特卡洛方法 对尾矿坝进行稳定性概率分析， 利用深度积分下的 有限差分方法模拟下泄尾砂流的淹没范围， 估算溃 坝事故损失， 评价风险水平， 提出一种可供借鉴的风 184 ChaoXing 险评价方法。 1尾矿坝稳定性概率分析 尾矿坝稳定性的概率分析方法将坝体的稳定性 分析视为随机过程， 而将影响稳定性的因子作为随 机变量， 依据各变量的频率分布或分布函数， 确定坝 体稳定性的概率值。而蒙特卡洛方法是通过随机模 拟和统计试验来估计随机事件概率值的方法。 1. 1构造概率过程 进行蒙特卡洛模拟的前提是要对需要研究的随 机过程进行准确的描述。 对尾矿坝坝体失稳破坏的研究表明， 堆积坝的 坝坡稳定性受到滑动面上正应力， 堆积尾矿砂力学 参数的显著影响 ［5］。因而将坝体稳定性分析视为随 机过程， 将筑坝材料的容重γ、 内摩擦角φ和黏聚力c 作为随机变量进行模拟。 目前以极限平衡理论为基础的条分法仍然是分 析坝坡稳定性的主要手段 ［6］， 例如瑞典圆弧法、 简化 Bishop法、 不平衡推力法等。极限平衡法的原理简 单、 实用性强， 而且能够直接提供坝体稳定性的定量 结果。其中简化Bishop的计算方法简便， 计算误差 小， 本研究采用简化毕肖普法的安全系数Fs作为功能 函数， 描述尾矿坝的稳定性。 1. 2从已知概率分布中抽样 对尾矿材料统计分析发现， 其天然密度ρ、 内摩 擦角φ和黏聚力c均呈现接近正态分布的规律 ［7］。因 此假定随机变量服从一个数学期望为μ、 方差为σ2的 正态分布， 选取99.7置信范围 ［μ-3σ， μ3σ］ ， 以确 保定义的变量的完整正态分布。 根据确定的随机变量分布类型， 在区间上抽样 得到ρ、φ和c的成组随机数， 计算得出一系列功能函 数Fs的值。 1. 3建立估计量 依照上述步骤持续模拟N次将得到Fs的N个值， 即获得了数量为N的关于Fs的样本。统计这个样本 中Fs＜1的样本数L， 即可以得到坝坡的破坏概率Pf L/N。 对该样本进行概率拟合分析， 当尾矿坝稳定性 安全系数的概率分布满足正态分布时， 其可靠性指 标RI为 RInormal μF-1 σF ，（1） 式中，μF表示Fs的平均值；σF表示Fs的标准差。 尾矿坝稳定性安全系数满足正态分布时， 其可 靠指标RI为 RILognormal ln■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ μF 1v2 ln1v2 ，（2） 式中， v表示Fs的变异性，vσF/μF。 2溃坝尾砂流下泄模拟 溃坝尾砂流的模拟主要借鉴泥石流的研究成 果， 建立尾砂流运动的基本控制方程， 采用数值方法 求解， 主要可以分为有限元法、 有限差分法、 有限体 积法等 ［8］。 溃坝泥石流泄流的堆积厚度在尺度上远小于地 表的冲击范围， 故而研究者对泥石流的三维Navier- Stokes方程进行深度积分， 将复杂的三维模拟简化为 二维模型描述并求解， 大大降低了计算的复杂程度 ［9］。 深度积分方法下， 不考虑泥石流的密度演化及 其对基底的侵蚀可以得到的质量和动量守恒方程 ∂h ∂t ∂hu ∂x ∂hv ∂y 0，（1） ∂hu ∂t ∂ hu2 kapgzh22 ∂x ∂huv ∂y gxh-kapgzh∂zb ∂x - τzx b ρ ,（2） ∂hv ∂t ∂huv ∂x ∂ hv2 kapgzh22 ∂y gyh-kapgzh∂zb ∂y - τzy b ρ ,（3） 式中，ρ为泥石流的密度； h为泥石流体的深度； u， v分 别为速度在x、 y方向上的分量；gx，gy，gz分别为自由 落体加速度g在x、 y、 z方向上的分量；τzx b， τzy b分别 为作用在基底面b上的切应力在zx、 zy方向上的分 量；kap为侧向土压力系数； zb为河床标高。 欧阳朝军等根据深度积分下的连续介质力学方 程， 采用MacCormack-TVD有限差分方法对其求解 ［10］， 计算结果在时间和空间上具有二阶精度， 并以此为 基础开发了山地灾害动力学计算软件Massflow［11］。 本研究采用Massflow软件对溃坝后的下泄尾矿砂进 行模拟， 以得到溃坝尾砂流对不同位置下游居民区 的影响情况。 3溃坝风险评估 风险评价是识别并评估潜在危险发生的可能性 以及严重程度的过程。其基本思想是基于风险理论 的数学关系 风险程度R危险概率Pf危险严重度C.（4） 王仪心等 尾矿坝溃坝安全风险分析评价方法2019年第6期 185 ChaoXing 尾矿坝溃坝后下游的危险严重度C主要通过生 命损失H、 经济损失S和社会环境影响F 3个因子加 权描述， 各因子的权重系数W1、 W2、 W3一般由模糊综 合评估法得出 ［12］。 CW1HW2SW3F.（5） 尾矿坝溃坝后的生命损失可按下列公式估算 H∑ i1 n NiKi，（6） 式中， H为估计的死亡人数；Ni为第i个居民点的居民 人数；Ki为第i个居民点的居民致死率。 尾矿坝溃坝的经济损失包括直接经济损失、 间 接经济损失和救灾费用。直接经济损失包括居民住 房、 工商业资产、 水电通讯设施以及医疗救治费用 等， 通常按损失率统计各类资产的损失。 S∑ i1 n βiWi，（7） 式中， S为经济损失；βi为第i类财产的损失率；Wi为第 i类财产的价值。 间接损失包括遇难者赔偿、 灾后恢复性支出； 救 灾费用包括参与救灾的车辆和人工花销以及各类救 灾物资的费用。这一部分的经济损失往往远超溃坝 事故的直接损失， 但是通常难以在事前做出准确的 估算。 尾矿坝溃坝的社会环境影响系数F描述了事故 对于环境安全和社会稳定产生的影响程度 ［13］。 FN∙C1∙I∙h∙R∙l∙l1∙P，（8） 式中， N为风险人口系数；C1为重要城市系数；I为重要 设施系数； h为文物古迹系数； R为河道形态系数； l为 生物生命系数； l1为人文景观系数； P为污染工业系数。 4襄汾尾矿库溃坝实例分析 4. 1案例概况 2008年9月8日山西省襄汾县980沟发生溃坝事 故， 溃坝前尾矿坝总坝高约50.7 m， 总库容约36.8万 m3。溃坝事故发生时， 矿场在库内违规超量蓄水， 尾 矿库左岸坝顶下方约10 m处坝面处发生渗透破坏， 继而引起处于极限状态的坝体失去平衡， 造成溃 坝。数十秒内坝体绝大部分垮塌， 约19万m3的尾矿 下泄， 吞没了下游集贸市场、 办公楼。 4. 2溃坝概率计算 襄汾塔儿山当地的矿床类型为邯邢式铁矿床 ［14］， 尾矿类型为铁尾粉土， 尾矿坝稳定性计算的材料参 数取值如表1。 按照稳定概率计算方法， 确定最危险滑弧， 基 于正态分布选取黏聚力和内摩擦角的随机值， 进行 1 000次抽样模拟。计算结果如图1， 结果表明尾矿 坝最危险滑动弧面穿过黄土贴坡与子坝的连接部 位， 与安全报告中的破坏描述相符。计算得到坝体 确定性安全系数Fs0.774， 失效概率Pf100， 说明坝 体本身在溃坝前夕已经处于极度不安全的状态。 4. 3淹没范围模拟 近似认为坝体瞬间全溃， 且不考虑下泄物演进过 程中的侵蚀作用， 下泄尾砂流密度取1.6103kg/m3， 基底摩擦选择曼宁模型， 假定下游泥石流沟床糙率 系数不变， 根据泥石流灾害防治工程勘查规范得到 糙率m0.05 ［15］。计算时长400 s， 初始时间步长0.2 s， 库朗数为0.25。模拟结果如图2所示， 其中Hmax表示 泥石流的最大泥深， 单位为m。 冲击力依照泥石流灾害防治工程勘查规范中给 出的日本公式计算 δγc∙Hmax∙V2,（9） 式中，δ为对应的冲击力； V为最大冲击速度； γc为泥 石流重度。 在事故发生后50 s内， 下泄尾砂流就淹没了下游 的居民建筑。说明当溃坝发生时， 即使及时向下游 发出警报， 影响区内的人员也没有时间组织逃生， 受 灾区人员死亡概率逼近100， 影响区内的建筑和设 施也难以承受冲击， 很有可能被彻底破坏。T为泥石 流的到达时间， 各个受灾点受冲击情况如表2。 4. 4下游损失的计算 4. 4. 1生命损失 对冲击范围内的5个居民点， 根据 重大危险源 金属矿山2019年第6期总第516期 186 ChaoXing 普查表 中的说明要求， 按照公式Ki0.5KK1iK2i K3iK4i计算致死率HsiKiNi如表3。其中，Ni为居民 点i人数；K为尾矿库等级系数， 取0.1；K1i为居民点i 的距离系数；K2i为居民点i房屋不稳定系数；K3i为居 民点i位置系数；K4i为居民点i人口密集指数，Hsi为居 民点i的死亡人数。预估死亡人数共计136人， 而事 故实际死亡人数277人。一方面是因为事故发生当 天下游淹没点4的集市中正在赶集， 另一方面也说明 目前的生命损失计算方法还是过于保守。 4. 4. 2经济损失 绝大部分影响区最大泥深超过2 m， 可以认为相 关财产设施均被完全损坏， 据此计算如表4， 直接经 济损失7 155万元， 间接经济损失5 640万元， 救灾费 用5 577.8万元， 经济损失共计18 372.8万元。 4. 4. 3环境损失 襄汾塔儿山矿床为磁铁矿， 选矿采用磁选法， 不 添加化学试剂， 溃坝对下游造成影响的主要是尾矿 中的重金属。根据后续的相关实地研究， 溃坝影响 区的土壤养分缺乏， 土壤夯实不利耕作， 且有重金属 残留， 但以国家标准仅处于低生态风险， 仍可继续用 于农业生产 ［16］。故而针对此案例， 认为溃坝的生态 风险基本上可以忽略计算。仅计算社会环境影响系 数， 取值1.2。 4. 4. 4风险评估 生产安全事故报告和调查处理条理 中将生产 安全事故分为4个等级， 死亡30人以上、 或直接经济 损失1亿元上的事故为特别重大事故。以此为标准衡 量生命和经济损失程度， 按照推荐权重确定溃坝后果 的损失度为C0.45277/300.2518 372.8/10 000 0.31.24.97。由此确定襄汾尾矿坝的风险程度R 1004.974.97， 其中， R1时溃坝事故风险就达到 特别重大事故的程度， 因此襄汾尾矿库案例的风险 程度非常高。 因此可以得出， 襄汾尾矿事故的主因是坝体设 计和运行管理不符合安全技术规程， 坝坡抗滑稳定 安全系数不足， 溃坝的发生不可避免； 同时由于溃坝 淹没范围内的危险严重度极高， 溃坝事故产生了非 常恶劣的影响， 对人民的生命财产安全造成了巨大 损失。 5结论 （1） 将尾矿坝的稳定性视为一个随机过程， 基于 蒙特卡洛方法对尾矿坝的稳定性进行概率分析， 充 分考虑尾矿坝材料参数的不确定性， 在确定性分析 的基础上进一步评估尾矿坝所处的安全状态。 王仪心等 尾矿坝溃坝安全风险分析评价方法2019年第6期 187 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ （2） 基于深度积分方法， 对溃坝下泄尾砂流的演 进进行了模拟， 确定了下游居民点受到冲击的时间、 最大泥深、 最大速度和冲击强度， 从而再现了下游淹 没区域内受到泥石流冲击强度和损失程度。 （3） 结合冲击模拟结果， 从生命损失、 经济损失 和社会环境损失3个方面， 综合考虑溃坝发生后对于 下游可能造成的损失情况。根据风险理论的基本思 想， 结合溃坝发生的概率和发生后的严重程度， 确定 了尾矿库所处的风险状态。 （4） 从襄汾尾矿溃坝事故案例的风险分析结果来 看， 尽管部分尾矿库本身的规模很小， 但是由于其所 处区域的下游存在密集的居民区， 溃坝一旦发生就会 造成严重的后果。因此应对在役尾矿坝开展溃坝风 险评价， 确定溃坝发生后下游淹没区的范围， 对可能 受损程度严重区域内的建筑物和人口实施搬迁。 参 考 文 献 李翔. 浅谈我国尾矿库安全现状分析及管理的对应措施 ［J］ . 科技资讯， 2014， 12 （27） 116-117. Li Xiang. Discussion about the safety status analysis and manage- ment measures of tailings reservoir in China ［J］ . Science Tech- nology Ination， 2014， 12 （27） 116-117. 肖朝良. 尾矿库安全现状及事故防治分析 ［J］ . 世界有色金属， 2018 （6） 167-168. Xiao Chaoliang. Safety status of tailings and analysis of accident prevention and control［J］ . World Nonferrous Metals，2018（6） 167-168. 杨丽红， 李全明， 程五一， 等. 国内外尾矿坝事故主要危险因素 的分析研究 ［J］ . 中国安全生产科学技术， 2008， 4 （5） 28-31. Yang Lihong，Li Quanming，Cheng Wuyi，et al. The analysis of main risk factors about tailings dam accidents at home and abroad ［J］ . Journal of Safety Science and Technology， 2008， 4 （5） 28-31. 王昆， 杨鹏， Karen Hudson-Edwards， 等. 尾矿库溃坝灾害 防控现状及发展 ［J］ . 工程科学学报， 2018， 40 （5） 526-539. Wang Kun， Yang Peng， Karen Hudson-Edwards， et al. Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents ［J］ . Chinese Journal of Engineering， 2018， 40 （5） 526-539. 郑欣， 许开立， 魏勇. 尾矿坝溃坝致灾机理研究 ［J］ . 中国 安全生产科学技术， 2008 （5） 8-12. Zheng Xin，Xu Kaili，Wei Yong. Study on the disaster-causing mechanism of the tailings dam falling ［J］ . Journal of Safety Science and Technology， 2008 （5） 8-12. AQ2006-2005 尾矿库安全技术规程 ［S］ . 北京 中国标准出版 社， 2006. AQ2006-2005 Safety Technical Regulations for the Tailing Pond ［S］ . Beijing China Standard Press， 2006. 程江涛， 于沉香， 万凯军， 等. 尾粉土物理力学参数概率分布模 型及取值研究 ［J］ . 人民长江， 2014， 45 （9） 90-94. Cheng Jiangtao， Yu Chenxiang， Wan Kaijun， et al. Probability dis- tribution model and value range research on physical and mechani- cal parameters of tailing silt soils ［J］ . Yangtze River， 2014， 45 （9） 90-94. 于广明， 宋传旺， 潘永战， 等. 尾矿坝安全研究的国外新进展及 我国的现状和发展态势 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2014， 33 （S1） 3238-3248. Yu Guangming， Song Chuanwang， Pan Yongzhan， et al. Review of new progress in tailing dam safety in foreign research and current state with development trent in China ［J］ . Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014， 33 （S1） 3238-3248. Iverson R M，Ouyang C. Entrainment of bed material by earth-sur- face mass flows Review and reulation of depth-integrated theo- ry ［J］ . Reviews of Geophysics， 2015， 53 （1） 27-58. Ouyang C， He S， Qiang X， et al. A MacCormack-TVD finite differ- ence to simulate the mass flow in mountainous terrain with variable computational domain［J］ . Computers Geosciences， 2013， 52 （1） 1-10. Ouyang C， Wei Z， Qiang X， et al. Failure mechanisms and charac- teristics of the 2016 catastrophic rockslide at Su village，Lishui， China ［J］ . Landslides， 2018， 15 （7） 1391-1400. 郑欣， 许开立. 尾矿坝溃坝后果严重度评价模型研究 ［J］ . 工 业安全与环保， 2009， 35 （5） 30-31. Zheng Xin， Xu Kaili. Study on assessment model of severity degree of the tailings dam failure impact ［J］ . Industrial Safety and Environ- mental Protection， 2009， 35 （5） 30-31. 王仁钟， 李雷， 盛金保. 水库大坝的社会与环境风险标准研 究 ［J］ . 安全与环境学报， 2006 （1） 8-11. Wang Renzhong，Li Lei，Sheng Jinbao. On criterion of social and environmental risk of reservoir dams ［J］ . Journal of Safety and Envi- ronment， 2006 （1） 8-11. 何青，赵玲玲. 山西铁矿资源的概况与展望 ［J］ . 山西冶金， 2004 （4） 5-7. He Qing，Zhao Lingling. The general situation of Shanxi iron mine resources and outlook ［J］ . Shanxi Metallurgy， 2004 （4） 5-7. TCAGHP 006-2018 泥石流灾害防治工程勘查规范 （试行） ［S］ . 武汉 中国地质大学出版社， 2018. TCAGHP 006- 2018 Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization［S］ .Wuhan China University of Geosci- ences Press， 2018. 王慧. 襄汾尾矿溃坝区土壤环境质量状况评价及改良效果研 究 ［D］ . 晋中 山西农业大学， 2015. Wang Hui. Quality Assessment and Improvement Effect on Soil En- vironment in the Disaster Area of Taershan Tailings Dam Failure in Xiangfen，China［D］ . JinzhongShanxi Agricultural University， 2015. （责任编辑石海林） 金属矿山2019年第6期总第516期 188 ChaoXing