尾矿库溃坝灾害风险评估的通用方法

尾矿库溃坝灾害风险评估的通用方法

0尾矿库灭坝事故经过60多年的发展，中国已成为世界著名的采矿国。黄金、化工和建筑材料的后矿设施。据统计,我国现有11946座尾矿库,其中最大设计坝高260m、现堆积坝高213m,超过100m的有26座;最大设计总库容8.35亿m3,现堆积库容4.3亿m3,库容大于1亿m3的有10座。随着工业化、城镇化仍将快速推进,社会对矿产品的需求将大幅度增加,矿业开发规模随之加大,预计到2015年铁矿石年开采量达到11亿吨以上、铜达到130万吨以上、铅锌达到700万吨以上。同时,由于富矿的开采将逐渐减少,贫矿的开采将逐渐增多,势必导致选矿产生的尾矿不断增加,进而使得尾矿库数量不断增大、库容不断扩大、坝高逐年增高。尾矿库作为具有高势能的人造泥石流危险源,一旦发生溃坝,将严重威胁下游居民和重要工农业、交通设施及环境安全,造成严重的人员伤亡、财产损失和恶劣的社会影响。据美国克拉克大学公害评定小组的研究,尾矿库事故造成的危害在世界93种事故、灾害和辐射隐患中名列第18位,它仅次于核武器爆炸、DDT、神经毒气、核辐射以及其他13种灾害,且比航空失事、火灾等其他60种灾害还要严重。如2008年9月8日襄汾新塔矿业有限公司尾矿库溃坝事故,造成281人遇难,33人受伤,直接经济损失9619.21万元,世界为之震惊。由于尾矿库的建设标准低,筑坝、维护、管理技术水平较差,大量的尾矿库带病运行,据统计,截止2011年5月底,我国共有2369座危、险、病库。这是一个巨大的潜在隐患,近些年尾矿库溃坝事故频发,给人民生命财产、社会稳定带来了巨大损失和危害。自2001年以来,全国共发生73起尾矿库溃坝事故,造成500余人死亡,事故起数和死亡人数呈逐年上升态势,安全生产形势十分严峻。虽然相关法律法规和标准都明确要求,尾矿库应当每三年至少进行一次风险评估,并应采用瑞典圆弧法、改良圆弧法或简化毕肖普法,对尾矿坝稳定性进行定量评估,但是,现行的尾矿库风险评估方法,均是以尾矿坝边坡稳定安全系数作为评估尾矿库溃坝灾害风险度的依据,忽视了尾矿库固有致灾强度如坝高、库容和尾矿坝下游主沟纵坡降,以及尾矿库下游人口分布、社会经济发展水平和资源环境条件的不同所产生的影响,致使在荒无人烟的戈壁滩溃坝风险与在人口密集、经济高度发展的上海市溃坝的风险相同的不符合实际的结论,故亟待有新的评估方法,以解决上述难题。1风险评估内容自从联合国“国际减灾战略”从灾害的角度提出风险评估是对给生命、财产、生计及人类依赖的环境等可能带来的潜在威胁或伤害的致灾因子和承灾体的脆弱性进行分析和评估,进而判定出风险性质和范围的一种过程后,国内外的各类灾害评估大都依此提法进一步界定风险评估内容。例如,张业成、罗元华等将地质灾害风险评估分为地质灾害危险性评估、易损性评估、破坏损失评估和防治工程效益评估等四个方面;周寅康则将灾害风险评估划分为灾害研究、风险区确定、风险区特性评估、风险区承受能力评估、可能损失评估、风险等级划分六个内容;任鲁川依据区域灾害系统论的观点,将区域自然灾害风险分析的主要内容概括为区域自然灾害致灾因子特征综合分析、区域相对于各类自然灾害的脆弱性综合分析、单灾种区域自然灾害风险模型和综合自然灾害风险模型的建立及灾害风险值的估算及估算结果的评估四个内容。根据前人研究成果,结合尾矿库溃坝灾害脆弱性评估的特点,本文将尾矿库溃坝灾害脆弱性评估包括以下三部分基本内容。1.1噬坝灾害致灾因子确定以尾矿库溃坝灾害的固有属性作为基本出发点,通过分析致灾因子强度,来确定溃坝灾害的强度及其发生的可能性,包括:溃坝灾害强度评估、溃坝灾害发生概率评估。1.2承灾客体的界定承灾体脆弱性指的是承灾客体受到灾害风险冲击时的易损程度,它由一系列影响承灾系统对灾害冲击的敏感程度的自然、社会、经济与环境因素及相互作用过程所决定。其本质是承灾系统可获得的能够降低风险程度与灾害影响的所有能力和资源的组合。对于人类社会而言,承灾客体虽然多种多样,但基本上可以划分为人员、财产及经济活动、生态系统三个基本组成部分。承灾体脆弱性评估包括承灾体物理暴露性评估、承灾体脆弱性评估和抗灾救灾能力评估。1.3损失大小的衡量承灾体风险损失度评估反映的是承灾体在一定危险性的灾害风险事件下损失的大小,这种损失的大小既可以用绝对量化的形式加以衡量,也可以用相对的等级加以区分。2尾矿库固定风险评估指标及方法2.1灾体期主要指标尾矿库溃坝灾害表现在尾砂对人和物的瞬间冲击、长时间尾砂的淹埋,因此可用尾砂到达承灾体时的动能(或速度)、堆积厚度两个指标来衡量。根据尾矿库溃坝致灾机理分析、溃坝模式和溃坝路径的分析和研究,影响尾矿库溃坝淹埋范围内的速度和堆积厚度包含现状坝高(HH)、现状库容(VV)和尾矿坝下游主沟纵坡降(J)。2.1.1坝底高差的影响现状坝高指尾矿坝现状的堆积高度,对初期坝和中线式、下游式筑坝为坝顶与坝轴线处坝底的高差;对上游式筑坝则为堆积坝坝顶与初期坝坝轴线处坝底的高差。在其他条件不变的情况下,坝高越高,尾矿库溃坝下泄的速度越快,动能越大,对人体、建筑物、铁路和农作物的冲击力也就越大,产生的危害也就越严重。2.1.2所围空间容积现状库容指尾矿坝现状的堆积高度,尾矿坝现状标高顶面、下游坡面及库底所围空间的容积,包括有效库容、死水库容、蓄水库容、调洪库容和安全库容等五部分。在其他条件不变的情况下,库容越大,也就代表着尾矿库内存的尾砂越多,溃坝后堆积厚度也就越厚,更易造成人员伤亡和农作物的损失。2.1.3变化尺度分析尾矿库下游纵坡降,也就是沟谷纵向剖面高程沿水平延伸的变化尺度,反映了下游地形地貌的高低变化程度。尾矿库下游纵坡降越陡,在其他条件不变的情况下,尾砂下泄的速度也就越快,动能也就越大,对人体及建构筑物的伤害也就越大。2.2噬坝概率预测尾矿坝溃坝概率分析是将稳定性分析视为随机过程,把影响其稳定性的诸因素:凝聚力、内摩擦角、容重等参量作为随机度量,通过试验求出这些变量的频率分布或分布函数,并确定它在相应区间内的概率值。根据试验数据计算各参数的均值及方差,并对参数进行数学拟合分析其分布函数。然后对已知分布的随机变量进行随机抽样,再按随机数序列进行组合,计算出一系列的安全系数,并绘出分布曲线,计算安全系数小于1占总数的百分比称作溃坝概率。若已求出安全系数的分布函数,则溃坝概率为:Pf=∫1−∞-∞1f(k)dk(1)式中:f(k)为随机变量k的概率密度函数。尾矿库溃坝概率采用蒙特卡洛法进行计算。由于凝聚力、内摩擦角、容重等参量等参数为随机变量,因此得到的安全系数也是一个随机变量,根据这个样本,可以进行统计特征计算和分布拟合检验,最后求得描述尾矿坝稳定性的可靠度RI和失效概率Pf分布,分别按按下式计算:RI(normal)=μFs−1σFs(2)RΙ(normal)=μFs-1σFs(2)式中:RI(normal)为正态分布可靠性指标,μFs为均值;σFs为方差。Pf=1-φ(RI)(3)2.3尾矿库溃坝固有风险度pf尾矿库溃坝固有风险度(H)按下式进行计算:H=G×Pf=GH×GV×GJ×Pf(4)式中:H为尾矿库溃坝固有风险度,G为尾矿库溃坝灾害的强度,GH为坝高指标;GV为库容指标,GJ为尾矿坝下游主沟纵坡降指标。3灾难脆弱性评价指标和方法3.1承灾体致险因子ve承灾体的物理暴露取决于致险因子的危险性和区域内承灾体总量(数目或价值量),其表达式如下式所示,它反映了在一定强度致险因子的影响下,可能遭受损失的承灾体总量。对于风险而言,暴露量越大,其灾害风险也就越大。Ve=F(H,Ne)(5)式中:Ve为某一承灾体e的物理暴露,H为溃坝灾害h的致险危险性,主要指灾害强度和频率;Ne为评估区域内承灾体e的总量(数目或价值量)。3.2承灾体自身抵御致险因子能力的测定承灾体脆弱性(Vs)是指由承灾体本身的物理特性决定的接受一定强度的打击后受到损失的容易程度,它反映了承灾体本身抵御致险因子打击的能力。鉴于承灾体类型繁多,在此仅就目前关注的主要承灾体——人口、房屋、室内财产和道路系统的脆弱性的评估指标和方法进行阐述。3.2.1能力偏弱应急能力是表示突发性灾害风险中人体脆弱性的重要方面,该能力主要取决于个体转移能力和应急自救技术的掌握情况。其中,前者与人的年龄有关,一般而言,老人和儿童体能较差,转移避难能力偏弱;后者与掌握的应急自救知识和经历的灾害救助经历有关,分别按下式进行计算:PVulYageY=1−POPelder+POPchildPOP×100%(6)ΡVulYageY=1-ΡΟΡelder+ΡΟΡchildΡΟΡ×100%(6)PVul(edu)=POPeduPOP×100%(7)ΡVul(edu)=ΡΟΡeduΡΟΡ×100%(7)式中:PVulYageY为家庭人口体能指数,POPelder为区域内老年(≥65岁)人口数,POPchild为区域内儿童(≤14岁)人口数,POP为区域内总人口。3.2.2房屋结构类别房屋的脆弱性主要用房屋的结构(及材料)和使用时间来衡量,分别按下式进行计算:HVul=∑i=14YSiSY−VIDi(8)ΗVul=∑i=14YSiSY-VΙDi(8)HVulYTY=TuseTdesign(9)ΗVulYΤY=ΤuseΤdesign(9)式中:i为房屋结构类别,1-4依次代表土木结构、砖木结构、砖混结构、钢混结构;Si为相应结构的房屋面积,S为区域内房屋总面积,VIDi为第i类房屋在尾矿库溃坝灾害下的平均损失率,Tuse为建筑物的已使用年数,Tdesign为建筑物的设计使用年限。3.2.3模型中指数的求解室内财产对于尾矿库溃坝灾害的脆弱性主要取决于财产所在建筑物的结构特质、财产的放置高度及财产种类等因素。可将室内财产的脆弱性指数表达为分处不同建筑物结构下的室内财产数目(价值量)占室内财产总的数目(价值量)百分比的加权求和值,加权求和的权重为对应建筑物结构下的室内财产的平均灾损率,计算公式如下:WVul=∑i=14YWiWY−VIDi(10)WVul=∑i=14YWiWY-VΙDi(10)式中:i为建筑物结构类别,Wi为相应结构下的室内财产数目(价值量),W为室内财产总数目(价值量)。3.2.4受外部冲击力的能力公路的脆弱性主要表现为路基和路面抵抗各种外部冲击力的能力,而这与公路的等级密切相关,高速公路抵抗外部冲击力的能力最强,其次为国道、省道。因此,在评价某特定路段时,可以采用公路等级作为其脆弱性指标,计算公式如下:RVul=KlowK×RVul=ΚlowΚ×100%(11)式中:Klow和K分别代表被评价区域的低等级公路(三级以下)长度和各等级公路的总长度。3.3灾害风险评估抗灾救灾能力(Vd)包括基础应灾能力和专项应灾能力两部分。其中,基础应灾能力,是指有助于降低灾害风险的人力资源、财力资源和物资基础。相应地,其评估指标亦体现在人力、财力、物力三方面。专项应灾能力指的是为尾矿库溃坝灾害的防治所提供的各种工程和非工程的抗灾措施力度,包括灾害预报能力指标、工程抗灾能力指标。3.4承灾救灾能力指数对三类承灾体,分别进行物理暴露量、灾损敏感性指数及救灾抗灾能力指数的相乘,进而得到相应的脆弱性指数,如下式所示:V=Ve×Vs×Vd(12)式中:V为承灾体脆弱性指数,Vs为承灾体内在脆弱性指数,Vd为抗灾救灾能力指数。4计算流程及评价流程尾矿库溃坝灾害承灾体风险损失度按下式进行计算,评价流程如图1所示。D=(G×Pf)×Ve×Vs×Vd(13)式中:D为尾矿库溃坝灾害承灾体风险损失度,0-1。5与资源环境条件差异的产品将尾矿库溃坝灾害风险评估,由单一的尾矿坝边坡稳定性计算,改进到对尾矿库固有风险强度、溃坝灾害承灾体脆弱性的综合评估,可充分反映尾矿库本身致灾强度属性,以及下游居民分布、经济发展水平和资源环境条件差异造