朱远乐，王 涛，孙 昱, 4



基于SINMAP模型的尾矿库降雨型滑坡灾害研究*

朱远乐1, 2，王 涛3，孙 昱3, 4

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012；3.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；4.湖北省天门市水利局，湖北 天门市 431700)

尾矿库滑坡地质灾害的发生受内外动力作用的综合影响，根据研究区域1:1000地形图生成DEM栅格图件，利用GIS软件将影响尾矿库地质灾害的8种影响因子量化后得出各自的栅格等级分布图，依据层次分析法得到各自然影响因子的权重值，运用GIS强大的分析功能构建研究区域内尾矿库滑坡预测易发性评价栅格图，然后根据SINMAP模型考虑降雨条件，将其与基于DEM的水文分布模型以及自然条件下基于GIS技术得到的滑坡灾害等级分布图进行集成，得到研究区域地表稳定性指数分布图，为尾矿库滑坡防灾减灾提供技术支撑。

GIS；SINMAP；尾矿库；降雨；滑坡

0 引 言

尾矿库作为矿山工程采、选、尾三大控制性工程之一，是矿山事故发生高频区域，近年来尾矿库灾害造成的损失相当严重，其中尾矿库滑坡、溃坝在尾矿库病害事故中起着至关重要的作用。杨丽红[1]等通过辨识国内外尾矿库溃坝事故主要危险因素提出了降低溃坝概率及减少溃坝损失的措施；李全民[2]等基于尾矿坝的溃坝模式和溃坝路径建立了尾矿坝溃坝风险评判模型，并应应于评估尾矿库运行期的安全等级；陈星[3]等利用数值模拟的方法开展了尾矿库溃坝对下游的淹没和撞击的研究；林玉山[4]等总结了尾矿库工程的特点，系统分析了尾矿库建设及运行中地质灾害的主要类型、致灾因素及其危害性；邹智斌[5]通过传统地质调查和监测手段对江西省七宝山铅锌矿尾矿库地质灾害危险性进行了评估；李海港[6]等通过总结尾矿库事故资料，深入分析了尾矿库事故和降雨持续时间、强度之间的相互关系。

目前将滑坡灾害与GIS技术相结合解决工程实际问题属于交叉学科研究中的热点内容，能够较好的解决工程问题，许冲[7]等将GIS技术与确定性系数分析方法、层次分析法相结合对汶川地震滑坡易发性进行了评价；朱良峰[8]等利用GIS系统开发出了区域地质灾害分析系统，对全国范围内的滑坡灾害进行了危险性分析，康超[9]等基于DEM分布模型评价了SINMAP模型在黄土地区对浅层滑动稳定性分析的适用性和可靠性，武利[10]利用SINMAP模型对陕西省略阳县区域性滑坡危险性进行了评估，并验证了模型的准确性。

GIS具有较强的空间数据库功能以及强大的空间分析能力，因此将GIS技术引入尾矿库滑坡致灾体研究领域中能够很好地解决尾矿库库区范围内滑坡的时空系列分析、滑坡野外编录、引起滑坡的静态环境因素等之间的空间相关分析，同时SINMAP模型能够较好地将降雨这一影响滑坡的动态因子考虑进来。结合尾矿库工程实例，将GIS技术和SINMAP模型引入小区域的研究区域中分析尾矿库的滑坡地质灾害。

1 工程概况

以云南某化工公司所属尾矿库库区作为研究单元，研究区域包括一号、二号水池坝，一号、二号初期坝，堆渣库区，水池库区以及两岸山体，研究区域面积为2.30 km2，利用GIS技术分析该区域内的滑坡地质灾害。

该尾矿库总共有2座初期坝，均为透水堆石坝，一号初期坝设计底宽120 m，坝顶宽10 m，坝长120 m，坝高30 m；二号初期坝设计底宽120 m，坝顶宽10 m，坝长80 m，坝高28 m(见图1)。最上游为2号初期坝，中间为1号初期坝，下游设有2座水池坝。尾矿库堆积高70 m，总库容957.99万m3，为三等库。一号水池坝设计底宽30 m，坝顶宽5 m，坝长120 m，坝高28 m；二号水池坝设底宽15 m，坝顶宽4 m，坝长30 m，坝高28 m。结合该尾矿库自身特点以及研究区域内的实际情况，滑坡灾害为研究区域内的主要地质灾害。将研究区域的DEM和数字正射影像图进行叠加，产生三维地形的可视化，通过可视化地形图有助于判断研究区域内的滑坡灾害影响因子。

图1 库区工程布置

2 SINMAP模型

Packetal等[11]开发出一种用于计算斜坡稳定性的模型(SINMAP模型)，在数值计算过程中，假定土体厚度薄且为不透水层。SINMAP模型理论依据为大范围斜坡稳定性模型，该模型基于常规状态下水文模型获得的地形湿度指数、研究范围内有效的汇水面积以及通过栅格DEM提取的坡度参数等，同时通过GIS软件处理的各种专题图件、野外地质调查资料，运用GIS平台，构建研究区域定量分析模型，获取地表滑坡稳定性等级分布，从而进行区域内滑坡稳定性分析和评价。

在构建SINMAP模型过程中，滑坡稳定性安全系数为浅层土体的抗滑力和滑动力的比值，与传统意义上的滑坡稳定性安全系数概念类似，尾矿库滑坡稳定性指数为滑坡稳定性系数()根据概率统计的方法获得的尾矿库滑坡在一定随机分布参数区间内滑坡体能够保持稳定(＞1)的可能性，即：

表1 稳定性分级

图2为滑坡稳定性指数图解图，将研究区域分为饱和、可能饱和、非饱和3个区域，明确了滑坡饱和分界线。通过饱和区域的划分在模型内部构建了尾矿库降雨型滑坡在不同的稳定性指数值时的滑坡体坡降比与区域内比集水面积的相互关系[12]。

图2 稳定性指数图解

3 尾矿库降雨型滑坡应用分析

结合研究区域内地质、地形与现场地质调查的资料，综合考虑尾矿库的自身特点去进行地质灾害影响因子的选择。自然影响因子包括：地形坡度、高程、坡向、地层岩性、植被、渗透率；人为影响因子包括：人类活动、坝体影响等。

根据研究区域1:1000地形图生成DEM栅格图件，利用GIS软件得到影响尾矿库地质灾害的8种影响因子的栅格等级分布图，依据层次分析法得到各静态影响因子的权重值，运用GIS软件空间分析模块对各研究区域各统计单元进行影响因子加权叠加，构建研究区域内尾矿库滑坡预测易发性评价栅格图，得到自然条件下研究区域的滑坡灾害等级分布(见图3)。

由于尾矿库的特殊性降雨将是一种极其重要的动态因素，降雨引起的地下水的不同分布，所造成的静水压力及地下水渗流过程中产生的动水压力直接影响着尾矿库地质灾害中的滑坡、泥石流等。

图3 研究区域灾害等级分布

尾矿库滑坡地质灾害的发生受内外动力作用的综合影响，根据已有的SINMAP模型，将其与基于DEM的水文分布模型以及自然条件下基于GIS技术得到的滑坡灾害等级分布图进行耦合。

在实验室内对研究区域内取得的58个原状试验样品进行土工试验，得到岩土体的相关物理参数，同时考虑库区附近内的相关勘察资料，对SINMAP模型选取表2所示的岩土体参数。

依据该尾矿库的实际特点以及研究区域各栅格点计算出的值的不同，将研究区域依照表1划分为6个等级。一、二、三级为稳定区，正常情况下(无外加不稳定因素)，对应的研究区域滑坡稳定性情况较好；第六等级为极不稳定区(Fmax＜l)，对应的研究区域滑坡稳定性情况较差，属于重点治理和监控区域；第四、五等级均存在不稳定的可能(Fmin＜1，Fmax＞1)，其中第四等级对应的研究区域为滑坡不稳定性概率小于50%的地区，第五等级对应的研究区域为滑坡不稳定性概率大于50%的地区，该区域内亦属重点治理和监控区域[13]。

表2 模型选取的参数值

在研究区域现场选取了7个尾矿库滑坡灾害控制点(4个为滑坡点，3个为非滑坡点)用于验证模型计算的准确性。在SINMAP模型中输入参数后模拟得到的结果如图4所示，结果表明，不稳定到极不稳定的面积为0.85 km2，占研究区域总面积的36.9%，4个滑坡控制点全部位于该区域内，占总滑坡数的100%，尾矿库滑坡密度为1.74个/km2；极稳定到基本稳定的面积为1.45 km2，占总面积的63.1%，3个非滑坡控制点均位于该区域内，这从侧面反映了此次模拟的结果是可信的。同时根据区域滑坡发育程度分级指标[12]，可以判断出该区域尾矿库滑坡属于滑坡强烈发育区(滑坡密度1.74个/km2＞0.2个/km2)，应加强监测与治理。

图4 坡度面积图表

对比通过对SINMAP模型、基于DEM的水文分布模型以及自然条件下基于GIS技术得到的滑坡灾害等级图的集成，得到了研究区域内的土壤饱和指数分布图(图5)以及研究区域内地表滑坡稳定性指数分布图(图6)。

图5 土壤饱和指数分布

(1) 滑坡极度易发区与区域内土壤饱和区对应良好，同时滑坡极度易发区与自然条件下基于GIS技术得到的滑坡灾害等级分布图中的滑坡极高易发区基本一致，说明影响此区域的尾矿库滑坡安全性的除了静态因子外，降雨对该区域也有一定程度的影响，所以无论是在静态还是动态条件下，这一区域发生地质灾害的可能性都较大；

(2) 滑坡强烈发育区主要发生在一号初期坝附近和一号初期坝与二号水池坝附近，在尾矿库右岸部分区域位于滑坡强烈发育区，但是这些区域离尾矿库区有一点距离，故在这些区域发生滑坡对尾矿库影响不大；

图6 尾矿库地表稳定性指数分布

(3) 一号初期坝附近沿着坝轴线分布有一条滑坡强烈发育区，故在进行尾矿坝设计时应特别注意校核其坝体的稳定性。

为了分析研究区域在不同降雨强度下的尾矿库滑坡等级，在参数不变的条件下，通过改变降雨参数的上限值(2000~3000)进行模拟分析，分析结果见图7。

图7 不同降雨参数下各个稳定性等级所占面积

当的上限值为3000、2000时，各稳定性等级中所占区域面积发生了明显的变化，说明SINMAP模型在研究区域内较为灵敏，该区域属于降雨型滑坡区域。

4 结 论

(1) 通过对尾矿库滑坡地质灾害发生的成灾环境、发生现状以及发生规律分析，得出了影响尾矿库滑坡地质灾害的8种静态因子和降雨这一动态因子；

(2) 依据层次分析法得到各自然影响因子的权重值，运用GIS强大的分析功能构建了研究区域内尾矿库滑坡预测易发性评价栅格图；

(3) 利用SINMAP模型，在降雨条件下得到了研究区域尾矿库地表稳定性指数分布图，研究区域尾矿库滑坡属于滑坡强烈发育区，同时亦属于降雨型滑坡区域；

(4) 滑坡强烈发育区主要发生在一号初期坝附近、一号初期坝与二号水池坝附近，此外尾矿库右岸一些区域也位于滑坡强烈发育区，同时一号初期坝附近沿着坝轴线分布有一条滑坡强烈发育区，故在进行下一步尾矿坝设计时应特别注意校核其坝体的稳定性。

[1] 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.

[2] 李全明,张兴凯,王云海,等.尾矿库溃坝风险指标体系及风险评价模型研究[J].水利学报,2009,40(8):989−994.

[3] 陈 星,朱远乐,肖 雄,等.尾矿坝溃坝对下游淹没和撞击的研究[J].金属矿山,2014(12):188−192.

[4] 林玉山,张 卫.尾矿库地质灾害与危险性评估[J].桂林工学院院报,2006,26(4):486−490.

[5] 邹智斌.江西省七宝山铅锌矿尾矿库地质灾害危险性评估研究[D].赣州:江西理工大学,2010.

[6] 杨良权.尾矿库工程地质灾害风险性评价研究-以滇东南云镍尾渣库为例[D].昆明:昆明理工大学,2013.

[7] 许 冲,戴福初,姚 鑫,等.GIS支持下基于层次分析法的汶川地震区滑坡易发性评价[J].岩石力学与工程学报,2009,28(S2): 3978−3985.

[8] 朱良峰,殷坤龙,张 梁,等.GIS 支持下的地质灾害风险分析[J].长江科学院院报,2002,19(5):42−45.

[9] 康 超,谌文武,张帆宇.基于DEM 的分布式斜坡稳定性模型在黄土沟壑区浅层滑坡中的应用[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(5):1987−1992.

[10] 武 利.基于SINMAP模型的区域滑坡危险性定量评估及模型验证[J].地理与地理信息科学,2012,28(2):35−39.

[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.确定性模型在黄土沟壑区斜坡稳定性预测中的应用[D].兰州:兰州大学,2010.

[13] 朱远乐.基于GIS的尾矿库地质灾害危险性分析[D].武汉:武汉大学,2012.

湖南省重大科技专项项目(2011FJ1003)；国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目(hunan-0010-2014AQ).

(2018−08−08)

朱远乐(1987—)，男，湖北荆州人，硕士，工程师，主要从事尾矿库安全技术的设计、评价、论证等研究工作，Email：717732515@qq.com。