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1、 评工程师论文工程师职称评审论文：基于水动力条件的矿山泥石流成因和特征以石棉县后沟为例摘要: 四川省石棉县后沟是一条典型的高频矿山泥石流沟,坡面矿渣面蚀、沟道矿渣揭底和沟口尾矿侧蚀溃决是泥石流发生的三种主要成因。水动力条件通过对矿渣提供方式的影响而导致矿山泥石流在成因、规模等方面的差异。计算表明,单纯洪水难以对后沟尾矿库稳定性构成威胁, 10 m 的老泥石流堆积扇,直接通过该切口通道流向楠垭河。22弃渣补给与矿山泥石流四川石棉矿矿山开采活动主要集中在后沟流域距离沟口 25 km 以下的下游右岸(见图 1),矿山开采导致后沟流域内环境地质问题突出: (1)粗放式开采增大了矿山边坡角,造成山体斜坡
2、失稳,产生大量滑坡、崩塌等松散堆积体,进入沟中成为泥石流的固体物质来源; (2)矿山坑道开采中只掘硐,不回填的作业方式,导致一系列地面塌陷、沉降等矿山地质环境问题; (3)矿山公路施工中的“之”字走向 ,使地表植被遭到极大破坏,距沟口 2 km 以下两侧斜坡几乎裸露 ; (4)采矿过程中产生的大量废石、尾矿任意顺坡堆放,这些松散物质顺坡排入沟中,抬高河床。 根据遥感解译和现场调查,采矿区植被覆盖率不足 20%,与其他地区 85%以上植被覆盖率成为鲜明对比。流域内矿渣补给主要来自 3 个方面: (1)尾矿坝。后沟石棉矿开采最多的矿渣集中堆放在沟口开阔处,形成了一座“渣山”,几乎挤占了整个沟道,且
3、基本无防护。据测量,尾矿场规模已超过35104m3(图 4-a 和 4-b),这是后沟矿渣泥石流最重要物源。(2)坡面矿渣与公路弃渣。由于斜坡较陡,在重力作用、雨水冲刷和坡面渗流作用下,矿渣和弃渣时常失稳发生崩塌和坡面泥石流,沿着斜坡一直堆积到坡脚(图 4-c),两者方量约5104m3。(3)沟床矿渣。沟床矿渣主要堆积在下游长约 25km 沟道范围内( 图 4-d),平均宽约 30 m,厚度一般 052 m,方量约 8104m3。从矿渣物质组成来看,后沟流域矿渣类型单一,以碎块石为主,但尾矿坝矿渣粒度粗于其他矿渣。上述三个方面的矿渣通过三种方式补给并引发泥石流,尾矿库矿渣通过侧蚀甚至溃决方式为
4、泥石流提供大量物源(图 4-b),坡面矿渣或弃渣主要通过面蚀补给泥石流(图 4-c),而沟床矿渣主要通过揭底方式参与泥石流(图 4-d)。23水动力与侵蚀231 洪水动力与侵蚀后沟流域地处川西高原与四川盆地的过渡带,受太平洋、印度洋与青藏高原大气环流的影响,气候是以亚热带季风气候为基带的山地气候。据石棉县气象局观测资料,后沟沟口多年平均年降水量为 1 2009 mm1),但季节分配不均, 59月降雨量占全年降雨总量的 864%。集中强降雨为后沟矿渣泥石流的发生提供了水动力条件。根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册提供的暴雨资料9,对后沟流域不同频率下洪峰流量进行了计算,结果见表 1。 调查发现,
5、沟口尾矿坝 S 侧有一缺口,洪水及以往发生的数次泥石流均是从此处通过并流向楠垭河(图 5)。由于尾矿坝矿渣表面堆放坡度约 3540,接近矿渣自然休止角10,结构松散、孔隙度大,透水性强,几乎无胶结,稳定性差,时常发生崩落。因此,在雨水冲刷和侧蚀等外力作用下,尾矿坝稳定性明显降低,但由于尾矿坝长宽比接近 1,整体溃决可能性小,将主要通过“剥皮式”为泥石流的发生不断提供,从而增大泥石流的规模和危险性。测量得知,尾矿坝 S 侧缺口过流断面面积约 20 m2,受弯道和尾矿坝阻挡作用的影响,后沟洪水流速一般 34m/s,结合表 1 中所计算的洪峰流量发现百年一遇洪水难以对尾矿坝进行侵蚀。相反,洪水或小规
6、模泥石流携带的矿渣部分在尾矿坝坡脚处堆积,形成高约 2 m 的矿渣侧积平台,进一步抑制了洪水对尾矿坝的侵蚀,而沟道 S 侧斜坡堆积于下伏基岩之上的弃渣侧积堤厚度约 35 m,通过比对可以旁证洪水对尾矿坝的侧蚀作用有限。 访问、调查也证明,后沟泥石流形成过程主要先后经历: (1)在暴雨或持续降雨发生情况下,形成坡面径流,雨水汇积于沟中形成洪流; (2)洪流强烈地冲刷沟床和沟侧的废石矿渣等,坡面矿渣通过面蚀,沟道矿渣揭底侵蚀卷入洪流,成为高含沙洪流; (3)高含砂洪流挟着上述固体物质沿沟床向前推进,沿途滚雪球似的不断壮大规模,形成稀性泥石流以及(4)泥石流侧蚀尾矿,泥石流规模增大 4 个阶段。 综
7、上,洪水动力主要导致坡面矿渣面蚀和沟道矿渣揭底侵蚀,导致小型泥石流发生,而对尾矿坝并没有直接侧蚀,以面蚀或揭底方式事先形成且泥位超过 2 m 的泥石流才开始侧蚀尾矿坝。232泥石流动力与侵蚀在洪水发生和面蚀、揭底作用引起小型泥石流发生前提下,进一步探讨泥石流动力条件及其对尾矿坝的侵蚀作用。由于尾矿坝位于后沟沟口,采用配方法计算泥石流流量时可不考虑尾矿坝的影响。因此,在洪峰流量计算基础上,假设泥石流与暴雨同频率、同步发生且计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变为泥石流的流量,采用配方法8计算尾矿坝没有参与情形下后沟泥石流发生的洪峰流量,计算结果见表2。计算中泥石流容重取 14 t/m3,矿渣容重取
8、26 t/m3,沟道堵塞程度一般,堵塞系数取 15。采用西南地区(铁二院)公式8 对后沟稀性矿渣泥石流进行计算 式中Hc 为计算断面的平均泥深; Ic 为泥石流水力坡度,测算为 105;1n 为泥石流沟床的糙率系数按规范8取10。按照不同泥深,分别根据公式计算泥石流流速,进而计算出缺口断面的可通过流量,结果见表 3。对比表 2 和表 3 可以看出,从 10 a 一遇的泥石流开始,泥石流泥位将首次超过 2 m, 20 a 一遇泥石流作用下,泥石流泥位将达到 34 m,而在 100 a 一遇泥石流作用下,泥石流泥位将达到 45 m。由于上游弯道、尾矿坝阻挡以及通道束缚等因素的共同影响,泥石流在此雍
9、高,从而导致侧蚀尾矿坝的可能性增大,并致使尾矿坝稳定性降低而垮塌甚至局部溃决,从而形成较大规模泥石流。而低于 10 a 一遇的高频泥石流,将主要通过面蚀和沟道侵蚀形成中小型泥石流,出现了“大雨大冲,小雨小冲”的高发态势。据访问和现场调查,自 1973-07 第一次暴发泥石流以来,每年汛期在暴雨作用下均发生23 次泥石流,下游左岸泥石流堆积侧积堤和沟口堆积,界面 新鲜,保存有数次泥石流的证据,但从块度相对较小的堆积体来看,体积最大且块度较粗的尾矿坝则很少参与这些泥石流或者仅有很少矿渣参与。如前所述,后沟中大规模并造成一定危害的泥石流主要发生在 1973 年、1983 年和 2004 年,其他年份
10、规模较小,说明后沟中大规模矿渣泥石流呈现出 10 a左右的准周期,与水动力计算结果相一致。另外,在下游右岸距离沟口约 25 km 处发育一条泥石流支沟(见图 1),调查发现近年来发生 3 次泥石流,且第一次泥石流堆积体积最大约 4104m3,挤占后沟主沟沟道近 4/5。串珠状演化的堆积扇表明 3 次泥石流规模依次递减,进一步从第一次泥石流堆积体上已经长有的高大乔木和第二次堆积体上已经长满的灌丛,推测两次泥石流发生时间分别距今1520 a 和 5 a 左右,分别同 1983 年和 2004 年泥石流事件相一致,再次佐证了水动力条件对后沟矿渣泥石流的决定性作用和 10 a 以上洪水引发较大规模泥石
11、流的可能性。3特征徐友宁曾总结了矿山泥石流具有的人为性、易发性、重发性、危害集中性和可控性等特征2。后沟矿山泥石流在物源补给、形成过程、运动过程、成灾过程和防治过程中均表现出同自然泥石流的差异性。31物源补给的集中性与固定性 自然泥石流物源补给主要来自流域内崩滑不良地质现象所产生的松散堆积物质,补给位置、补给方量、补给条件均具有众多不确定性。从后沟矿渣泥石流可以看出,矿山泥石流物源主要来自矿山开采矿渣、道路修建弃渣,矿渣堆放相对集中,补给泥石流的物源区段相对固定,矿渣机械组成基本不变,其补给方量随着洪水水位等因素的变化而有规律变化从而具有可预测性。32形成过程的易发性与频发性同流域内原状岩土体
12、差异较大,矿渣堆积物一般具有孔隙度大,结构松散,粘性差,透水性强,稳定性弱等特点,从而使得矿山泥石流物源有别于自然泥石流的物源。对于矿渣一旦缺少防护而遭受暴雨洪水的侵蚀,极易演化为泥石流,而形成泥石流的雨量、水力条件差异性较小。加上矿山开采等人类活动的连续性和长期性,矿渣日复一日,年复一年的堆积,每年汛期,只要降雨量达到弃渣的启动条件,泥石流就会频繁发生,该特征对于历史遗留缺少防护的矿山泥石流尤其突出。就后沟矿山泥石流而言,矿山开采前,后沟流域地貌演化已经进入衰退期,泥石流基本不再发生。但矿山开采和矿渣堆放提高了该沟的易发性,泥石流活动趋向频繁。33运动过程的单调性与重复性如上所述,后沟矿山泥
13、石流的形成包括沟道矿渣揭底启 动形成泥石流、坡面矿渣面蚀启动形成泥石流以及尾矿库矿渣侧蚀形成泥石流等。沟道矿渣揭底启动形成泥石流过程可概述为“降雨-坡面汇流-沟道洪流-水力侵蚀-矿渣揭底补给-泥石流形成”的模式,坡面矿渣面蚀泥石流形成过程一般可概化为“降雨-入渗-液化- 侵蚀-矿渣失稳泥石流形成”的模式,尾矿库矿渣侧蚀形成泥石流可概化为“降雨-径流、汇流-洪流- 面蚀、揭底- 小型泥石流-尾矿侧蚀-中大规模泥石流”的过程。可以看出,由于形成条件差异性较小,三者形成过程表现为单调和重复。另外,由于弃渣泥石流物源单一,同一弃渣泥石流其粘度变化也不大,因此每次泥石流的运动过程差异不大,动力学差异性与
14、暴雨、水力条件等具有一定关联。在调查访问目击者时,目击者多用“每次都差不多”来形容弃渣泥石流的运动过程,侧面反映了弃渣泥石流运动过程的单调性和重复性。34成灾过程的相互性与链式性除具有同自然泥石流共有的对流域内或沟口居民、财产等威胁对象外,由于矿山泥石流是同矿山开采等人类活动相伴生的产物,其危害对象和成灾过程与人类活动密切相关。矿业活动产生矿渣导致泥石流,矿渣泥石流反之对矿业活动造成威胁,其危害具有相互性。另外,同绝大多数自然泥石流不同的是,由于在开采过程中废石和尾矿渣中往往含有一定 量的有毒元素和其他污染物,因此矿渣泥石流的发生往往会导致下游河流、农田、居民水源等污染2,从而表现为成灾过程的
15、另一种链式性或次生性。石棉矿具有较大的污染性,容易引发支气管肺癌等严重疾病,洪水冲蚀尾矿并引发泥石流排入楠垭河,存在导致河流污染和链式危害性。35防治过程的可控性与多元性从后沟泥石流形成可以看出,物源补给位置的集中性和固定性、补给方量的可预测性以及启动和运动过程的单调性与重复性共同决定了矿渣泥石流具有可控性。同自然泥石流防御相比,矿渣泥石流的防治原则、目的、措施更加明确,防治重点主要集中于矿渣控制和防护方面,或者通过“水土分离”方式避免矿渣参与泥石流过程,两者构成了矿渣泥石流防治的核心问题。然而,即使可控,矿渣泥石流的防治仍是复杂的问题,涉及到受害方、受益方、社会政府部门等多个方面,防治措施也
16、包括与自然泥石流相对应的稳、拦、排等多种土木工程措施、生物工程措施以及监测、群测群防体系相结合的综合防御体系,因此从防治部门到防治措施同样呈现出防治的多元性特征。4结论与防治建议1石棉县后沟在历史时期曾发生 3 次较大规模自然泥石流,现在处于流域地貌演化的衰退期,主沟自然泥石流基本 不再发生。然而由于石棉矿的开采,该沟演化成为一条典型的矿山型泥石流沟,物源主要来自下游坡面矿渣、沟床矿渣和沟口尾矿库矿渣。2后沟矿渣泥石流的成因表现为坡面弃渣面蚀、沟谷弃渣揭底和沟口尾矿库侧蚀三种。高于 10a 一遇泥石流主要是由坡面弃渣面蚀以及沟谷弃渣揭底形成,流量79 m3/s,难以对尾矿造成侧蚀,泥石流规模以小型为主; 10
