東河河道演變對千噸選廠尾礦庫的影響分析

摘要:河流受地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科里奧利力和離心慣性力的影響,對河岸形成沖刷,從而使河道發(fā)生彎曲演變,在河道的演變過程中,有的地方從河道變?yōu)榭砂峨A地,有的地方則從河岸變成河道,這種變化不可避免地對河岸上的各種建構(gòu)筑物產(chǎn)生不良影響。對于選址于河岸附近的尾礦庫而言,按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》等法規(guī)的規(guī)定,必須充分考慮到這種不良影響,并具備可靠的防范措施,以保證尾礦庫的運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞:河道演變;側(cè)蝕作用;千噸選廠;尾礦庫;選址

中圖分類號:P694

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)18-0184-03

在實(shí)際工作中,尾礦庫的選址工作一直是設(shè)計人員與礦山管理人員非常重視的工作,在一些地區(qū),當(dāng)沒法找到合適的山溝建庫時,就只有在山間河灘上選地建庫,而此時就不可避免的有部分壩段接近河流邊緣,山間河流極易爆發(fā)山洪、泥石流等災(zāi)害,可能由于河道下切沖蝕或河床淤積等使河床在水平和垂直方向上發(fā)生變化,從而對建于河灘之上的尾礦庫造成不良影響,下面以柿竹園礦千噸選廠尾礦庫為例對其影響進(jìn)行分析。

一、東河及千噸選廠尾礦庫概況

(一)東河概況

東河原名大浪江,源于西山坪頭嶺,流經(jīng)柿竹園礦、白露塘、雅市,從大面洲注入東江,為東江一級支流,全長約42.7km。東河在柿竹園公司總部南部延伸9.5km,河床寬窄不一,最寬處位于金獅嶺采石場上,寬60余米,最窄處位于建設(shè)橋南100m處,河床寬僅10余米;河道兩側(cè)為柿竹園公司柴山工區(qū)以及多金屬采場,同時還存在大量民采,故兩岸多處存在采礦廢石場。從礦部所處位置山口流出后,河床驟然開闊,其河漫灘及階地寬度可達(dá)千米以上。水量受降雨量控制,流量一般為0.3～55m3/s,平水期平均流量4m3/s,枯水期平均流量0.5m3/s,雨季比平水期增大數(shù)倍。

(二)千噸選廠尾礦庫概況

柿竹園礦千噸選廠尾礦庫于1998年10月投入使用,初期壩采用砂卵石堆筑,壩頂標(biāo)高187m,壩高6m,后期最終堆積標(biāo)高191m。最大壩高10m,總庫容238.3萬m3,總有效庫容202.5萬m3?？蓾M足選廠服務(wù)10.5年。2002年長沙有色冶金設(shè)計院對該庫進(jìn)行了擴(kuò)容設(shè)計:在原有壩基礎(chǔ)上加高4m,增加總庫容150萬m3。

庫區(qū)位于東河西岸河漫灘,沿河向成長方形分布,東部緊貼河道,壩腳與東河之間僅為一個寬不到10m的臺階;西側(cè)階地寬闊平緩,廣布農(nóng)田。庫區(qū)地形平坦,尾礦庫匯水面積0.4km2,占河灘40hm2,四面筑壩形成庫區(qū)。

庫區(qū)地質(zhì)條件單一,表層多為厚度不超過0.5m的粉砂或粉土覆蓋,僅西北角有一層灰色或桔黃色粉質(zhì)粘土出露,覆土之下,全區(qū)廣泛連續(xù)埋藏深厚卵礫石層,初期壩及排洪設(shè)施均置于其上,卵礫石含砂率不高,含泥微少,巖質(zhì)堅硬,最大粒徑100～400mm之間,頗為密實(shí),透水性良好。地下水為孔隙型潛水,埋藏深度一般2.2～2.8m,流向由南向北偏東。在建庫時,表層土基本被挖走,壩基基本上是座落在卵礫石層之上。

(三)河道整治

東河在尾礦庫建設(shè)過程中對庫區(qū)經(jīng)過河段的彎道進(jìn)行了整治,使其在尾礦庫東部形成一條直線河道,緊挨庫區(qū)南側(cè)與原河道相接;改直河流底坡降i=0.01,河床寬40m,與下游整治河道一致,河道平均開挖2m深,長為800m,河道開挖量用于填筑河堤和筑壩,河岸及靠河道的壩外側(cè)下部用漿砌塊石護(hù)坡,河道內(nèi)修建了5道駝峰滾水壩及3道丁字壩,以減緩流速、固定水流、保護(hù)河堤。東河與千噸選廠尾礦庫相對位置如圖1所示:

二、2006年東河洪水造成尾礦庫局部垮壩

2006年7月14日至15日,受強(qiáng)臺風(fēng)“碧利斯”的影響,郴州地區(qū)遭受500年一遇強(qiáng)暴雨襲擊,短時間內(nèi),山洪裹挾著大量礦山廢棄泥石從東河上游直沖而下,對上游山谷內(nèi)的溝床沖刷十分嚴(yán)重,沖出溝口后,大量的泥沙、石塊等逐漸堆積在谷口以下3km的范圍內(nèi),將此處河床抬高,洪水漫堤后直沖尾礦庫東壩局部地段,造成該處被不斷掏空,形成垮壩,流失尾礦上萬立方米,對下游造成了不良的社會影響。

三、東河河床演變趨勢及特征分析

(一)河床演變的理論依據(jù)

受地球自轉(zhuǎn)所形成的科里奧利力及慣性離心力的影響,流動的河水將對河岸形成沖刷,對于北半球的河流而言,自西向東的河流右岸沖刷嚴(yán)重,自東向西的河流左岸沖刷嚴(yán)重,南北向的河流右岸沖刷嚴(yán)重。

河水及其攜帶的碎屑物對河床兩側(cè)或河谷谷坡的破壞作用稱側(cè)蝕作用。側(cè)蝕作用的結(jié)果是使河谷展寬,使河床變彎曲。在河流的任一河段其下蝕作用和側(cè)蝕作用都是同時進(jìn)行的,但在河流縱比降較小的彎道河段中側(cè)蝕作用占主要地位。這是由于彎道河段流水的慣性離心力,使主流線偏移并發(fā)生單向橫向環(huán)流的結(jié)果。

河水進(jìn)入彎道河段后,水流受慣性離心力的影響,其主流線逐漸向凹岸偏移,至河彎頂部,主流線緊靠凹岸,使彎頂?shù)陌及妒芰魉膹?qiáng)烈沖蝕,經(jīng)過反復(fù)沖蝕,使凹岸壁底部被掏空并發(fā)生崩坍而向后退。水流的主要沖擊點(diǎn)(稱頂沖)則與流量的變化存在密切關(guān)系,低水位時,頂沖位于彎頂稍靠上的部位,高水位時,頂沖位置會向下游偏移,發(fā)生在彎頂以下,導(dǎo)致流水對彎頂?shù)臎_刷位置發(fā)生周期性的移動。

與此同時,彎道水流在其慣性離心力作用下產(chǎn)生單向橫向環(huán)流。單向環(huán)流的表流對凹岸進(jìn)行侵蝕,底流則把破壞下的碎屑物質(zhì)帶向凸岸。

由于單向環(huán)流、主流線的偏移,彎頂附近的凹岸受到強(qiáng)烈的沖蝕使岸腳被掏空并導(dǎo)致岸壁塌落、后退。與此同時,環(huán)流還將部分較細(xì)的碎屑物質(zhì)帶至凸岸沉積,使凸岸不斷前伸,致使河谷或河床愈來愈彎曲。

(二)東河河床演變的趨勢與演變特征

東河為一條典型的山溪季節(jié)性沖積河流,流經(jīng)不同的地質(zhì)區(qū)域,受河道邊界條件和河床質(zhì)地因素的限制,河床形態(tài)的發(fā)育和平面位置始終是在沖刷和沉積的過程中調(diào)整變化。

不同河段的河床形態(tài)隨水流條件而異,受河流的沖刷河床斷面變窄,而泥沙的淤積將使河床變寬,通過對河道的調(diào)整讓河流過程達(dá)到一種新的相對平衡,河床橫斷面形態(tài)也隨之不斷變化。其橫斷面形態(tài)變化在空間上表現(xiàn)為:上游山谷內(nèi)河段以下蝕、沖刷為主,橫斷面形態(tài)多呈“V”字型;中下游河段河床沖、淤作用兼有,河床橫斷面形態(tài)多呈“U”字型。

在河道中下游,彎道對河床形態(tài)變化的影響極大。彎道改變了水流力學(xué)性質(zhì)和泥沙輸移方式。河流沖淤過程隨水流方向、水流曲率發(fā)生變化,研究表明,在不穩(wěn)定流條件下,河流橫斷面隨時間變化,并且通過沖刷和淤積,不斷地對河道進(jìn)行著改造調(diào)整,以達(dá)到相對平衡。

柿竹園公司總部以南山谷內(nèi)河段河流比降較大,水流具有較強(qiáng)的攜沙能力,輸沙常處于不飽和狀態(tài),東河的河床演變是以縱向沖刷下切、橫向侵蝕拓寬為主的發(fā)展趨勢。由于上游河段通過地段兩側(cè)為柿竹園公司的兩個開采工區(qū)以及大量民采,這些采礦活動對地表植被破壞極大,還在地表遺留了大量的松散廢石,因此上游匯水區(qū)的保水能力下降,極易導(dǎo)致破壞性山洪爆發(fā),山洪爆發(fā)的時候會將上游存在的大量廢石攜帶至山谷之外,攜石水流的沖刷能力十分強(qiáng)大,但由于山谷內(nèi)堅硬河床的限制,此河段內(nèi)河流橫向擺動的可能性極小,最主要的演變是河床的下切侵蝕,這一點(diǎn)從上游河床內(nèi)的多外攔石壩被沖毀就可得到證明。

東河在公司總部沖出山口后,河谷突然變寬,河床坡降明顯變緩,在原來沒有改造的情況下,東河在此地段是多彎的,并且還在慢慢地擺動;在對河道進(jìn)行拉直整治,尤其是在千噸選廠尾礦庫建成后其東側(cè)河段拉直后,在尾礦庫上游不遠(yuǎn)處與原河道相接位置還是一個大彎道(如圖1所示),河水沖過彎道后直接進(jìn)入拉直的河段。在這種特殊邊界條件和水文條件的局部河段,發(fā)生顯著的河床變形,一則是河道變緩后大量砂石淤積,使河床抬高,河寬展寬,這一點(diǎn)從2006年“碧利斯”引發(fā)的洪水過后東河河床抬高近1m得到證明;二則高速洪流的側(cè)蝕作用對河岸的沖刷破壞將導(dǎo)致河流有從直向彎轉(zhuǎn)變的趨勢,甚至導(dǎo)致河流脫離原有河道。

(三)東河河床演變對尾礦庫的破壞

東河河床演變對千噸選廠尾礦庫的破壞主要表現(xiàn)在如下方面:

1.每年雨季,山洪爆發(fā)時將上游大量的泥沙、廢石帶出山溝,形成稀性泥石流,對下游河道內(nèi)及附近建構(gòu)筑物造成極大的安全威脅。

2.山洪帶下的泥石沖出山溝后在溝口幾公里范圍內(nèi)快速沉積,將河床抬高,經(jīng)過幾次洪水后,原有的河堤等設(shè)施基本失去作用,洪水越過河堤對尾礦庫造成威脅。

3.由于尾礦庫上游不遠(yuǎn)處的彎道引起河內(nèi)洪水的橫向擺動,對壩腳形成側(cè)蝕,造成尾礦庫臨河壩段發(fā)生垮壩,引起尾礦流失,造成極大的社會影響。

四、尾礦庫的安全防范措施

為保護(hù)千噸選廠尾礦庫的安全,必須對東河進(jìn)行必要治理、治理過程中應(yīng)堅持“統(tǒng)籌兼顧、綜合潰理、因地制宜、因勢利導(dǎo)、變害為利”的原則。根據(jù)東河河道演變情況控制河勢變化,結(jié)合河道周邊條件和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、材料情況,對其進(jìn)行綜合治理。

1.清淤筑堤?？山Y(jié)合河道清淤筑堤,加大河道行洪斷面,提高河道行洪標(biāo)準(zhǔn)。

2.在彎道后的順直河道內(nèi)修丁壩、調(diào)整河勢,但丁壩不能修得過高或過長,在現(xiàn)場選好角度,兼顧左右岸,以免威脅對岸。

3.必要時調(diào)整尾礦庫上游河道的彎度,減小其側(cè)向慣性離心力對兩側(cè)河岸的影響。

4.結(jié)合礦山的整治,尤其是對民采礦山的整治,搞好河流上游水土保持。

5.制定東河的長期治理規(guī)劃。

6.由于柿竹園屬于多金屬礦,其尾礦中含有較多的未選有用成分,利用價值很高,在技術(shù)允許的情況下可以對尾礦進(jìn)行綜合利用,把尾礦庫從該處搬走,徹底消除河流對尾礦庫的不良影響。

五、結(jié)語

河流的彎直演變是自然界的一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象,在其演變過程中,不可避免地對人們的經(jīng)濟(jì)活動造成不良影響,為了應(yīng)對這種不良影響,則需要人們采取各種措施以保證人類活動不受影響。

尾礦庫作為礦山企業(yè)中一個十分重要的生產(chǎn)設(shè)施,也是國家安全生產(chǎn)方面關(guān)注的重點(diǎn),其選址不單只注意尾礦庫自身?xiàng)l件與因素,也應(yīng)考慮外界因素對尾礦庫可能造成的影響,這樣才不會造成不必要的損失。

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作者簡介:郭朝陽(1971-),男,湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院水工環(huán)地質(zhì)工程師,注冊巖土工程師。