四川峨邊縣蔣溝礦渣侵蝕泥石流成因與特征

呂學(xué)軍,倪化勇,徐如閣,巴仁基

(1.濱州學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃系,山東濱州256603;2.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,成都610081)

2010年是西部大開(kāi)發(fā)實(shí)施十周年。隨著西部山區(qū)開(kāi)發(fā)和礦業(yè)開(kāi)采的深入,大量礦渣的露天堆放,尤其是廢棄礦先期礦渣的處理,成為了一個(gè)突出的山區(qū)環(huán)境問(wèn)題。堆放不合理的礦渣為泥石流的發(fā)生提供了大量的物源。這類(lèi)由不合理堆放的礦渣所引發(fā)的泥石流被稱(chēng)為礦山泥石流,屬于典型的人為泥石流之一[1]。目前,該類(lèi)泥石流已經(jīng)引起高度關(guān)注[2-11],其成因存在多種類(lèi)型,歸納起來(lái)包括面蝕型、揭底型、側(cè)蝕型、潰決型和其他復(fù)合型等。

蔣溝系峨邊縣境內(nèi)一條典型礦渣型泥石流,流域內(nèi)早震旦系花崗巖分布廣泛且富含鉀長(zhǎng)石,采礦-洗礦-輸沙等一系列礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致蔣溝流域環(huán)境生態(tài)惡化,早期開(kāi)放式、露天式堆放的礦渣在近年的強(qiáng)降雨下遭受侵蝕,導(dǎo)致泥石流頻繁發(fā)生,形成了大雨大沖、小雨小沖的發(fā)生態(tài)勢(shì)。泥石流淤埋田地,大量砂石輸入大渡河,產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問(wèn)題與安全隱患,對(duì)其進(jìn)行調(diào)查和探討在礦渣侵蝕類(lèi)泥石流研究方面具有一定的代表性意義。

1 環(huán)境地質(zhì)背景

蔣溝位于峨邊縣五渡鎮(zhèn)工農(nóng)村,系大渡河右岸一級(jí)支流,由SSW 向NNE注入大渡河。流域地形地貌屬于中山-峽谷侵蝕地貌,流域面積3.5 km2,主溝長(zhǎng)度6.5 km,相對(duì)高差1 020 m,流域形態(tài)呈葫蘆狀(圖1)。蔣溝泥石流流域左右明顯不對(duì)稱(chēng),右岸陡峻,流域狹窄,幾乎沒(méi)有支溝,而左岸開(kāi)闊,坡度相對(duì)較緩,支溝眾多,水系呈梳狀。

流域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,構(gòu)造部位處于龔嘴背斜東翼,五渡-利店斷層自NNE至SSW向沿溝穿越。流域內(nèi)出露早震旦紀(jì)、震旦紀(jì)、奧陶紀(jì)、二疊紀(jì)和第四紀(jì)地層,巖性分別為早震旦系花崗巖(r22)、震旦系上統(tǒng)觀音崖組(Zbg)石英砂巖和灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O1h)紫紅色、灰色砂巖、二疊系下統(tǒng)(P1)石灰?guī)r含燧石條帶夾白云巖以及第四系沖積物、泥石流堆積物和坡積物等(圖1)。流域內(nèi)地層以早震旦系花崗巖和二疊系下統(tǒng)(P1)石灰?guī)r含燧石條帶夾白云巖為主,兩者以五渡-利店斷層為界分別分布于蔣溝的左岸和右岸,其中,早震旦系花崗巖分布占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),分布面積廣泛(圖1)。但流域內(nèi)花崗巖風(fēng)化嚴(yán)重,處強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),部分全風(fēng)化;奧陶系下統(tǒng)紅石崖組(O1h)紫紅色、灰色砂巖則分布于胡崗上游段r22與P1之間的河溝地帶,震旦系上統(tǒng)觀音崖組(Zbg)石英砂巖和灰?guī)r分布較少,僅僅分布于流域最上游的羊兒坳一帶;第四系沖積物的分布以溝口堆積扇和溝道堆積為主,泥石流堆積物則分布于下游溝道寬闊地區(qū)。

蔣溝流域內(nèi)礦業(yè)開(kāi)采人類(lèi)工程活動(dòng)極其頻繁,生態(tài)環(huán)境惡化,植被破壞嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查,流域中游左岸支溝內(nèi)存在兩處早期開(kāi)采的大型礦渣,目前正在進(jìn)行的采礦、洗礦、采砂活動(dòng)主要集中在中游左岸和下游左岸。據(jù)遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,流域內(nèi)目前正在開(kāi)展的采礦、洗礦、采砂等大型礦區(qū)至少5處(圖1),大面積山體斜坡被采空,破碎不堪的挖空區(qū)代替了郁郁蔥蔥的植被,在降雨發(fā)生的情況下,水土流失嚴(yán)重,泥石流發(fā)生頻繁。

圖1 蔣溝泥石流流域、地質(zhì)及礦渣分布圖

2 泥石流成因

同自然泥石流一樣,礦渣泥石流的發(fā)生需同時(shí)具備水源、物源和具有一定溝床比降的地形三個(gè)條件,但三者對(duì)泥石流發(fā)生的作用同自然溝谷泥石流不同,以大量松散礦渣為主的物源是蔣溝泥石流的決定性條件,而從蔣溝泥石流形成的動(dòng)力條件來(lái)看,屬于降雨-侵蝕-崩滑-搬運(yùn)復(fù)合型泥石流,侵蝕成為泥石流形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 礦渣與物源

蔣溝泥石流物源幾乎全部來(lái)自中上游支溝內(nèi)早期鉀長(zhǎng)石采礦過(guò)程中露天式開(kāi)放堆積的砂礫石礦渣。同自然泥石流相比,蔣溝礦渣類(lèi)泥石流物源方面呈現(xiàn)出明顯的集中性特征。據(jù)調(diào)查,早期礦渣主要有兩處(圖2),分別堆積于流域中上游左岸支溝兩岸(見(jiàn)圖1中的矩形框內(nèi)),其位置、規(guī)模等見(jiàn)表1。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),早期渣堆(1)和早期渣堆(2)均沿溝橫向堆放,渣堆土體以含礫石砂土為主,礫石含量約占40%～50%,塊度2～5 mm,砂含量約占 50%～60%,土體松散,基本上無(wú)膠結(jié),粘聚力差,透水性較強(qiáng)。其中,早期渣堆(1)渣堆沿溝邊坡坡度38.7°,早期渣堆(2)渣堆沿溝邊坡坡度44.5°。

表1 早期礦渣調(diào)查表

圖2 早期礦渣

同松散礫砂、粗砂在飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角為28°[12]相比,早期渣堆(1)和早期渣堆(2)都超過(guò)摩擦角上限。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看,早期渣堆(1)受河水侵蝕和雨水沖刷的影響,渣堆溝壑縱橫,多處發(fā)生滑塌(圖2),嚴(yán)重?cái)D占溝道,礦渣堆放處河床寬度僅僅2～3 m;對(duì)于早期渣堆(2),據(jù)訪問(wèn)2009年6月前堆積體上方曾居住一住戶(hù)且已居住多年,渣堆被開(kāi)墾為旱地。然而2009年6月28日,峨邊縣普降大到暴雨,渣堆坡腳遭受河水沖刷礦渣發(fā)生滑坡,住戶(hù)房屋、院壩一起滑落,使得渣堆穩(wěn)定性降低,礦渣擠占溝道嚴(yán)重。

可見(jiàn),兩處早期渣堆目前穩(wěn)定性差,為以往曾經(jīng)發(fā)生的泥石流以及今后可能發(fā)生的泥石流均提供大量的物源,且已經(jīng)形成了降雨-侵蝕-礦渣崩滑-泥石流搬運(yùn)-礦渣進(jìn)一步滑塌-泥石流再次搬運(yùn)的循環(huán)局面(圖3)。

圖3 洪水侵蝕-礦渣滑坡-補(bǔ)給泥石流關(guān)系圖

2.2 水源

蔣溝泥石流水源全部來(lái)自降雨及其匯流產(chǎn)生的溝道水流。整個(gè)蔣溝流域的匯水區(qū)面積主要包括570 m高程以上的流域,但事實(shí)上對(duì)泥石流發(fā)生起決定性作用的匯水區(qū)主要包括早期渣堆堆放的支溝流域(圖1),匯水面積僅僅0.35 km2,高程在640 m以上,形態(tài)呈紡錘狀。但該區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,雨量充沛,年均降水量為1 275.5 mm,年平均降水日達(dá)到163.3 d,最多達(dá)182 d,連續(xù)最長(zhǎng)降水日數(shù)18 d,日最大降水量為157.4 mm,尤其是降水季節(jié)分布不均,主要集中在6-8月,三月降雨量占年降水量的57.4%?？梢?jiàn),降雨量四季分布不均勻,汛期以暴雨降水為主,為溝道匯流創(chuàng)造了良好條件。

2.3 地形

從蔣溝泥石流啟動(dòng)部位、運(yùn)動(dòng)路徑和堆積部位來(lái)看,蔣溝泥石流可明顯分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)(圖4)。形成區(qū)包括匯水區(qū)和礦渣啟動(dòng)區(qū),主要指堆積有早期渣堆的支溝,支溝長(zhǎng)約1 200 m,溝床比降336‰,明顯高于平均縱比降(157‰),溝谷呈V型,兩岸斜坡坡度為20°～40°,紡錘狀;流通區(qū)主要指高程720～550 m的主溝段,長(zhǎng)約950 m,溝床比降僅143‰,比較平直,溝谷也呈V型,右岸斜坡陡峻,坡度 50°～ 70°,左岸相對(duì)較緩 ,坡度 25°～ 35°;堆積區(qū)主要分布在現(xiàn)5號(hào)選礦區(qū)上游,受該選礦區(qū)礦堆的阻擋作用,泥石流堆積于下游溝道,5號(hào)選礦區(qū)以下則為溝口段以及大渡河交匯段,溝道寬度3～5 m。該地形有利于雨水的匯集和徑流形成,使得泥石流的啟動(dòng)條件降低。

圖4 蔣溝泥石流溝床縱剖面示意圖

3 泥石流特征

3.1 堆積與規(guī)模特征

蔣溝在下游溝道開(kāi)闊處進(jìn)行了堆積,形成一舌狀巨型堆積扇(圖5)。據(jù)測(cè)量,扇體長(zhǎng)約300 m,寬平均約70 m,厚度約3～4 m,體積約5.5萬(wàn)m3。這部分堆積體主要由2009-06-28泥石流所造成,屬于中等規(guī)模泥石流,但由于物源豐富,啟動(dòng)條件具有重復(fù)性,因此水力條件的不同決定泥石流規(guī)模的差異性,降雨強(qiáng)烈,水力侵蝕能力大,礦渣補(bǔ)給多,則泥石流規(guī)模大,反之,泥石流規(guī)模小。

圖5 泥石流堆積

從堆積組成來(lái)看,蔣溝泥石流堆積物同礦渣物源在機(jī)械組成上具有一致性,堆積物機(jī)械組成同渣堆機(jī)械組成相同,均由砂和礫石組成,屬于粗粒土,幾乎不含有漂石和黏土,表明泥石流形成主要來(lái)自早期露天開(kāi)放式堆放的渣堆,而流域內(nèi)自然不良地質(zhì)現(xiàn)象較少,從而呈現(xiàn)出堆積物機(jī)械組成的固定性和單一性特征。另外,同自然泥石流堆積相比,蔣溝泥石流的堆積比降較小,僅約5°,反映了其動(dòng)力特征較弱。

3.2 易發(fā)性與頻發(fā)性特征

由于物源補(bǔ)給豐富,礦渣失穩(wěn)的臨界條件低且不變,只要降雨形成溝道徑流后,即可對(duì)渣堆坡腳進(jìn)行侵蝕,導(dǎo)致渣堆不斷垮塌,洪水含沙量的增加進(jìn)一步增強(qiáng)了其侵蝕能力,渣堆垮塌規(guī)模不斷增大,洪水?dāng)y帶大量礫砂運(yùn)動(dòng),隨著礦渣垮塌和流體中固體物質(zhì)含量的增加,泥石流最終形成?？梢?jiàn),礦渣型泥石流啟動(dòng)條件低,物源補(bǔ)給的連續(xù)不斷性決定了蔣溝泥石流的易發(fā)性和頻發(fā)性。

3.3 溝床地貌的復(fù)雜演變性特征

泥石流和洪水的交替發(fā)生對(duì)蔣溝溝床地貌的演變和塑造起到了巨大的沖淤變化作用,使得溝床地貌演變快速。2009年 7月22日調(diào)查發(fā)現(xiàn),“2009-06-28”泥石流的發(fā)生,對(duì)早期渣堆(1)下游之溝床起到了很好的鋪床作用,溝床淤高近1 m且床面平坦(圖6);而8月28日再次調(diào)查發(fā)現(xiàn),該處河床地貌發(fā)生了明顯變化,洪水再次侵蝕下切“2009-7-22”河床,下切深度近1 m,老河床礫石和漂石也被揭露出來(lái),并在溝床兩側(cè)形成三級(jí)階面,造就了暫時(shí)性泥石流階地地貌景觀(圖6)。通過(guò)降雨觀測(cè)資料的推測(cè),得知系由“2009-8-15”洪水的漲峰過(guò)程或峰頂過(guò)流所致。

圖6 泥石流對(duì)溝床的快速塑造作用

再如,在5號(hào)洗礦-采砂區(qū)上游的溝道開(kāi)闊區(qū),受局部彎道、礦區(qū)阻擋以及地形開(kāi)闊的共同影響,泥石流流體擴(kuò)散,流速和攜帶能力均降低,泥石流開(kāi)始堆積,形成了一個(gè)平整的巨大舌狀扇體,蔚為壯觀。而后續(xù)的洪水快速侵蝕下切,下切深度達(dá)2.2 m,將扇體一分為二。

3.4 泥石流危害特征

蔣溝泥石流的危害主要表現(xiàn)在淤埋田地和環(huán)境破壞兩個(gè)方面(圖7)。

(1)淤埋田地。蔣溝流域內(nèi)田地主要分布在下游右岸陡崖下方的開(kāi)闊緩坡地帶,同泥石流在下游溝道內(nèi)停淤場(chǎng)所一致。2009年泥石流堆積扇扇面面積達(dá)6.3萬(wàn)m2,直接導(dǎo)致2 hm2多田地被淤埋,糧食絕收,還沖擊淤埋大量的灌叢。另外,河床被泥石流填埋淤高后,大量河水漫過(guò)扇面抵達(dá)高處,使得高處近1.3 hm2田地也受到影響。隨著扇體的進(jìn)一步淤高,今后受到影響的田地也將進(jìn)一步向高處延伸而增加。

(2)環(huán)境破壞。蔣溝泥石流對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)一步表現(xiàn)在水土流失、生態(tài)破壞和增大大渡河含沙量3個(gè)方面。通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),蔣溝泥石流的發(fā)生,實(shí)際上是對(duì)蔣溝流域內(nèi)土體快速輸送的一種方式。隨著泥石流發(fā)生頻率的增加和規(guī)模的增大,大量的土體被攜帶至下游,改變河床地貌的同時(shí),使得流域內(nèi)土體減少?gòu)亩绊懎h(huán)境;另外,作為土體輸送的一種快速方式,蔣溝泥石流最終將大量泥沙輸入了大渡河。調(diào)查發(fā)現(xiàn),即使在平水期,蔣溝水體仍然渾濁,含沙量極高(圖7)。在入?yún)R處,蔣溝水體呈現(xiàn)出明顯的高含沙量,隨著時(shí)間的積累,數(shù)十萬(wàn)立方米的砂石將輸入大渡河,影響大渡河水體,甚至影響大渡河下游電力開(kāi)發(fā)。

圖7 泥石流危害(左為淤埋田地,中為沖毀灌叢,右為輸沙)

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)蔣溝泥石流的調(diào)查和上述分析認(rèn)為:礦渣侵蝕類(lèi)泥石流在形成條件上表現(xiàn)為物源集中性和機(jī)械組成以砂礫石土為主的固定性;發(fā)生過(guò)程呈現(xiàn)出降雨-侵蝕-崩滑-搬運(yùn)復(fù)合型和循環(huán)性,侵蝕為泥石流形成和發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié);泥石流堆積物成分單一,堆積比降小,地貌塑造作用強(qiáng);蔣溝泥石流在未來(lái)數(shù)年表現(xiàn)為高易發(fā)性和高頻發(fā)性特征。

為了進(jìn)一步防止下游田地的淤埋和大量礦渣沙石輸入大渡河,建議對(duì)蔣溝泥石流采取必要的工程措施進(jìn)行治理。根據(jù)蔣溝泥石流礦渣物源的分布、粒度特征和提供方式可以看出,水土分離、固床或擋墻措施成為該類(lèi)泥石流防治的重要方法,防治效益比較明顯,防治成本亦較低。

對(duì)于早期礦渣(1),建議在礦渣坡腳處修建高約2 m,長(zhǎng)約150 m的漿砌石擋墻,溝床采用漿砌石鋪底防止侵蝕下切;對(duì)于早期礦渣(2),建議在礦渣坡腳處修建高約3 m,長(zhǎng)約60 m的漿砌石擋墻,溝床同樣采用漿砌石鋪底防止侵蝕下切。通過(guò)礦渣擋墻和河床鋪底的修建,汛期洪水將不再對(duì)礦渣進(jìn)行侵蝕搬運(yùn),從而從物源上控制了泥石流的發(fā)生。除此之外,輔以必要的植被恢復(fù)工程,其效益將更加明顯。

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