楊家灣溝礦山泥石流發(fā)育特征及形成機(jī)制分析

石敬鋒　岳建國

[摘要]與自然泥石流相比，礦山泥石流在物源補給、形成過程等方面均存在一定差異。本文從形成條件、分區(qū)特征、活動歷史等方面分析了楊家灣溝礦山泥石流發(fā)育特征，并探討了其形成機(jī)制。

[關(guān)鍵詞]楊家灣溝 礦山泥石流 發(fā)育特征 形成機(jī)制

[中圖分類號] P694 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-5-2

隨著人類對礦產(chǎn)資源的大量開采，引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，例如礦山泥石流。因其形成過程復(fù)雜、爆發(fā)突然、來勢兇猛、歷時短暫、破壞力強(qiáng)而成為山區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、資源開發(fā)的一大災(zāi)害。根據(jù)鐘敦倫等人[1-3]1981年對我國大型礦山的研究，發(fā)現(xiàn)每個礦山都暴發(fā)過泥石流，有的還曾多次暴發(fā)。

九寨溝縣草地鄉(xiāng)楊家灣溝于2003年開始露天開采金礦，采選后的棄渣沿岸坡順坡堆放，至2010年底棄渣量已達(dá)1200萬m3。2008年～2010年，每年均有泥石流發(fā)生，曾經(jīng)將溝口的主河堵塞。該溝一旦暴發(fā)大規(guī)模的泥石流，可能引發(fā)堵河-形成堰塞湖-潰壩等連鎖反應(yīng)，威脅下游3公里處文縣村寨數(shù)千人的生命財產(chǎn)安全，屬于典型的礦山泥石流。

本文通過總結(jié)楊家灣溝礦山泥石流的發(fā)育特征、形成機(jī)制，期望提高類似礦山泥石流的認(rèn)識，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)措施的針對性。

1地質(zhì)環(huán)境條件概況

九寨溝縣氣候受地形影響顯著，雨量少但降雨集中，常出現(xiàn)局地性暴雨和冰雹，縣城年均降雨量552.3mm，降水集中在雨季（5～9月），約占全年降水量的75%。

九寨溝縣草地鄉(xiāng)地處青藏高原西北部，是青藏高原向四川盆地陡跌的兩大地貌單元的過渡帶，是我國第一大地形臺階的轉(zhuǎn)折部位。

區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系礦渣、泥石流堆積和洪積層、崩坡積層、殘坡積層，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)侏倭組板巖、中統(tǒng)雜谷腦組灰?guī)r。

九寨溝位于秦嶺東西向構(gòu)造帶南緣，松潘-甘孜褶皺系東側(cè)，南與龍門山北東向構(gòu)造帶相鄰，三級不同方向構(gòu)造線形成向南凸出的弧形彎曲，縣境內(nèi)及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。第四紀(jì)以來，由于新構(gòu)造運動強(qiáng)烈抬升，溝谷下蝕作用強(qiáng)烈，形成縱比降較大的“V”型溝谷。

2泥石流基本特征

2.1泥石流形成條件

礦山泥石流形成需要具備三個基本條件： 陡峻的地形條件和溝床比降、豐富的松散固體物質(zhì)儲備和高強(qiáng)度長歷時的降雨過程[4]。

楊家灣溝位于白水江右岸，以構(gòu)造侵蝕高中山地貌為主，主溝最高海拔2366m，溝口最低海拔1292m，相對高差1074m，流域面積7.1m2，主溝溝長3.5km，平面形態(tài)呈不規(guī)則扇形，匯水區(qū)呈漏斗狀。平均坡降約356.8‰。兩側(cè)斜坡陡峭，地形坡度約40～50°，局部近70°，溝谷橫斷面多呈“V”型，溝底寬5～30m，平均溝底寬度10m。陡峻的地形有利于降雨的匯集，有利于地表降水的徑流和匯集，為泥石流水源的匯流集中提供了基礎(chǔ)。

物源分布較為集中，主要為礦渣、崩滑體、溝床堆積物等。其中礦渣類型單一，以碎塊石為主，具有孔隙度大、結(jié)構(gòu)松散、粘粒含量少、透水性強(qiáng)、穩(wěn)定性弱的特點。因物源主要分布于楊家灣主溝中上游，補給泥石流的物源區(qū)段相對固定，物源補給具有集中性。據(jù)統(tǒng)計，目前溝域內(nèi)共有松散固體物源1304.1×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為111.6×104m3。

溝域內(nèi)分布9條一級支溝，數(shù)條二級支溝，主要分布在中上游，水系呈樹枝狀，水源主要來自大氣降水，研究區(qū)5～9月降雨較豐沛，且雨量集中，強(qiáng)震后暴雨量激增，完全滿足激發(fā)泥石流的條件。

2.2 泥石流分區(qū)特征

清水區(qū)分布于上游，該區(qū)段植被發(fā)育，松散堆積層較薄，主要為泥石流的形成提供水動力條件。

形成區(qū)分布于中上游，也是采礦、選礦及堆放棄渣的主要區(qū)域（見圖1），該區(qū)主溝平均縱坡降328.2‰，岸坡陡峻，斜坡坡度30°～40°。普遍表現(xiàn)為以沖為主的特點。在具備較強(qiáng)的水動力條件時，泥石流下蝕作用大于堆積作用，其沖淤特征以沖為主。在較小的洪水或泥石流條件下，局部地段也可能出現(xiàn)小規(guī)模的淤積。

堆積區(qū)分布于下游，該段縱坡較緩，有利于泥石流物質(zhì)的淤積。但在大規(guī)模暴雨洪水或粘性泥石流作用下，其沖刷作用將加劇，仍可能對溝床產(chǎn)生一定的沖刷、下切侵蝕。

2.3泥石流活動歷史

因構(gòu)成泥石流物源的礦渣結(jié)構(gòu)松散、抗沖刷穩(wěn)定性差且缺乏有效防護(hù)，在遭受暴雨洪水侵蝕時，極易演化為泥石流，因而礦山泥石流活動具有易發(fā)性。

2008年～2010年雨季時，楊家灣溝曾暴發(fā)幾起小型泥石流，多次沖毀草地鄉(xiāng)唯一進(jìn)出的通鄉(xiāng)公路，其中2009年7月17日爆發(fā)的泥石流將溝口的主河堵塞。

泥石流龍頭呈現(xiàn)舌狀，無分選泥礫混雜堆積，仍能保持流動時的結(jié)構(gòu)特征，剖面上可明顯分辨不同期次泥石流沉積層面。新建攔渣壩和谷坊壩均已淤滿，且埋入堆積體內(nèi)深度超過3m，導(dǎo)致工程失效。

3泥石流形成機(jī)制分析

與自然泥石流相比，因礦山泥石流物源條件、地質(zhì)環(huán)境的不同，楊家灣溝礦山泥石流的形成機(jī)制也有一定差異[5]，其形成過程主要如下：

（1）初期降雨導(dǎo)致新近棄渣穩(wěn)定性降低。在降雨過程中，處于非飽和狀態(tài)的棄渣含水量不斷增加，使得其基質(zhì)吸力下降甚至是完全喪失，孔隙水壓力升高而造成土體抗剪強(qiáng)度降低，有效應(yīng)力減小，直至整個礦渣堆處于飽和狀態(tài)，坡體穩(wěn)定性降低。同時這一過程伴隨著棄渣中細(xì)顆粒的運移，細(xì)顆粒逐漸匯集到土體下部和土坡坡腳，從而使相應(yīng)位置的滲透性降低，形成滑動面，最后導(dǎo)致滑坡泥石流[6]。

（2）高強(qiáng)度持續(xù)降雨導(dǎo)致礦渣坡面侵蝕。隨著降雨的持續(xù)增加，坡體飽和后在表面形成徑流，持續(xù)流水不斷侵蝕坡面，導(dǎo)致礦渣間摩擦力降低，坡面出現(xiàn)崩塌、溜滑，部分礦渣開始起動，坡體表面出現(xiàn)細(xì)溝[7]，雨水逐漸向溝道匯集。

（3）雨水匯集形成洪流導(dǎo)致溝道礦渣起動。雨水不斷沿棄渣向溝道匯集，逐漸形成洪流，洪流帶動細(xì)顆粒運移，沖刷礦渣坡腳，岸坡棄渣局部垮塌，造成部分溝道堵塞。

（4）高含礦渣洪流裹挾運移起動泥石流。起初泥石流規(guī)模較小，主要表現(xiàn)為稀性泥石流特點，當(dāng)遇到溝床狹窄、溝道堵塞區(qū)域，會暫時形成堰塞壩。隨著泥石流不斷聚集，蓄積的動能和勢能導(dǎo)致潰決堰塞壩，瞬間形成高濃度泥石流，并具備強(qiáng)大的沖刷力，隨著溝道侵蝕及岸坡沖刷使泥石流中固體物質(zhì)濃度增加逐步轉(zhuǎn)化為粘性泥石流。

（5）沿途加大侵蝕礦渣導(dǎo)致泥石流規(guī)模加強(qiáng)。隨著洪流流速不斷加強(qiáng)及潰壩后強(qiáng)大的沖刷力，沿途不斷侵蝕坡腳導(dǎo)致大規(guī)模礦渣垮塌，局部出現(xiàn)溝道揭底、拉槽下切現(xiàn)象，使得泥楊家灣溝石流規(guī)模不斷加強(qiáng)，對堆積區(qū)及下游的村寨、道路及居民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

4結(jié)語

目前該礦山仍在進(jìn)行露天采礦作業(yè)，2013年后將改為洞采，預(yù)計繼續(xù)開采10年后停止開采。隨著溝域內(nèi)礦山開采面的擴(kuò)大、生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變（露天開采轉(zhuǎn)為洞采）和礦渣在堆載、碾壓及重力作用下的沉降、固結(jié)，除引起固體物源總量和性狀變化外，還直接或間接地改變了地表水、地下水的徑流條件，其泥石流形成機(jī)理也將發(fā)生改變，對這一方面的研究將值得關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘敦倫，嚴(yán)潤群，陳金日.初論礦山泥石流[A].中國科學(xué)院成都地理研究所編.泥石流論文集（1）.重慶：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1981，43～48.

[2]徐友寧，何芳，陳社斌，等.礦山環(huán)境地質(zhì)問題特點及類型劃分.西北地質(zhì)，2003.3：19-25.

[3]陳延方，崔鵬，劉歲海，等.礦產(chǎn)資源開發(fā)與泥石流災(zāi)害及其防治對策. 工程地質(zhì)學(xué)報， 2005，13（2）： 179-182.

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[7]胡明鑒，汪捻.蔣家溝流域暴雨滑坡泥石流共生關(guān)系試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003：824-828.