礦區(qū)泥石流形成條件的力學分析
——以貴州省開陽縣洋水河泥石流為例

吳秀通，李金澤

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局五總隊, 安順　561000;

2.華東冶金地質勘查局八一一地質隊, 滁州　239000)

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礦區(qū)泥石流形成條件的力學分析
——以貴州省開陽縣洋水河泥石流為例

吳秀通1，李金澤2

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局五總隊, 安順561000;

2.華東冶金地質勘查局八一一地質隊, 滁州239000)

摘要：貴州省開陽地區(qū)富含磷礦礦床，是我國少有的特大磷礦區(qū)。從1958年開陽磷礦建礦至今，期間由于大量的開采磷礦、爆破巖石、修建道路、建設礦區(qū)等，曾經誘發(fā)了多次崩塌、滑坡、泥石流等自然災害。研究區(qū)域內大量矸石、礦渣和山體滑坡、崩塌堆積體等堆積于洋水河流域內，為泥石流暴發(fā)提供了大量的物源，強降雨條件下極易暴發(fā)大規(guī)模的泥石流過程，威脅沿途的礦廠設施和下游縣城居民的安全，為此分析該礦區(qū)泥石流物源總量、分布情況、分布特征及其穩(wěn)定情況，分析可能誘發(fā)泥石流的降雨強度和降雨時間，為該區(qū)泥石流預警預報和泥石流的防治提供一定的參考。

關鍵詞：貴州；開陽縣；礦渣泥石流；預警預報

礦山礦渣等一旦轉化為泥石流，其危害巨大。例如1770年5月26日滬沽鐵礦暴發(fā)的泥石流導致104人死亡，29人重傷；1990年5月31日四川省會理縣益門鎮(zhèn)煤礦暴發(fā)泥石流，導致31人死亡，3人失蹤，29人受傷，直接經濟損失400萬元；1994年7月11日關金礦區(qū)泥石流暴發(fā)，導致51人死亡，上百人失蹤，直接經濟損失上億元。“十五”期間我國各類開發(fā)建設工程項目共有7.68萬個，中國經濟飛速發(fā)展的同時，也給我們生存的環(huán)境帶來了一定的破壞。以前的經驗教訓告訴我們，礦山泥石流由于礦渣等松散堆積體物源儲量豐富，礦區(qū)建筑物、人口等密集，一旦泥石流暴發(fā)，造成的經濟損失等不可估量。因此，本文以貴州省開陽縣洋水河流域內的磷礦礦區(qū)為研究對象，研究礦山泥石流的特點和松散堆積體滑動轉化為泥石流所遵循的力學規(guī)律與過程。

貴州開陽磷礦礦區(qū)位于貴州省開陽縣內，距省會中心貴陽市北東直距約80 km，其范圍內包含了沙壩、大水溝、狼雞嶺、勒馬山、大雪山等地，礦區(qū)總共面積58 km2左右[1]，是國內少有的特大型磷礦產區(qū)。經過幾十年的露天開采和井下開采，磷礦開采為國家創(chuàng)造了巨大的經濟、物質財富，同時也給當地居民帶來了一系列的問題，其中包含地下水斷流、滑坡、泥石流等災害，例如1991年7月上旬強降雨導致該區(qū)牛趕沖熊家坡[1]發(fā)生大規(guī)?；?、泥石流，導致5#天井采場被淹；1995年6月24日[1]特大暴雨誘發(fā)特大山洪和泥石流，直接經濟損失到達20 500萬元，18人死亡，3人失蹤。為了更好的開采礦產和保護當地居民生命財產安全，緩解資源、環(huán)境和人類的矛盾，本文著重研究該區(qū)泥石流物源分布、物理特性等條件，為該區(qū)泥石流災害預警預報和治理等提供一定的參考。

1洋水河流域概況

1.1地形地貌條件

開陽磷礦[2]地處于鄂湘黔中隆起洋水背斜，背斜軸向NE25°，東翼地層傾角為25°～45°、西翼地層傾角為45°～75°的不對稱背斜，核部地層是由前震旦系板溪群清水江組地層，兩翼依次出露震旦系、寒武系、二疊系、三疊系地層，部分第四系地層零星分布，其中缺失奧陶、志留、泥盆、石炭系地層。開陽洋水磷礦礦區(qū)[3]為總體以剝蝕型、侵蝕及巖溶型中低地形為主，地表切割強烈，沖溝發(fā)育較多，陡崖隨處可見。礦區(qū)礦體露頭主要分布在險峻的山坡和陡崖之下，其坡度較陡，大于50°，絕對高度800～1 700 m。礦區(qū)礦井平硐、選礦廠、采場和排土場主要沿洋水河流域分布。

洋水河溝溝域形態(tài)近似上小下大的“8”字形，流域內主、支溝以及次級支溝、沖溝發(fā)育。溝域形態(tài)受鄂湘黔中隆起洋水背斜構造影響呈分布不對稱分布，流域具有典型的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，溝域縱向長度10.24 km，平均寬度2.2 km，溝域面積22.53 km2。溝域最高點位于南東側分水嶺處，高程1 700 m，高程800 m，主溝長度12.43 km，溝谷平均縱坡降168‰ 。

1.2清水區(qū)地形地貌條件

清水區(qū)上游段(流域高程1 380～1 700 m之間)植被覆蓋率90%以上，主要為荒廢的農田和廢棄的民房。主要由三條支溝匯流而成，溝床縱坡相對較緩，流域面積為4.31 km2。野外調查發(fā)現，該區(qū)存在地陷、地裂縫等變形破壞等跡象。清水區(qū)支流匯流平坦處為該區(qū)的排土場，估算該區(qū)可堆積130×104m3礦渣，為下游礦區(qū)安全帶來嚴重的安全隱患。

1.3物源區(qū)地形地貌條件

物源區(qū)位于海拔1 380～950 m之間，清水區(qū)和物源區(qū)之間由高約100 m的跌水坎“鬼門關”分割。該區(qū)為磷礦開采主要集中區(qū)，主要分布有采場、排土場和選礦廠等，溝谷長約2.8 km，溝道縱比降約為668‰，流域面積約為6 km2。由于該區(qū)露天開采，山腰上開鑿采礦平硐和開挖道路等導致山體基巖出露，植被覆蓋度低，水土流失嚴重，陡峭岸坡及滑塌現象較發(fā)育，形成大量崩塌、滑坡堆積體。

該區(qū)溝谷岸坡陡峻，巖性堅硬，節(jié)理裂理發(fā)育良好，松散堆積體厚度相對較大，岸坡穩(wěn)定性差，人工擾動大。溝道內多跌坎，溝床堆積物較為豐富，為泥石流活動提供了較豐富的啟動物源。

2泥石流物源特征

泥石流物源野外調查發(fā)現，該區(qū)泥石流物源主要分為兩大類：第一類是主要為礦渣和采礦、開路等形成的崩塌、滑坡堆積體，其顆粒分布粒級寬最小顆粒約為0.4 cm，主要顆粒粒徑為5～60 cm，最大顆粒粒徑到達1 m，且?guī)r性以白云巖為主，含頁巖和磷礦石等，其粒徑分布關系見表2；第二類主要是溝道堆積物，其粒徑分選性較好，上游溝道堆積物粒徑主要集中在5～10 cm，下游溝道堆積物主要集中在0.5～2 cm之間。

洋水河泥石流物源野外調查發(fā)現(表1)，該區(qū)泥石流物源主要分布在斜坡上和溝道內，斜坡松散物源主要為礦渣、崩塌、滑坡堆積體，其粒徑主要分布在5～20 cm塊石、碎石為主，堆積坡度α在26°～34°之間，平均值為32.88°，磨圓度差，含泥量低，空隙比大，粗顆粒巖性主要以白云巖為主。溝道泥石流物源主要有近期降雨作用形成的溝道堆積物，其分選性好，黏粒含量極低，處于飽和狀態(tài)，通過野外調查溝道泥石流物源堆積坡度在6°～10.5°。該區(qū)崩塌滑坡體自然堆積條件下的修止角φ約為33°，而溝道泥石流物源在飽和條件下堆積的自然休止角約為8°。而由野外調查發(fā)現洋水河流域內的泥石流物源主要為崩塌滑坡堆積體和排土場堆積的礦渣，其方量分別約為27.75×104m3和33.8×104m3。

表1　洋水河溝泥石流物源統(tǒng)計表

泥石流按照物源分布特征可以分為滑坡啟動、坡面啟動和溝道啟動[5]，按照侵蝕方式可以分為對強度衰減啟動、沖刷切割啟動、溝槽(床)拖曳啟動[6]。已有研究[7]認為礦山類泥石流是飽和條件下的地表徑流剪切破壞誘發(fā)的，也有研究[8]認為由于強降雨突變導致泥石流物源的起動。王裕宜[9]等人研究認為當泥石流物源堆積體的含水量在11.5%時，其抗剪強度是最大的，當超過該含水量時，其抗剪強度將發(fā)生突變；坡面泥石流的研究[10]表明，當堆積體含水量在20%～30%時，其抗剪強度最大，當飽和度超過75%時，其粘聚力和內摩擦角都發(fā)生急劇下降；朱向東[11]等人研究碎石土斜坡破壞機理；許建聰[12]定義碎石土為指粒徑大于2 mm 粒組的含量大于50%的土，而碎石土中粗大顆粒，比表面積小，粒間只在潮濕時具有微弱的毛細力連結，并且含水量多少對粗顆粒土的工程地質性質影響不大。

表2　洋水河碎石土樣粒級范圍表

根據余斌[13]泥石流容重計算公式得到的顆粒關系(表3)?？芍搮^(qū)泥石流主要為稀性泥石流，而稀性泥石流通用泥石流流速計算公式[14]。松散堆積體天然密度γ在2.27～2.36 t/m3之間，其內摩擦角φ在33°～35°之間。最佳含水量為1%～2%，而白云巖體天然密度為2.88 t/m3，地表糙率1/n在15～25之間，由土力學[15]計算可知，滑坡、崩塌堆積體的空隙比e為0.45。

表3　泥石流容重表

3泥石流物源起動的臨界判別模型

由靜力學可知，泥石流物源在天然自由狀態(tài)下，處于平衡狀態(tài)時，則有其初始內應力τ0大于其極限剪切狀態(tài)下的剪應力τf，即τ0>τf,否則將不滿足平衡條件而處于運動狀態(tài)；降雨條件又將從物理性質、力學平衡等方面改變泥石流物源原有的受力特征。降雨條件直接影響到堆積體含水量、有效內聚力、內摩擦角等，泥石流物源內部應力條件、滲透系數、空隙比等將直接作用于堆積體的含水量、結構構造等。

圖1　研究區(qū)地表徑流形成示意圖

由于降雨條件下，堆積體內自身的含水量、滲流量、以及滲透強度等因素，則溝道產生地表徑流時單位時間的降雨量大于土壤的滲透量和含水量，其示意圖如圖1所示。 當降雨強度超多了土體的滲透性時，地表徑流就會形成，由式1可知，流域地表徑流的形成過程可以分成三個階段、三種降雨強度進行分析和研究，三種降雨強度分別為低強度降雨、中等強度降雨和高強度降雨(包括激發(fā)雨強)，分別對應了三個階段，即：

(1)

總結前人的研究成果，沿泥石流物源堆積體斜坡面建立X-Z軸的靜力平衡方程組(如圖2所示)。而地下水形成的地下滲流力、堆積體的抗剪應力和自重應力等分別為：

(1) 單位巖土體上的有效正應力。

(2) 飽和狀態(tài)下松散巖土體的自重應力。

(3) Fredlund[20]松散巖土體的抗剪應力。

(4) 降雨作用形成地表徑流時，流體由于其本身的粘稠度將在流體內和流體與堆積體接觸面上發(fā)生剪切作用；徑流剪切力隨降雨歷時表現出雨強越大，水深越厚，剪切力越大。

泥石流物源堆積體處于平衡狀態(tài)時，沿剪滑面上應力也將滿足平衡關系，即τ>τf：

(2)

(1)hw為水深；(2)z為粗化層厚度；(3)W為土體和水體的合重力；(4)F為靜摩擦力；(5)N為支持力；(6)σ′為土的有效應力；(7)t為受到的剪應力；(8)tf為土的抗剪強度；(9)γsat為土的飽和容重；(10)gw為水的溶量；(11)φ′為有效內摩擦角圖2　溝床松散物質臨界起動的受力分析圖

4 結論

(1) 本文以貴州省開陽地區(qū)為研究背景，研究了該區(qū)域的泥石流物源分布特征、物源方量等，為泥石流暴發(fā)規(guī)模提供了一定的參考。

(2) 本文根據洋水河泥石流物源空隙比為0.45，黏粒含量低，堆積顆粒粗大等特點，分析了該區(qū)泥石流物源穩(wěn)定性特征和形成地表徑流的局部降雨強度：16～24 mm/h。

(3) 本文以洋水河為背景研究出飽和條件下，泥石流物源失穩(wěn)條件，當堆積厚度大于0.8 m時處于穩(wěn)定狀態(tài)，當堆積厚度小于0.8～0.98 m時，在臨界降雨條件下可能失穩(wěn)破壞，誘發(fā)泥石流暴發(fā)，符合泥石流野外現象。

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THE PHOSPHATE ROCK AREA DEBRIS FLOW WARNING FORECAST RESEARCH IN YANGSHUI RIVER，KAIYANGXIAN，GUIZHOU

WU Xiu-tong1,LI Jin-ze2

(1.Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau of Guizhou,Anshun561000,China;2.811 Geological Team of East China Metallurgical Geological Prospecting Bureau,Chuzhou239000,China)

Abstract:Kaiyang，Guizhou is rich in phosphate rock deposit, the jumbo phosphate rock rare in China. From 1958 kaiyang phosphate mine was built. so far , because of the mining phosphate rock, leading to many landslides ,collapse and debris flow disasters.A lot of waste rock, slag, etc from the stope and dump accumulate in the YangShui river basin, accumulation within the river basin provides a large number of source for debris flow outbreak, large-scale debris flow disasters easily starting in condition of strong rainfall , threatening the refinery facilities Along the way of the river and residents safety in the downstream county , therefore analysis of the mine debris flow provenance distribution, distribution characteristics and stable situation, analysis the possible rainfall intensity and rainfall time for induced debris flow is necessary, provide some reference for the debris flow warning forecast .

Key words：Guizhou; Kaiyang county; Debris flow; Warning forecast

作者簡介：吳秀通(1987-)，男，主要從事巖土工程勘察、地質災害方面的勘察設計工作。M-email:504573512@qq.com

中圖分類號：TD167；P642.23

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-09-20改回日期：2015-10-17

文章編號：1006-4362(2016)01-0017-05