高村排土場泥石流形成的可能性分析及防治措施

李 偉 陳紅權(quán) 陳宗援

(馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)公司)

高村排土場是馬鋼南山礦業(yè)公司下屬高村鐵礦的配套排土場，設(shè)計(jì)排土堆置標(biāo)高185 m，排土場設(shè)計(jì)容積8 690萬m3[1-2]。排土場東西長約1 350 m，南北寬約820 m，排土堆置標(biāo)高90～180 m，有90，120，150，180 m 4個(gè)排土臺(tái)階，目前90～120 m臺(tái)階已經(jīng)排棄結(jié)束。高村鐵礦剝巖采用汽車+膠帶運(yùn)輸、排土機(jī)堆排的半連續(xù)排巖工藝，為提高排巖效率，排土機(jī)采取高臺(tái)階(段高65 m)堆排，利用高村排土場一期占地范圍北側(cè)220 m寬的臨時(shí)用地堆排185 m標(biāo)高的平臺(tái)，由西向東排土。高村排土場作為高村鐵礦重要的排土場地，若產(chǎn)生大規(guī)模泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，勢必會(huì)危及到下游高村采場，更有可能危及到周邊村莊，對(duì)周邊安全環(huán)境和礦山的正常生產(chǎn)帶來極大影響。本研究對(duì)高村排土場泥石流形成的可能性進(jìn)行分析，并對(duì)相應(yīng)的防治措施進(jìn)行討論。

1 排土場泥石流分類及其成因

按泥石流的基本動(dòng)力作用，可將泥石流劃分為重力成因泥石流、水動(dòng)力成因泥石流和復(fù)合成因泥石流3類；按泥石流體的流動(dòng)特性劃分，可分為稀性泥石流和黏性泥石流。在無地表水系和地下水補(bǔ)給的情況下，一般礦山排土場的泥石流多屬重力成因泥石流。在流域斜坡上積聚的大量松散固體物質(zhì)，其物理機(jī)械組成相當(dāng)于干燥的泥石流體，當(dāng)該類松散固體物質(zhì)吸收水分并達(dá)到一定含水量時(shí)，便轉(zhuǎn)變?yōu)轲こ頎盍黧w，在重力作用下沿著斜坡流動(dòng)，從而形成重力成因泥石流。固體物質(zhì)參與泥石流的過程有2種不同形式：一種是大量積聚于坡度較大的斜坡上的松散固體物質(zhì)充水后，直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍黧w，即為“堆積物滲水形成泥石流”；另一種是其他重力作用(滑坡、坍塌)下形成的泥石流，即為滑坡型泥石流。在黏土及細(xì)粒含量大的排土場，“堆積物滲水形成泥石流”較多。在顆粒較粗、透水性好的排土場，發(fā)生泥石流的可能性較小，但若周圍有隔水層(如排棄的黏土等形成相對(duì)隔水層，易形成貯水層)，在有暴雨或振動(dòng)的情況下，形成滑坡型泥石流的可能性較大。

1.1 排土場滲水形成泥石流

排土場泥石流的產(chǎn)生與所排棄巖土的物理、力學(xué)性質(zhì)及組成關(guān)系密切。如朱家包包鐵礦排土場的昔格達(dá)土和表土，昔格達(dá)土遇水強(qiáng)度急劇降低，且易軟化崩解。不良巖性的散體含量越多，越易形成泥石流。另外，水的作用對(duì)泥石流的產(chǎn)生起決定作用。水對(duì)排土場散體的作用分為靜水和動(dòng)水作用，靜水作用導(dǎo)致散體的內(nèi)摩擦角及含水量降低、增加巖土顆粒間的潤滑性及自身重量。

當(dāng)排土場的松散物料細(xì)粒含量較多時(shí)，若粒徑為5 mm的黏粒含量超過40%，排土場易失穩(wěn)，若粒徑小于0.05 mm的黏粒含量超過15%～20%，排土場散體在降水等外界因素的作用下失去穩(wěn)定的過程，即為排土場泥石流、滑坡開始形成的過程。起初，降雨強(qiáng)度小于散體的穩(wěn)定入滲值，散體未達(dá)到飽和狀態(tài)而仍可處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，隨著降雨強(qiáng)度達(dá)到或超過散體的穩(wěn)定入滲值后，上部松散巖土飽和或過飽和，其力學(xué)性質(zhì)大大降低而失去穩(wěn)定，開始向下蠕動(dòng)，由固態(tài)變?yōu)榱鲬B(tài)，并逐步演變?yōu)槟嗍?。該類泥石流主要發(fā)生于新排棄的、黏土含量高的排上場上部或邊坡凸起部位，規(guī)模一般為中、小型。

1.2 滑坡型泥石流

滑坡型泥石流的形成條件有別于一般泥石流，其發(fā)生的首要條件是滑坡體位于斜坡上，即滑坡的剪出口并非邊坡底部，而是邊坡的中、上部，因而具有較大的位能，當(dāng)斜坡坡度較陡時(shí)，在滑體前部有較大的滑坡空間或通道，在外部條件的作用下(如降雨、振動(dòng)等)，使得滑體滑出后，其位能很快會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。連續(xù)降雨、地下水的動(dòng)水壓力和靜水壓力增大等都是形成滑坡型泥石流的重要條件。

形成滑坡型泥石流的必備條件為：①滑坡在空間經(jīng)歷一段落差后，獲得足夠的動(dòng)能，并且在運(yùn)動(dòng)過程中形成類似黏滯流體的碎屑流；②排土場散體含有足夠的泥化母巖； ③滑坡的同時(shí)有充足的大氣降水或地表水補(bǔ)給。

滑坡型泥石流的行程過程可分為2個(gè)階段：排土場初始破壞階段(滑坡階段)和流動(dòng)階段。在滑坡階段，滑體的運(yùn)動(dòng)沿1個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立的剪切面滑動(dòng)，滑體經(jīng)歷了有限變形；在流動(dòng)階段，泥石流流體沿著無數(shù)個(gè)剪切面運(yùn)動(dòng)。排土場的滑坡絕大部分是由于暴雨的沖刷、匯聚和滲入引起排土場邊坡內(nèi)的孔隙壓力上升，靜水作用使得散體的抗剪強(qiáng)度降低，并增加了巖土顆粒之間的潤滑性。排上場中上部滑坡不僅給泥石流的形成提供了豐富的固體物料，而且排土場自身坡度(達(dá)30°～38°)會(huì)促使滑體釋放的勢能絕大部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由于滑坡的高速運(yùn)動(dòng)，在功能消耗的基礎(chǔ)上形成了類似黏滯流體的碎屑流。此時(shí)，若有足夠的雨水滲入，且散體中存在一定的泥化母巖(如黏土等)，發(fā)生水解后與硬巖塊及水相混合組成似液態(tài)的漿體，在滑坡動(dòng)能作用下，加之溝床有較大的縱坡，會(huì)進(jìn)一步促使滑坡向泥石流轉(zhuǎn)化，從而形成泥石流。

1.3 水動(dòng)力成因泥石流

滑坡、坍塌形成了大量的松散物料堵塞于匯水大的溝谷地帶，經(jīng)動(dòng)水沖刷后形成的泥石流，即為水動(dòng)力成因泥石流。該型泥石流與滑坡型泥石流的區(qū)別在于滑坡沒有直接形成泥石流。排土場中這2類泥石流的行成都是由于地表水作用或匯水面積較大所致。大部分礦山排土場都不易形成水動(dòng)力成因泥石流。在排土場中后期，原溝道基本被堵塞，較長的溝道內(nèi)分布有許多巨礫，使得泥石流的形成機(jī)制更為復(fù)雜。

1.4 坡面沖刷形成含沙洪水

排土場坡面受雨水沖刷較易形成含沙洪水，如潘洛鐵礦大格排土場、永平銅礦西北部排土場、海南鐵礦1#～4#排土場和德興銅礦排土場坡面都形成了較大的沖溝。排土場坡面沖刷與大氣降雨強(qiáng)度、排土場邊界條件、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、顆粒大小級(jí)配等因素有關(guān)。

2 高村排土場泥石流形成的可能性

2.1 排土場滲水形成泥石流的可能性

在泥石流研究中，一般認(rèn)為散體中細(xì)粒巖土(粒徑小于5 mm)含量大于40%，黏粒(粒徑小于0.05 mm)含量為15%～20%時(shí)，易形成滲水型泥石流，是由于黏粒粒徑小，范德華力和黏附力作用明顯，使得黏粒具有較大的親水性，遇水會(huì)很快泡脹。即細(xì)顆黏土(特別是黏粒)具有較強(qiáng)的持水性，易達(dá)到飽和狀態(tài)，在外力作用下，易產(chǎn)生滲水型泥石流。高村排土揚(yáng)散體巖性較好，主要由輝長巖、花崗巖組成，從現(xiàn)場排土情況來看，散體中細(xì)粒(粒徑小于5 mm)含量不大于40%，并且黏粒含量極少，滲透性較大，在排土揚(yáng)上部不易形成飽和帶，該類泥石流發(fā)生的可能性較小。但若采場集中剝離表土，并且進(jìn)行集中排棄時(shí)(表土顆粒粒徑較小，黏粒含量較高)，則該類型泥石流也有可能發(fā)生。

2.2 滑坡型泥石流形成的可能性

滑坡型泥石流形成的條件為排土揚(yáng)上部存在1個(gè)較大的軟弱層，靠近排土揚(yáng)坡腳且下游地基坡度較陡，較大的大氣降水和地表逕流補(bǔ)給。高村排土場由于表土總量較小，可以采取分散排棄措施，避免排土場內(nèi)部形成軟弱層；排土場上游山坡設(shè)置了截水坡構(gòu)筑載截洪溝，切斷地表逕流補(bǔ)給通道，減少了排土場雨水匯聚，排棄物中黏土含量較少，很難形成軟弱層，因此發(fā)生滑坡型泥石流的可能性較小。

2.3 水動(dòng)力成因泥石流形成的可能性

高村排土場無地表水源補(bǔ)給，徑流主要由大氣降雨和少量地下泉水補(bǔ)給，因而形成動(dòng)力成因泥石流的主因水源不充足，故該礦排土場發(fā)生動(dòng)力成因泥石流的可能性較小。

2.4 水動(dòng)力成因泥石流形成的可能性

排土場坡面受雨水沖刷不可避免，由于高村排土場排土臺(tái)階高度較大，且排土粒度較細(xì)，遇暴雨極易在排土場坡面出現(xiàn)含沙洪水，一般來說，排土揚(yáng)坡面泥沙流失量約占排土量的0.2%。

3 泥石流防治措施

(1)地表水和地下水。地下水和雨水對(duì)于排土場滑坡和泥石流的發(fā)生具有重要作用，因此需要采取一系列的工程措施進(jìn)行地表水和地下水治理和疏排工作，防止排土場平臺(tái)的匯水浸蝕和沖刷排土場邊坡?？稍谄脚_(tái)上鋪設(shè)黏土并經(jīng)過排土車輛反復(fù)壓實(shí)，杜絕地表水下滲入臺(tái)階內(nèi)部，并將排土平臺(tái)修成2%～3%的反坡，并保持排土場平臺(tái)平整、不出現(xiàn)低洼積水，使平臺(tái)匯水自然流向排土場坡根處，通過排水溝將水引出界外，可減少泥沙流失量，減輕坡面侵蝕。由于水動(dòng)能力得以減小，導(dǎo)致其在坡面上的泥沙搬運(yùn)能力大大降低，從而抑制了泥石流的發(fā)生。

(2)合理控制排土順序。在進(jìn)行礦山排土規(guī)劃時(shí)，應(yīng)分別將不同巖性的巖土(硬巖、軟巖、大塊和破碎巖石)排棄至排土場的不同位置[3]，同時(shí)將堅(jiān)硬塊巖堆置于底層以穩(wěn)固基底，或?qū)⒋髩K巖石堆置于最低一個(gè)臺(tái)階反壓坡腳。根據(jù)剝離巖石的性質(zhì)，應(yīng)設(shè)計(jì)不同的排土順序，尤其是剝離表土和風(fēng)化巖石，需要合理堆排，實(shí)行巖、土(包括風(fēng)化巖石)分排或巖、土混排，有利于提高排土場的穩(wěn)定性。排棄表土和強(qiáng)風(fēng)化巖石時(shí)，應(yīng)控制排土場的推進(jìn)速度，以免工作面一次推進(jìn)距離過大，導(dǎo)致沉降變形大，對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的安全帶來危害，也易產(chǎn)生滑坡。為此，應(yīng)有備用排土線，輪換作業(yè)，留出一定時(shí)間使新排土線達(dá)到充分沉降與壓實(shí)。針對(duì)剝離的不同巖性分別進(jìn)行堆置，避免將表土和軟弱巖石堆置于排土場下部和中間，將堅(jiān)硬巖石盡可能排棄于底層，以利于底部排水和穩(wěn)固基底及坡腳。

(3)加強(qiáng)排土場安全檢查。應(yīng)配備專門人員對(duì)排土場進(jìn)行管理，加強(qiáng)排土場觀測，一旦出現(xiàn)裂縫、大量沉降、局部邊坡滑落等現(xiàn)象，應(yīng)立即采取必要的措施防止滑坡、泥石流的產(chǎn)生，特別是雨季和雨后的1個(gè)半月內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)觀測。

4 結(jié) 語

分析了高村采場泥石流形成的可能性，并對(duì)相應(yīng)的防治措施進(jìn)行了探討，對(duì)于類似采場泥石流災(zāi)害防治有一定的參考價(jià)值。