隧道棄渣顆粒粒徑對泥石流起動的控制作用
——以蘭州市爛泥溝為例

劉興榮，崔 鵬，董耀剛，張連科，宿 星

(1.甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

近年來，隨著交通業(yè)的發(fā)展、礦區(qū)開采和城市規(guī)模的擴大，城市不斷地向山區(qū)拓展空間，建設(shè)過程中不可避免地形成大量棄渣，由棄渣誘發(fā)或加劇的泥石流已成為山區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展不容忽視的環(huán)境地質(zhì)問題[1-2]。棄渣泥石流是一種典型的人為泥石流，最早引起人們關(guān)注的是礦山棄渣導(dǎo)致的泥石流，如2008年9月8日山西襄汾新塔礦業(yè)公司鐵礦尾礦庫潰壩引發(fā)的泥石流導(dǎo)致271人死亡或失蹤[3-4]。近幾年，人們對棄渣型泥石流越來越關(guān)注，對礦渣以外的棄渣問題也進行了研究，主要集中在兩個方面：一是棄渣場邊坡穩(wěn)定性研究，如劉菲等通過試驗和力學(xué)平衡探討工程棄渣坡體失穩(wěn)形成泥石流的過程，許虎等利用GEOSLOPE軟件結(jié)合工程實例進行棄渣穩(wěn)定性評價；

二是棄渣型泥石流危險性評價，如宮雪等分別對礦渣型泥石流危險度進行了評價。前述研究主要針對坡面棄土和棄渣，沒有涉及隧道棄渣，而隧道棄渣巖土體類型相對單一，顆粒粒徑更為集中，黏粒含量少，而且隨著隧道施工工藝的發(fā)展，會在短時間內(nèi)集中大量棄渣。因此，筆者對由隧道棄渣形成的泥石流進行研究，希望能為隧道棄渣堆放治理和渣場選址提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

爛泥溝發(fā)育于蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)邵家泉村，溝口位于蘭州市城關(guān)區(qū)的焦家灣一帶。流域呈長條形，面積22 km2，主溝長約12 km，溝道下切深度0.5～1.0 m。流域內(nèi)最高點位于溝腦處的酸果子灣，海拔2 278 m，最低點位于溝口處，海拔1 550 m，流域相對高差約728 m，走向305°，溝床平均縱坡降46‰，溝道兩岸邊坡坡度為20°～55°，溝床寬10～60 m。上游呈V形，谷底狹窄，溝谷兩岸邊坡較陡，小型滑塌發(fā)育；中下游呈U形，谷底較寬，兩岸坡體較完整。溝道兩岸邊坡巖性以泥巖和黃土為主，黃土披覆于基巖上部，厚度大于20 m。屬北溫帶半干旱氣候區(qū)，總體氣候特點是降水稀少、干燥寒冷、晝夜溫差大、冬季較長。據(jù)榆中縣和蘭州市城關(guān)區(qū)氣象站資料統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)最大年降水量為607.3 mm，最小年降水量為231.1 mm，平均年降水量為395.3 mm，1 h最大降水量為51.9 mm，10 min最大降水量為18.6 mm。降水量年內(nèi)分配很不均勻，多集中于5—9月份，期間降水量約占年降水量的64%。

據(jù)走訪和查閱歷史記載，爛泥溝分別在1946、1948、1951年發(fā)生過較大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，共造成25人死亡。近幾年，在修建古城嶺隧道時向爛泥溝內(nèi)集中堆積隧道棄渣約49萬m3，修建南繞城公路隧道時在爛泥溝一級支溝咸水溝內(nèi)堆積棄渣約30萬m3，目前爛泥溝存在因隧道棄渣誘發(fā)或加劇泥石流的隱患。

2 研究方法

對爛泥溝內(nèi)的古城嶺隧道棄渣堆積場進行實地調(diào)查，獲取和統(tǒng)計隧道渣體的體積、占用面積、渣體邊坡高度及穩(wěn)定性、堆放形式、物質(zhì)組成及粒徑大小等參數(shù)。在渣堆上隨機選擇3處棄渣樣品(S1、S2、S3)，另隨機選取2處原始溝床泥石流物質(zhì)樣品(Y1、Y2)作為對比。對所選5處樣品進行顆粒級配分析，在實驗室內(nèi)采用排水法測定其滲透系數(shù)。

3 研究結(jié)果分析

3.1 隧道渣體堆宏觀特征

渣體堆95%以上來自于隧道開挖，剩余的是殘坡積物和修路開挖的邊坡棄土。棄渣場依爛泥溝溝床而建，棄渣堆積時分層碾壓夯填。棄渣場長1.4 km，頂寬30～62 m，堆積厚度15～40 m，堆積后溝床比降為1%，下游250 m呈臺階式布設(shè)，臺階長50 m，比降為2%，每兩級臺階的高差為6 m，共分為5級臺階。棄渣場占地4.97 hm2，隧道棄渣為泥石流運動提供了主要物源。

通過X衍射巖性試驗分析，隧道棄渣主要由方解石、石英、伊利石、綠泥石等構(gòu)成，粉細粒砂狀結(jié)構(gòu)，成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，抗壓及抗風(fēng)化能力差。初堆積的渣體大小和形狀相似，結(jié)構(gòu)松散，厚度一般為10～20 cm。棄渣遇水后結(jié)構(gòu)會迅速遭到破壞，經(jīng)人工重新堆填和雨水沖刷，顆粒變小，內(nèi)部粗細混合不均，顆粒之間的孔隙度變小，相對更密實。

3.2 顆粒級配特征

泥石流物源的顆粒級配是指不同粒徑的顆粒搭配比例，直接反映渣體的滲透和壓實等情況[2-4]。研究區(qū)隧道棄渣和原溝床泥石流物質(zhì)的顆粒級配見表1和圖1。由表1知，隧道棄渣(S1、S2、S3)顆粒變化相對集中。其中：<0.075 mm的粉粒物質(zhì)僅占總質(zhì)量的1.31%～1.64%，小于中砂(<0.5 mm)的顆粒占總質(zhì)量的5.74%～7.32%，而<2 mm的顆粒占總質(zhì)量的14.93%～19.51%，礫石級顆粒(2～60 mm)占總質(zhì)量的80.49%～85.07%。隧道棄渣中礫石比例占絕對優(yōu)勢，細顆粒相對缺乏，<0.005 mm的黏粒物質(zhì)幾乎沒有，屬于無黏性的粗粒物質(zhì)。根據(jù)費祥俊等[5]等提出的泥石流分類標(biāo)準(zhǔn)，將d≥2 mm的物質(zhì)顆粒質(zhì)量所占比例大于80%，且泥石流物質(zhì)以礫石、卵石和漂礫為主的泥石流溝道劃分為水石流。據(jù)此判斷，此隧道棄渣導(dǎo)致的泥石流應(yīng)屬于水石流。

由表1和圖1 可知，將隧道棄渣(S1、S2、S3)和原溝床物質(zhì)(Y1、Y2)顆粒級配曲線進行對比，隧道棄渣顆粒變化范圍相對較窄，其物源粒徑累計質(zhì)量分數(shù)變化不大，沒有巨粒，屬于典型的人工分選物，而原溝床泥石流物質(zhì)的物源粒徑累計質(zhì)量分數(shù)變化較大；另外，隧道棄渣中<0.075 mm的細粒物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)一般不超過2%，而原溝床泥石流物質(zhì)中<0.075 mm的細粒物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在0.27%～7.07%之間，變化范圍也較大；隧道棄渣顆粒粒徑累計質(zhì)量分數(shù)初始變化平緩(d<2 mm)，然后陡然升高(d≥2 mm)，而原溝床泥石流物質(zhì)的表現(xiàn)形式正好相反，初始急劇升高(d<1 mm)，然后又趨于平緩上升(當(dāng)d≥1 mm)，說明隧道棄渣顆粒不像原溝床泥石流物質(zhì)那樣有足夠的細粒填充內(nèi)部空隙。顯然隧道棄渣顆粒級配明顯不同于原有溝床泥石流物質(zhì)，粒度變化范圍較窄，3組泥石流物質(zhì)顆粒級配曲線走勢基本一致，即細顆粒少，粗顆粒占絕對量。

表1 研究區(qū)不同物源粒徑累計質(zhì)量分數(shù)

圖1 研究區(qū)泥石流物源顆粒級配

崔鵬[6]利用準(zhǔn)泥石流體進行了大量的野外試驗，認為顆粒級配是決定松散堆積體結(jié)構(gòu)和連接強度的主要因素，并且隨著準(zhǔn)泥石流體細顆粒含量的不同，其與水分的相互作用及對水分加入的響應(yīng)程度差異顯著?？梢姡瑴?zhǔn)泥石流體的強度主要由細粒部分的連接作用確定。隧道棄渣粒徑均值d50=8.27 mm，土樣分類為圓礫、角礫，不均勻系數(shù)(Cu)范圍在12.05～15.87，曲率系數(shù)(Cc)范圍在1.83～2.23，屬于級配良好礫；原溝床泥石流物質(zhì)顆粒粒徑均值(d50)范圍為0.48～7.85 mm，Cu范圍在7.38～31.88，Cc范圍在0.13～0.93，其土樣分類為含細粒土砂，屬于級配不良砂。這進一步印證了隧道棄渣和原溝床泥石流物質(zhì)顆粒級配存在顯著區(qū)別。

3.3 隧道棄渣的透水性能

郭慶國[7]研究表明，當(dāng)泥石流物源中的粗粒含量超過70%時，滲透系數(shù)顯著增大。爛泥溝隧道棄渣粗粒含量平均為83.12%，渣體顆粒松散無黏結(jié)，在實驗室通過排水法獲得渣體的孔隙度為 36%～44%，平均為40%。同時，采用長水頭滲透儀進行滲透試驗，結(jié)果表明，隧道棄渣的滲透系數(shù)平均值為0.865 cm/s，是原泥石流溝床物質(zhì)滲透系數(shù)平均值(0.024 cm/s)的36倍。隧道棄渣透水性能明顯高于原溝床物質(zhì)，分析其原因，粗顆粒含量大，粗顆粒形成的骨架細顆粒不能填滿其空隙，顆粒間連通性強，滲透系數(shù)顯著增大。這種現(xiàn)象有利于降水在棄渣中通過，不利于降水入滲產(chǎn)生靜水壓力，導(dǎo)致棄渣堆自重增加而失穩(wěn)形成泥石流。因此，隧道棄渣在一般降雨條件下自身引發(fā)泥石流的幾率較小，主要是在暴雨或強降雨作用下才能起動形成泥石流，或者是加劇已有泥石流的破壞程度。

4 討 論

4.1 隧道棄渣顆粒組成對泥石流起動的影響

泥石流物源中顆粒的粗細直接影響泥石流的形成機理和起動模式，一般情況下在達到臨界點之前，顆粒越細，臨界起動的雨強越小[8-10]。但對隧道棄渣而言，其黏粒含量甚少，細顆粒在泥石流起動過程中的作用可以忽略。許多專家對礦渣型泥石流的起動模擬試驗結(jié)果表明[11-12]，當(dāng)細粒物質(zhì)(d<1 mm)含量占到棄渣總量的28%時，其起動時所需雨強最小。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，隧道棄渣中的細粒物質(zhì)僅為11.04%～14.98%，而原溝床泥石流物質(zhì)中的細粒物質(zhì)為39.78%～71.04%，因此隧道棄渣起動比原溝床泥石流物質(zhì)起動需要的雨強要大得多。

4.2 高透水性對泥石流起動的影響

降水入滲對泥石流起動的影響，首先表現(xiàn)在改變渣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使細顆粒遷移，內(nèi)部侵蝕、孔壓和含水量增加，破壞渣體結(jié)構(gòu)[13]。隧道棄渣由于具有顆粒級配粗、孔隙度大、降水入滲快的特點，因此具有很好的導(dǎo)水能力。降雨入滲后，棄渣顆粒間的孔隙水壓力變化不明顯，一般降雨條件下，降水很快透過棄渣堆中的粗大孔隙滲漏排出，起動時這些碎屑物質(zhì)并不能達到飽和狀態(tài)，水動力強度一般達不到誘發(fā)泥石流起動的條件。除非遇到暴雨或特大暴雨，溝道內(nèi)的渣堆在較短時間內(nèi)受到較強的水動力沖刷破壞才會導(dǎo)致起動，進而形成泥石流。

4.3 隧道棄渣形成泥石流模式

隧道棄渣主要由方解石、石英、伊利石、綠泥石等碎巖塊構(gòu)成，松散無黏結(jié)，分選性相對較好，d≥2 mm的顆粒質(zhì)量所占比例大于80%，黏粒物質(zhì)幾乎沒有，這就決定了渣體內(nèi)部具有極強的連通性能，大大加強了降水入滲的通過能力。相反，因孔隙水壓力而造成渣體失穩(wěn)的作用力較弱，一般降水條件下，隧道棄渣不易起動。但爛泥溝地處黃土區(qū)，降雨通過坡面沖刷，攜帶部分黏土顆粒進入主溝道，黏土顆粒的巨大表面積和親水性，與水和沙粒組成高濃度漿體，使其具有賓漢流體的特性，加大了溝道內(nèi)水體的淘蝕、沖刷作用，因此黏土顆粒在泥石流形成和運動中起著十分積極和重要的作用[14-16]，降低了隧道棄渣起動形成泥石流所需要的雨強。加上我國隧道施工工藝成熟，施工速度快，在比較短的時間內(nèi)就會形成大量棄渣，這些棄渣占據(jù)主溝道，阻滯溝道泄洪，受強暴雨不斷的淘蝕、沖刷，會在持續(xù)聚集的山洪作用下潰決而形成泥石流，即特大山洪攜帶黏土顆粒進入主溝槽—形成高濃度漿體—淘蝕或沖刷渣體—潰決形成泥石流。更為嚴(yán)重的是，隧道棄渣泥石流的發(fā)生通常需要大暴雨和較大的洪水流量，在極端天氣條件下，隧道棄渣一次性補給量大、速度快，從而加劇了泥石流的破壞程度，一旦發(fā)生泥石流往往會造成大型甚至特大型災(zāi)害，可能比泥石流高發(fā)區(qū)形成的小型泥石流造成的危害更大，損失更嚴(yán)重。

4.4 隧道棄渣泥石流治理模式

隧道棄渣泥石流的發(fā)生通常需要暴雨或特大暴雨誘發(fā)，在一般降雨條件下不易發(fā)生，容易造成假象，使人們對防災(zāi)減災(zāi)工作有所松懈。因此，針對隧道棄渣存在的安全隱患，應(yīng)該做到如下幾點：①隧道棄渣應(yīng)選擇流域面積相對較小的溝道或支溝進行堆填，這樣能保證水動力條件很難達到起動渣體要求，也可以選擇在溝腦，這樣有助于控制洪水中黏粒含量的增加，進而增大了起動隧道棄渣形成泥石流需要的水量。②做好群測群防，尤其是在渣體堆積初期，渣體量增加快，但相應(yīng)的工程措施還沒完全實施，因此在這個階段要特別加強群測群防，保證遇到問題能第一時間處理。③堅持綜合治理，渣體一般堆放于溝道內(nèi)，距離城市相對較遠，而治理費用又相對較高，很多施工單位堆渣后不去治理或不徹底治理，這都為渣體起動形成泥石流埋下安全隱患，隧道棄渣的治理要做到攔排結(jié)合，使渣體能穩(wěn)在溝里，又不影響溝道行洪能力；攔擋措施應(yīng)該在棄渣前就修建到位，等棄渣堆填完成后進一步完善排水工程，同時應(yīng)采取必要的水保措施。

5 結(jié) 語

(1)隧道棄渣以人工開挖形成的碎巖塊及巖屑構(gòu)成，松散無黏結(jié)，分選性較好，粒徑介于0.075～60 mm之間，平均粒徑為8.27 mm，>2 mm的物質(zhì)顆粒質(zhì)量所占比例大于80%，黏粒物質(zhì)幾乎沒有，此類物質(zhì)形成的泥石流屬于水石流范疇。

(2)隧道棄渣的孔隙度大，渣堆內(nèi)部連通性好，具有極強的透水性，一般降水難以導(dǎo)致因滲水壓力增大而起動形成泥石流。

(3)以粗顆粒為主、松散無黏結(jié)、高透水性能的隧道泥石流成災(zāi)模式為特大山洪攜帶黏土顆粒進入主溝槽—形成高濃度漿體—淘蝕或沖刷渣體—潰決形成泥石流。

(4)對于隧道棄渣的防治要分3個階段：第一階段做到選址科學(xué)、合理；第二階段是在堆放棄渣過程中做好預(yù)防，除做好群測群防外，必要的攔擋措施也應(yīng)到位；第三階段對渣場進行綜合防治，同時應(yīng)采取必要的水保措施。

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